医用气动物流传输系统终端站点设计.pdf

设 计 实 例 ．．D．．．．．e．．．．s．．．．i．g． ． ． ． ．n． ． ． ． ． ． ．I． ．d．． ． ．e．．．as 电气 自动化} 2 0 1 0年第 3 2卷 第 6期 医用气动物流传输 系统终端站点设计 陈维威唐厚君徐振胤杨帆 上海交通大学 ， 上海 2 0 0 2 4 0 摘 要 对气动物流传输系统的电气控制部分进行了硬软件设计， 主要包括以电机电压有效值为反馈信号， 设计了 P WM电机转速控制模 块； 设计了物流传输系统 C A N通信模块的硬件和应用层协议， 实现了信息传输的总线化； 设计了位置传感器、 键盘输入接口， 设计了 传感器 I I c通信模块的硬件和应用层协议。实验结果表明， 开发的硬件平台工作稳定可靠， 验证了方案的可行性和正确性。 关键词 物流传输系统脉冲宽度调制 反馈控制 C A N通信I I c [ 中图分类号 】 T P 2 7 3 【 文献标识码 ] B[ 文章编号] 1 0 0 0 3 8 8 6 2 0 1 0 0 6 0 0 8 3 0 3 Th e De v e l o p me n t o f t h e T er mi n a l I n a Me d ic a l P n e u ma t i c Tu b e Tr a n s p or t Sy s t e m C h e n We i w e i T a n g H o u j u n X u Z h e n y i Y a n g F a n S h a n g h a i J i a o t o n g U n i v e r s i t y , S h a n g h a i 2 0 0 2 4 0 ， C h i n a Abs t r a c t Th i s p a p e r i nt r o d u c e s t h e h a r d wa r e a n d s o f t wa r e d e s i g n o f a p n e uma t i c t u be t r a ns p o r t s ys t e m．The ma i n wo r k i n c l u d e s Us i n g t h e o u t p ut v o l t a g e r o o t me a n s q u a r e v a l u e o f t h e mo t o r a s t h e f e e d ba ck s i g n a l ，t h e PW M c o n t r o l l e r i s d e s i g n e d t o c o nt r o l t he mo t o r s pe e d；t h e d e s i g n o f a l o g i s t i c s t r a ns f e r s y s t e m CAN c o mmu ni c a t i o n mo du l e h a r d wa r e an d a p p l i c a t i o n l a y e r p r o t o c o l f o r i n f o r ma t i o n t r a ns mi s s i o n i n fi e l d b u s ； t h e d e s i g n o f p o s i t i o n s e ns o r s ，ke y bo a r d i nt e r f a c e ，a n d t h e d e s i g n o f t h e s e ns o r I I C c o mmun i c a t i o n mo d u l e ha r d wa r e a n d a pp l i c a t i o n l a y e r p r o t o c o 1 ．