劉 星，許東來，禹 威，桑 墑

LIU Xing1,XU Dong-lai1,YU Wei1,SANG Shang2

（1. 北京工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程與應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)院，北京 100124；2. 上海長(zhǎng)農(nóng)實(shí)業(yè)有限公司，上海 201704）

0 引言

在我國(guó)，醫(yī)院藥房主要是遵循傳統(tǒng)的工作模式，以人工發(fā)藥為主，屬于簡(jiǎn)單的“取藥治病”模式。對(duì)于患者而言，排隊(duì)等待拿藥的時(shí)間很長(zhǎng)、效率低，容易引起醫(yī)患矛盾；對(duì)于醫(yī)院而言，藥房設(shè)備設(shè)施陳舊、占用人員多、人力成本高、藥師工作強(qiáng)度大，這是目前大多數(shù)醫(yī)院藥房普遍的狀況及存在的問題[1]。自動(dòng)化藥房是醫(yī)院藥房發(fā)展的必然趨勢(shì)[2]。

全自動(dòng)快速發(fā)藥機(jī)是用于醫(yī)院藥房發(fā)藥量最大的盒類藥品的自動(dòng)發(fā)藥，是自動(dòng)化藥房的重要組成部分[3]。全自動(dòng)快速發(fā)藥機(jī)由自動(dòng)加藥系統(tǒng)、矩陣式儲(chǔ)藥系統(tǒng)、自動(dòng)發(fā)藥系統(tǒng)和藥品傳送系統(tǒng)組成。自動(dòng)發(fā)藥控制系統(tǒng)直接關(guān)系到盒藥的發(fā)藥速度及準(zhǔn)確性，是全自動(dòng)發(fā)藥機(jī)的核心。

1 控制系統(tǒng)構(gòu)成及工作流程

如圖1所示為系統(tǒng)構(gòu)成框圖。系統(tǒng)主要包括五部分：PC機(jī)、可編程邏輯控制器PLC、DO擴(kuò)展模塊、驅(qū)動(dòng)電路和發(fā)藥電磁鐵。PC機(jī)實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面、藥品處方數(shù)據(jù)處理與記錄以及與PLC通訊的功能；PLC主要實(shí)現(xiàn)與PC機(jī)的通訊以及對(duì)發(fā)藥電磁鐵的控制；DO擴(kuò)展模塊主要實(shí)現(xiàn)選通驅(qū)動(dòng)電路的功能；驅(qū)動(dòng)電路為發(fā)藥電磁鐵提供驅(qū)動(dòng)電流；發(fā)藥電磁鐵實(shí)現(xiàn)藥品的定位以及自動(dòng)發(fā)放。

整個(gè)系統(tǒng)的工作流程如下：PC機(jī)接收醫(yī)院HIS系統(tǒng)下發(fā)的藥品處方，主要包括藥品的編碼、名稱和數(shù)量等，由PC機(jī)上的組態(tài)軟件對(duì)藥品處方進(jìn)行拆分處理，并下傳到PLC；PLC將從PC機(jī)接收到的藥品處方信息分成12行，傳送到對(duì)應(yīng)DO擴(kuò)展模塊的寄存器中；在檢測(cè)到PLC發(fā)出的鎖存信號(hào)后，擴(kuò)展模塊DO口選中相應(yīng)驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)發(fā)藥電磁鐵動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)發(fā)藥動(dòng)作。

2 自行開發(fā)的多DO擴(kuò)展模塊

為了降低控制系統(tǒng)硬件成本，我們自行開發(fā)了一款多DO擴(kuò)展模塊。該擴(kuò)展模塊采用串行輸入并行輸出的工作方式，每塊擴(kuò)展模塊級(jí)聯(lián)了4塊74HC595芯片，能夠?qū)崿F(xiàn)32位并行輸出。

