陳維威 唐厚君 徐振胤 楊 帆

（上海交通大學，上海 200240）

0 引言

世界許多發(fā)達國家和地區(qū)在很早就開始研制物流傳輸系統(tǒng)，相關技術已經(jīng)較為成熟，系統(tǒng)應用領域廣泛，種類齊全。在醫(yī)用領域中，截至20世紀末，歐洲就有超過1萬套物流傳輸系統(tǒng)在使用，日本也有3000家以上的醫(yī)院裝備有物流傳輸系統(tǒng)。

現(xiàn)階段我國大部分醫(yī)院物流發(fā)展的現(xiàn)狀仍然是“專職遞送隊伍+多部電梯”，這樣的物流傳輸方式有著嚴重的弊端:人流與物流混在一起，病人和職工在電梯樓上樓下跑動，多處排隊等候，浪費時間，增大醫(yī)護人員工作量，同時還增加了交叉感染或疾病傳播的危險性。

本設計主要實現(xiàn)除PC上位機外的所有終端機械設備的電氣控制部分軟硬件控制電路的設計，實現(xiàn)整個系統(tǒng)的底層軟硬件控制設計。

該物流傳輸系統(tǒng)電機驅(qū)動模塊采用MC系列為主要驅(qū)動芯片，該芯片具有電流采樣的功能，可以實現(xiàn)電機的過流保護和轉矩調(diào)節(jié)。

單片機通過控制MC系列驅(qū)動芯片，能輸出24V的電壓，最大

1 系統(tǒng)結構設計

圖1為物流傳輸系統(tǒng)中工作站電氣結構硬件框圖，其主要功能包括電機控制，傳感器信號檢測，上下位機通信，以及液晶顯示等。

該物流傳輸系統(tǒng)選用Freescale公司的單片機MC9S系列作為主控芯片，控制思路為通過CAN通信接收上位機的指令，控制機械設備中指定的電機進行動作，然后根據(jù)傳感器信號判斷動作執(zhí)行情況并向上位機返回相應的狀態(tài)信號。

圖2 電機驅(qū)動電路

1.1 電機控制功能模塊

圖3 多路電機控制原理圖

工作電流可達7A，該系統(tǒng)根據(jù)要求需要控制多路電機動作，為了節(jié)約芯片，根據(jù)實際需要搭配繼電器控制電路，實現(xiàn)一塊驅(qū)動芯片分別驅(qū)動多個電機的功能。原理圖如圖3所示:

1.2 傳感器信號檢測功能模塊

該物流傳輸系統(tǒng)通過檢測傳感器的信號確定傳輸物的具體位置以及電機的動作情況，并同時進行信號處理。傳感器模塊主要包括傳感器接口電路和傳感器控制電路兩部分，如圖4和圖5所示。接口電路為傳感器提供電源并調(diào)理傳感器輸出信號;控制電路以PCF系列為核心芯片，將各路光電傳感器的開關量輸出信號通過IIC總線傳送給單片機。通過PCF系列極大地擴充了單片機能夠處理傳感器的數(shù)量，提高系統(tǒng)的準確性。

1.3 上位機通信功能模塊

圖4 傳感器接口電路

圖5 傳感器控制電路

圖6 CAN通信總線驅(qū)動電路

該物流傳輸系統(tǒng)通過CAN通信實現(xiàn)上位機能夠控制機械設備以及查詢傳輸物品當前位置的功能。CAN通信采用MC9S系列自帶的CAN模塊，通過光耦隔離后，配合PHILIPS公司的高速總線驅(qū)動器82C50，該總線驅(qū)動器采用雙線差分驅(qū)動，抗干擾強，實現(xiàn)與上位機通信。同時，為了使系統(tǒng)更加穩(wěn)定，采用了隔離電源A0505對82C50進行單獨供電。同時在CAN總線兩端接入120歐的匹配電阻，以消除阻抗不連續(xù)時的反射現(xiàn)象，總線與地各自并聯(lián)一個小電容，以防電磁輻射和抗高頻干擾。CAN通信總線驅(qū)動電路如圖6所示。