Th r o u g h t h e e x p e r i me n t r e s u l t s s h o w t h a t t h e d e v e l o p me n t o f ha r dwa r e p l a tfo r m i s s t a bl e a n d r e l i a b l e，v e r i f y t he f e a s i bi l i t y a n d c o r r e c t n e s s o f t h e p r o j e c t ． Ke y wor ds l o g i s t i c s t r a n s p o r t s y s t e m PW M f e e db a c k c o n t r o l CAN b u s I I C 0 引言 世界许多发达 国家和地 区在很 早就开始研制物 流传输 系统 ， 相关技术已经较为成熟 ， 系统应用领域广泛 ， 种类齐全 。在医用领 域 中， 截至 2 O世纪末 ， 欧洲就有超过 l万套物 流传输 系统在使用 ， 日本也有 3 0 0 0家以上的医院装备有物流传输系统。 现阶段我 国大部分医院物流发展 的现状仍然是 “ 专 职递送 队 伍 多部电梯 ” ， 这样的物流传输方式有着严重的弊端 人流与物 流混在一起 ， 病人和职工在 电梯楼上楼下跑动 ， 多处排 队等候 ， 浪 费时间，增大医护人员工作量 ，同时还增加 了交叉感染或疾病传 播的危 险性 。 本设计主要实现除 P C上位机外 的所有终端机 械设备的电气 控制部分软硬件控制电路 的设计 ，实现整个系统 的底层软硬件控 制设计 。 1 系统结构设计 图 1 为物流传输 系统中工作站 电气结构硬件框图， 其主要功能 包括电机控制， 传感器信号检测， 上下位机通信 ， 以及液晶显示等。 该物流传输 系统选用 F r e e s c a l e公司的单 片机 MC 9 S系列作 为 主控芯片 ， 控制思路为通过 C A N通信接收上位机的指令 ， 控制机 械设备 中指定 的电机进行动作 ，然后根据传感器信号判断动作执 行情况并 向上位机返 回相应的状态信号 。 1 ． 1 电机控制功能模块 该 物流传 输系 统 电机 驱动模 块采用 MC系列 为主要 驱动芯 片，该芯片具有 电流采样的功能 ，可以实现电机的过流保 护和转 矩调节 。 单片机通过控制 MC系列驱动芯片 ， 能输 出 2 4 V的电压 ， 最大 电 机 驱 动 ／ _ _ 』 ＼ 电 机 电 机 驱 动 信 号 通 信 电 路 审 路 ＼ 厂 _ ]／ 一I．． ． ． 一 机 电机构 控制电路 传感器 传感器信号反馈 电路 电路 图 1工作站 总体结构 图 U 5 5 V 0 0 FS I N 霉二 Z ￡ ￡ 】 1 3 D 2 C a p 2 l } } _ l 系统 通信 总线 5 V 图 2 电机驱动 电路 。 l 1 3 n F Ele c t r i c a l Au t o ma t io n 8 3 m 一 一 一 ∞ P P D ● D D 一 两 阳 一 电 气自 动 化 } 2 0 1 0 年 第3 2 卷第6 期 设 计 实 例 一 旦 里 曼 l 皇 垦 曼 图 3多路电机控 制原理 图 工作电流 町达 7 A， 该系统 根据要求需要控制多路 电机 动作 ， 为 了 节约芯片， 根据实际需要搭配继电器控制电路 ， 实现一块驱动芯片 分别驱动多个 电机的功能。原理 图如 图 3所示 1 ． 2 传感器信号检测功能模块 该物流传输系统通过检测传感器 的信号确定传输物 的具体位 置以及 电机 的动作情况 ，并 同时进行信号处理 。传感器模块主要 包括传感器接 口电路和传感器控制 电路两部分 ，如 图 4和图 5 所 示。接 口电路为传感器提供 电源并调理传感器输出信号 ；控制电 路 以 P C F系列为核心芯片 ， 将各路光电传感器 的开关量输出信号 通过 I I C总线传送 给单 片机 。通过 P C F系列极大地扩充 了单 片机 能够处理传感器的数量 ， 提高系统 的准确性 。 1 ． 3 上位机通信功能模块 c41 H 叶 ’ m 图 4传感器接 口电路 RI P8 B 叵二鞭 |C4 H3 I l 。 