DO擴(kuò)展模塊的電路原理圖如圖2所示。

圖1 發(fā)藥控制系統(tǒng)框圖

74HC595的16腳接DC5V并接旁路電容，8腳接地；10～14腳接下拉電阻并接對(duì)應(yīng)PLC的DO，其中11腳接PLC高速脈沖輸出口，為74HC595提供高速移位時(shí)鐘脈沖；1～7腳和15腳接驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)發(fā)藥電磁鐵；9腳接下一級(jí)74HC595芯片的14腳。正常使用時(shí)，PLC的輸出Q1.2保持低電平，Q1.1保持高電平；Q1.3輸出當(dāng)前行藥槽的發(fā)藥數(shù)據(jù)。當(dāng)Q0.0出現(xiàn)上升沿時(shí)，74HC595移位寄存器的所有數(shù)據(jù)位左移一位并讀入SI腳當(dāng)前電平值，同時(shí)Q7’串行輸出移位寄存器中高位的值輸出到下一級(jí)74HC595的SI腳。當(dāng)發(fā)藥電磁鐵的控制數(shù)據(jù)全部移入DO擴(kuò)展模塊移位寄存器中時(shí)，PLC的Q1.0輸出高電平，595的12腳檢測(cè)到上升沿，移位寄存器的數(shù)據(jù)被鎖存到存儲(chǔ)寄存器中，并從各個(gè)74HC595的Q0～Q7腳輸出，選通驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)發(fā)藥電磁鐵動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)發(fā)藥。

3 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)電路原理圖如圖2所示。

DO擴(kuò)展模塊必須外接電流驅(qū)動(dòng)電路來驅(qū)動(dòng)發(fā)藥電磁鐵動(dòng)作。驅(qū)動(dòng)電路對(duì)應(yīng)的74HC595輸出端為高電平時(shí)發(fā)藥電磁鐵動(dòng)作。驅(qū)動(dòng)電路中，我們?cè)谛盘?hào)輸入端采用了光電耦合器件TLP521，實(shí)現(xiàn)了輸入端與輸出端的電氣隔離，有效避免了電磁鐵對(duì)輸入信號(hào)的干擾，提高了電路的安全性；采用N-MOSFET功率場(chǎng)效應(yīng)管IRF530N為發(fā)藥電磁鐵提供驅(qū)動(dòng)電流；由于藥品種類不同，重量也會(huì)不同，這就要求驅(qū)動(dòng)電路能夠保證電磁鐵的動(dòng)作力度可以適應(yīng)各種重量的藥品，通過變阻器R7調(diào)節(jié)通電時(shí)場(chǎng)效應(yīng)管的柵極電壓，實(shí)現(xiàn)對(duì)場(chǎng)效應(yīng)管漏-源極電流的調(diào)節(jié)，達(dá)到調(diào)節(jié)電磁鐵動(dòng)作力度的目的，保證了發(fā)藥動(dòng)作的可靠性；電阻R8起限流保護(hù)作用；與電磁鐵并聯(lián)的二極管和電阻R9用于吸收電磁鐵自感產(chǎn)生的電流，消除電磁鐵斷電時(shí)產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)對(duì)電路的干擾，起到保護(hù)電路的作用。

4 發(fā)藥控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

發(fā)藥控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括上位機(jī)組態(tài)軟件設(shè)計(jì)和下位機(jī)PLC程序設(shè)計(jì)。

4.1 組態(tài)軟件設(shè)計(jì)

組態(tài)軟件是數(shù)據(jù)采集與過程控制的專用軟件，是在自動(dòng)控制系統(tǒng)監(jiān)控層一級(jí)的軟件平臺(tái)和開發(fā)環(huán)境，使用靈活的組態(tài)方式，為用戶提供快速構(gòu)建工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)監(jiān)控功能、通用層級(jí)的軟件工具。本次設(shè)計(jì)采用北京亞控公司的Kingview6.52版組態(tài)王軟件。

組態(tài)王軟件實(shí)時(shí)接收醫(yī)院HIS系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中的處方信息，并將當(dāng)前處方中的出藥信息拆分成“頁(yè)”數(shù)據(jù)，“頁(yè)”數(shù)與當(dāng)前處方中盒數(shù)最大的藥品的數(shù)量相等，每“頁(yè)”含有720位數(shù)據(jù)，對(duì)應(yīng)720個(gè)藥槽的出藥信息，每位數(shù)據(jù)只有“0”和“1”兩種狀態(tài)：“0”表示不發(fā)藥，“1”表示發(fā)一盒藥。為了減少在通訊上消耗的時(shí)間，組態(tài)王軟件通過以太網(wǎng)與PLC通訊。組態(tài)王將拆分后的當(dāng)前處方出藥數(shù)據(jù)下傳到PLC對(duì)應(yīng)的發(fā)藥數(shù)據(jù)緩沖區(qū)后，從HIS系統(tǒng)接收新的處方，進(jìn)行拆分后等待下一次出藥數(shù)據(jù)下傳。