2 反饋PWM控制設計

當輸入電壓發(fā)生波動或需要切換電壓控制電機轉速的過程中，開環(huán)控制下的電機轉速容易受到影響出現(xiàn)波動。對于電機轉速穩(wěn)定性要求較高的情況，為實現(xiàn)電機轉速穩(wěn)定，有必要對電壓實現(xiàn)反饋控制。由于系統(tǒng)工作時瞬時電壓信號容易受到干擾，而電壓有效值信號盡管計算量稍大，但是較為穩(wěn)定。本設計中，處理器的計算能力能夠滿足控制系統(tǒng)需求。為此提出一種以輸出采樣電壓有效值為反饋信號，調(diào)節(jié)PWM信號占空比的控制方案，控制系統(tǒng)結構如圖7所示。

圖7 電機反饋控制結構圖

實際輸出電壓信號uo經(jīng)過采樣和有效值計算環(huán)節(jié)后，得到反饋電壓有效值uorms。給定參考輸出電壓uor與實際輸出電壓反饋信號uorms比較后得到輸出電壓偏差量Δu，經(jīng)過PI控制器后得到占空比反饋控制信號D（t）:

輸出占空比信號經(jīng)過高頻調(diào)制和分配控制后，得到PWM控制信號，從而控制電機控制芯片相應引腳。

3 CAN通信設計

CAN（controller area network，又稱控制器局域網(wǎng)）總線除了具備現(xiàn)場總線的開放式、互操作性、數(shù)字化通訊等特征外，還具有以下特征:（1）以多主機方式工作;（2）CAN上的節(jié)點信息分不同的優(yōu)先級，可滿足不同的實時要求;（3）采用非破壞性總線仲裁技能，節(jié)省了總線沖突仲裁時間;（4）采用短幀結構，傳輸時間短，受干擾率降低，具有極好的檢錯效果;（5）每幀信息都有crc校驗及其它糾錯功能，數(shù)據(jù)出錯率極低;（6）通信介質(zhì)可靈活地挑選;（7）CAN上的節(jié)點數(shù)高達110個;（8）有很高的可靠性和性能價格比等。圖8所示為CAN總線通信協(xié)議分層結構。

選定CAN作為通信方案后，制定了與上位機之間相應的通信信息格式，以此確定各種機械動作。圖9為風機轉換器命令信息格式。

圖10為單片機進行CAN通信動作流程圖。

圖8 CAN分層結構

圖9 風機轉換器命令

4 實驗樣機設計

在原理分析與建模基礎上，設計了MC9S系列處理器為核心的實驗樣機。其組成結構如圖11所示:

該樣機由六部分組成:傳感器模塊，檢測電機動作信號和信號調(diào)理;MC9S系列處理器是控制系統(tǒng)的核心，檢測的電機電壓信號經(jīng)過內(nèi)部AD采樣，轉化為數(shù)字量。通過執(zhí)行控制算法，得到PWM信號的占空比值;電機驅(qū)動電路模塊將單片機輸出的PWM信號轉換成為電機開關的驅(qū)動信號;保護模塊在過壓、過流和過熱情況下封鎖單片機發(fā)出的PWM信號，并提示錯誤類型;通信模塊，實現(xiàn)單片機與上位機通信。

5 結論

醫(yī)用氣動管道物流傳輸系統(tǒng)涉及到的技術領域非常多，包括空氣動力學，機械傳動，機械制造，傳感器，電氣控制，電路設計，通信，軟件編程等等，本文基于MC9S系列處理器的基礎上實現(xiàn)了物流系統(tǒng)電氣方面的硬件結構設計，通過檢測電機電壓電流進行閉環(huán)控制，有效的控制電機進行平滑動作，保證系統(tǒng)穩(wěn)定性;在IIC通信實驗中調(diào)整匹配電阻，解決了IIC工作不穩(wěn)定的問題;在實現(xiàn)系統(tǒng)各個功能基礎上，添加了保護電路，確保在單個芯片發(fā)生故障時整個電路的安全性。仿真與實驗結果，驗證了所提出設計方案的有效性。

圖10 主任務流程圖

圖11 實驗樣板結構框圖

醫(yī)用氣動管道物流傳輸系統(tǒng)有效地提高了各種醫(yī)用物品在醫(yī)院內(nèi)的傳輸效率，為醫(yī)務人員創(chuàng)造出高效的工作環(huán)境，為患者營造出更便捷的就醫(yī)環(huán)境，必將成為現(xiàn)代化醫(yī)院的發(fā)展趨勢，因此，加快其國產(chǎn)化具有重大意義。

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