图 5传感器控制电路 5 P9 2l K P1 o 1 K 1 K 1 K 1 K 1 K I K 1 K P P1 2 Pl 3 Pl 4 Pl 5 PI 6 图 6 C A N通信 总线驱动 电路 该物流传输 系统通过 C A N通信实现上 位机能够控制机械设 备以及查询传输物品当前位置的功能。C A N通信采用 M C 9 S系列 自带的 C A N模块 ， 通过光耦隔离后 ， 配合 P H 1 L 1 P S公司的高速总 线驱动器 8 2 C 5 0 ， 该 总线驱动器采用双线差分驱动 ， 抗干扰强 ， 实 现与上位机通信 。同时 ，为 了使系统更加稳定 ，采用 了隔离 电源 A 0 5 0 5对 8 2 C 5 0 进行单独供 电。 同时在 C A N总线两端接入 1 2 0欧 的匹配电阻， 以消除阻抗 不连续时的反射现象 ， 总线与地各 自并联 一 个小 电容 ，以防电磁辐射和抗高频干扰。C A N通信 总线驱动电 路如图 6所示 2 反馈 P WM控 制设计 当输 人 电压 发生波 动或需要 切换 电压控制 电机转速 的过 程 中 ，开环控制下的电机转速容易受到影响出现波动。对于 电机转 速稳定性要求较高的情况 ， 为实现电机转速稳定 ， 有必要对 电压实 现反馈控制。 由于系统工作时瞬时 电压信号容易受到 干扰 ，而电 压有效值信号尽管计算量 稍大 ， 但是 较为稳定 。本设计中 ， 处理器 的计算能力能够满足控制系统需求 。为此提出一种以输 出采样电 压有效值为反馈信号 ， 调节 P WM信号 占空 比的控制方案 ， 控制系 统结构如图 7 所 示。 1 ， 2 几 n 图 7 电机反馈控制结构 图 实际输 出电压信号 经过采样 和有效值计算环节后 ， 得到反 馈电压有效值 u ⋯。 给定参考输出电压 与实际输出电压反馈信 号 ‰ 比较后得到输出 电压偏差量 A“ ， 经过 P I 控制器后得到 占 空比反馈控制信号 D t D t “ 一t t⋯ ， n t d m t r 一 lfJ 其 中 ， 分别 为比例 、 积分 系数 ， m t 代表输 出电压误差量 △u 的积分。 通过对 △u的积分控制 能够减小输 出电压的稳态误差。 经 r l D ￡ ≥ 1 过限幅环节后， 得 D{ D t o D t 1 【 0 D ￡ ≤0 输 出 占空 比信号经过高频调制和分配控制后 ，得到 P WM控 制信号 ， 从而控制 电机控制芯片相应引脚。 3 CA N通信设计 C A N c o n t r o l l e r a r e a n e t w o r k ，又称控制器局域网总线除 了具 备现场 总线 的开放式 、 互操 作性 、 数字化通讯等特征外 ， 还具有以 下特征 1 以多主机方式工作 ； 2 C A N上 的节点信息分不同的 一 一 一 一 ∞ 一 一 一”一 一 一 H 一 舵 咖 眦 啷 蹦 晰 一 2 3 4 5 6 7 8 9一 m一 一 幢 设 计 实 例 ．D．．．．．e． ． ． ．s． ． ． ．i． ．g． ． ． ．n． ． ．． ． ． ．I．．d． ． ． ．e． ． ． as 优先级 ， 可满足不 同的实时要求 ； 3 采用非破坏性 总线 仲裁技能 ， 节省了总线冲突仲裁时间； 4 采用短帧结构， 传输时间短， 受干扰 率降低 ， 具有极好的检错效果 ； 5 每帧信息都有 c r c校验及其它 纠错功能， 数据 出错率极低 ； 6 通信介质可灵活地挑选 ； 7 C A N 上的节点数高达 1 1 0个 ； 8 有很高 的可靠性和性能价格 比等。图 8 所示为 C A N总线通信协议分层结构。 选定 C A N作 为通信方案后 ， 制定 了与上位 机之问相应 的通信 信息格式 ， 以此确定 各种 机械动作 。 图9 为风机转换器命令信息格 式 图 1 0为单片机进行 C A N通信动作流程图。 