圖2 發(fā)藥控制電路原理圖

4.2 PLC程序設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)選用西門子晶體管型CPU226模塊一塊，CP 234-1工業(yè)以太網(wǎng)通訊處理器模塊一塊。系統(tǒng)的編程軟件采用西門子公司的Step7 MicroWIN V4.0版本，通過CP 243-1的向?qū)С绦蚩梢苑奖愕貙?shí)現(xiàn)PLC與上位機(jī)組態(tài)王軟件的以太網(wǎng)通訊。

本系統(tǒng)的控制流程圖如圖3所示。

首先將程序中與出藥相關(guān)的參數(shù)初始化，然后按“頁(yè)”從組態(tài)王中接收處方出藥數(shù)據(jù)并有計(jì)數(shù)器對(duì)“頁(yè)”計(jì)數(shù)，程序中確定了十“頁(yè)”共480個(gè)字的存儲(chǔ)空間作為出藥數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。程序?qū)崟r(shí)檢測(cè)當(dāng)前處方出藥數(shù)據(jù)接收完成標(biāo)志位，若出藥數(shù)據(jù)接收完成，則啟動(dòng)定時(shí)中斷和PTO脈沖輸出。在定時(shí)中斷子程序中對(duì)PLC中每行出藥數(shù)據(jù)進(jìn)行左移。PTO輸出脈沖作為DO擴(kuò)展模塊的移位時(shí)鐘脈沖，在PTO脈沖輸出子程序中可以方便地設(shè)定脈沖的周期及給定的脈沖個(gè)數(shù)。定時(shí)中斷的周期要與PTO脈沖的周期一致，并且定時(shí)中斷的啟動(dòng)要先于PTO脈沖輸出。時(shí)序上的緊密配合才能準(zhǔn)確、快速地將出藥數(shù)據(jù)移入到DO擴(kuò)展模塊的移位寄存器中。脈沖輸出完成時(shí)斷開定時(shí)中斷，輸出鎖存信號(hào)并接通延時(shí)計(jì)時(shí)器。鎖存信號(hào)是用于將各DO擴(kuò)展模塊移位寄存器中的數(shù)據(jù)鎖存到存儲(chǔ)寄存器中并對(duì)外輸出，選通驅(qū)動(dòng)電路，實(shí)現(xiàn)發(fā)藥動(dòng)作。延時(shí)計(jì)時(shí)器是用于設(shè)定發(fā)藥電磁鐵的通電時(shí)間，計(jì)時(shí)器計(jì)時(shí)完成時(shí)PLC將各DO擴(kuò)展模塊的移位寄存器清零并輸出，電磁鐵回復(fù)初始狀態(tài)，等待下一次發(fā)藥動(dòng)作。每次發(fā)藥動(dòng)作結(jié)束時(shí)程序?qū)?yè)計(jì)數(shù)進(jìn)行減一操作并檢測(cè)其是否為零，以此來確定當(dāng)前藥方出藥是否已全部完成。如當(dāng)前藥方出藥未完成則對(duì)下一“頁(yè)”進(jìn)行發(fā)藥；如當(dāng)前藥方出藥完成，則準(zhǔn)備從組態(tài)軟件接收新的處方出藥數(shù)據(jù)信息。

圖3 PLC控制流程圖

5 結(jié)束語(yǔ)

基于PLC和自行開發(fā)的多DO擴(kuò)展模塊的全自動(dòng)發(fā)藥機(jī)發(fā)藥控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了快速、準(zhǔn)確的發(fā)藥動(dòng)作，同時(shí)系統(tǒng)具有發(fā)藥效率高、擴(kuò)展能力強(qiáng)和硬件成本低等特點(diǎn)，對(duì)于全自動(dòng)快速發(fā)藥機(jī)的研制以及我國(guó)藥房自動(dòng)化的發(fā)展具有積極的意義。

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