数据链层 L L C 接收 滤波 超载通 知 恢复管 理 MAC 数据封 拆 装 帧编码 填 充／ 解除填充’ 媒体访 问管理 错误检 测 出错标 定 应答 串 行 解 除 串 行 化 物 理层 PLS 位 编 码／ 解 码 位定时 同步 PMA 驱动器， 接 收器特性 MDI 连 接器 图 8 C A N分层结构 字节号 编码 含义 3 C H 命令类 型 风机转换器动作 收 1 3 DH 命令类型 风机转换器动作成功 发 2 0 1 一F F H 节流板编号 O 0 H 0 位置 吹 f 3 0 1 H 1 位 置 吸 l风 机 转 换 器 位 置 0 2 H 2 位置 停 l 图 9 风 机转换器命令 4实验样机 设计 在原理分析与建模基础上 ，设 计了 MC 9 S系列处理器为核心 的实验样机 。其组成结构如图 1 1 所 示 该样机由六部分组成 传感器模块 ， 检测电机动作信号和信号 调理 ； MC 9 S系列处理器是控制系统的核心 ， 检测 的电机 电压信号 经过内部 A D采样， 转化为数字量。 通过执行控制算法， 得到 P WM 信号 的占空 比值 ；电机驱动 电路模块将单 片机 输出的 P WM信 号 转换成为电机开关 的驱动信号 ； 保护模块在过压 、 过流和过热情况 下封锁单片机发出的P WM信号， 并提示错误类型； 通信模块， 实 现单片机与上位机通信 。 5 结论 医用气动管道物流传输系统涉及到的技术领域非常多，包括 电气 自动化} 2 0 1 0年第 3 2卷 第 6期 空气动力学 ，机械传 动 ，机械制造 ，传感 器 ， 电气控制 ， 电路设 计， 通信， 软件编程等 等 ，本 文基 于 M C 9 S 系列处理器的基础上 实现 了物流系统 电气 方 面 的 硬 件 结 构 设 计 ，通过检测电机电 压 电 流 进 行 闭 环 控 制 ，有效 的控制电机 进行平滑动作 ，保证 系 统稳 定性 ；在 I I C 通信实验中调整匹配 电阻 ，解 决 了 I I C工 作不稳定的问题 ；在 实现系统各个功能基 I 底层寄存 器初 始化 ’ 毒 ■ ■ 广 I 8575，设置中蚓 I 方式 ，开 中 断 二； 一 ．。 I S C A N S e n d M s g 0 将S P 数据发送出去 _ 杰 、 调mM S C A N S e n d M s g 0 { I 读 取数据 I ， 一 1L 将读到的数据从S P I 接 口发送给A l{ M I 从 m s 』 ；e L ． d a 切 [ ] 中 读 取 I 】 并处理数据 【 厂一 图 l 0 主任务流程图 图 1 l 实验样板 结构框 图 础上 ， 添加 了保护 电路 ， 确保在单个芯片发生故障时整个 电路的安 全性。仿真与实验结果 ， 验证了所 提出设计方案 的有效性。 医用气动管 道物 流传输系统有效地提高了各种 医用物品在医 院内的传输效率 ， 为医务人员创造出高效的工作环境 ， 为患者营造 出更便捷 的就 医环境 ， 必将成为现代 化医院的发展趋势 ， 因此 ， 加 快其 国产化具有重大意义 。 参考文献 [ 1 】 沈崇德． 浅谈医院物流传输系统[ J ] ． 医疗卫生装备， 2 0 0 9 ， 3 0 6 2 9 ． [ 2 ] 杨 巍． 物流传输系统在 医疗 工作 中的应用 [ J ] ． 医疗 卫生装备 ， 2 0 0 6， 2 7 1 2 5 2 ． [ 3 ] 林 昌勤． 气 动管道 物流传输 系统在现代 医院中的应用 [ J ] ． 医疗装 备 ， 2 0 0 5， 1 1 ． f 4 ] 岳立桐． 医院用 气动管道物流传输 系统 设计 [ J ] ． 电气 自动化 ， 2 0 0 9 ， 3 1 3 ． [ 5 ] S WI S S I O G． P n e u ma t i c T u b e S y s t e m C o mp o n e n t s O v e r v i e w， H e a h h c a r e S o l u t i o n s ． [ 6 ] 华成英． 模拟 电子技术 第5 版 [ M] ． 北京 高等教育出版社 ， 2 0 0 7 ． [ 7 】 周顺荣． 电机学 [ M】 ． 北京 科学 出版社 ， 2 0 0 2 ． [ 作者简 介] 陈维威 1 9 8 7一 ， 男 ， 上 海交通大 学硕 士， 研究 方向为 电力 电 子 与 电 力传 动 。 Ele c t r i c a I Au t o ma t i o n 85