基于STM32微控制器的自動發藥機發藥裝置的控制與實現

張哲　陳天鷹　陳光達

摘 要：隨著工業自動化，智能化的浪潮襲來，人們的生活方式發生了巨大的變化，人們的就醫環境和醫療設備也進一步實現智能化，本文主要利用STM32微控制器通過CAN總線來控制盒裝自動發藥機的發藥裝置，傳統盒裝發藥機的發藥裝置主要通過PLC技術來實現控制[1]，但PLC本身的線路非常復雜，最終使得發藥機顯得非常龐大笨重，現場組裝也耗時耗力自動化程度也不高，同時PLC控制裝置的成本非常高昂，這嚴重制約了盒裝自動發藥機的市場化發展。因此本文采用的STM32微控制器可以有效解決PLC技術的相關缺點。

關鍵詞：自動發藥機；STM32微控制器；CAN總線

據統計北京大醫院一天的門診量就達到上萬人，病人有時花費大量的時間在等待排隊中，這樣浪費了大量時間所以針對這種現象，本論文研究一種自動發藥機[ 2 ]，來節省病人取藥時等待排隊的時間，目前國內外自動化藥房的發藥機主要產品分為以下四種形式：

1）散裝藥品自動化發藥機；

2）數控回轉柜式自動化藥房發藥機[ 2 ] ；

3）機械手式自動化藥房發藥機；

4）儲藥槽式自動化發藥機。

國內的一些發藥機產品一般采用的是PLC技術，而這種技術導致設備的線路非常復雜，機器顯得非常龐大笨重，現場組裝也耗時耗力自動化程度也不高。

綜上所述，本文采用的基于STM32微控制器技術來控制盒裝發藥機的控制裝置，可以有效克服傳統PLC控制方法的缺點與不足，同時降低了盒裝發藥機整體的成本。

一、盒裝發藥機的硬件設計

盒裝發藥機控制發藥裝置的過程如下：上位機通過CAN總線向STM32微控制器發送相應的十六位控制信號。當STM32微控制器收到這些控制信號時，根據我們編寫的通信協議，控制相應發藥彈塊裝置彈出所發藥盒。藥盒被發出時，需要一個光電檢測電路[ 6 ]，用來檢測藥盒是否正常發出而沒有被卡住。

因此盒裝發藥機硬件設計最重要包含三個部分：第一部分是CAN總線收發控制電路，第二部分是盒裝發藥機發藥彈塊控制裝置，第三部分是光電檢測裝置。因此本文實現發藥機控制的核心是CAN總線電路與CAN總線協議的制定，發藥控制裝置的框圖如下圖：

（一）CAN總線收發控制電路

由上可知盒裝發藥機控制裝置的核心是CAN總線電路，CAN總線（控制器局域網絡）即控制器局域網[ 3-4 ]，是使用最廣泛的國際現場總線。起初，CAN總線被設計成在汽車環境中的微控制器之間的通信，在車載電子控制單元（ECU）形成汽車電子控制網絡之間的信息交換。它是一種多主方式的串行通訊總線，基本設計規范要求較高的比特率，高抗干擾，而且能夠檢測出產生的任何錯誤。信號最長傳輸距離為10公里，但是數據傳輸速率只能低至5Kbps。

基于CAN總線的分布式控制系統在以下幾個方面的優勢：

1）CAN具有完善的通信協議，該協議都是由硬件自動完成，因此降低了系統的開發難度，縮短了開發周期，這些是只僅僅有電氣協議的RS-485所無法比擬的。

2）在CAN總線的接口電路中，有CAN-H和CAN-L與線路連接，CAN-H只能是高電平或者懸空狀態，CAN-L只能是低電平或者懸空狀態，這就確保了CAN總線接口電路不會像RS-485那樣在總線出現問題時會損壞節點接口。而且CAN節點在錯誤嚴重的情況下具有自動關閉輸出功能，以使總線上其他節點的操作不受影響，從而保證不會出現象在網絡中，因個別節點出現問題，使得總線處于“死鎖”狀態。

3）CAN控制器可以在多主方式下工作，網絡中的每個節點都可以通過一種特殊的仲裁機制（具體參見CAN2.0協議標準）來變成主機。且CAN總線協議用通信數據編碼取代了棧地址的編碼，這使得每個節點都可以收到一樣的數據，這樣就大大增強了數據通信的實時性。

綜上所述本文采用的CAN總線收發器為TJA1050，CAN總線收發控制電路如下：

二、盒裝發藥機的軟件設計

（一）盒裝發藥機的控制流程圖

Fig3 The control diagram of dispensing machine

（二）盒裝發藥機CAN總線通信子程序設計

本文采用上位機通過CAN總線與STM32微控制器通信，下面是本文CAN總線發藥機控制器上、下位機通訊協議：

1.通訊要求

CAN2.0，擴展位模式，頻率800M，無遠程幀。

2.上位機格式（16進制）例

0x 00 00 AB CD 01 02 03 05 01 55

① ② ③ ④ ⑤ ⑥ ⑦

①：00 00 AB CD 為地址，前2位為00 00，后2位可變。

②：為執行動作標志位。取01時執行動作相應動作，取02時為通訊測試。

③：為電磁鐵位置標志位：取值為01時第一個電磁鐵動作，取02時第二個電磁鐵動作，以此類推。

④：為通電時間標志位：取值為01時為通電10毫秒，取值為10時通電100毫秒。

⑤：為錯誤動作次數標志位：取值為05時動作5次，其他值時動作3次。

⑥：為發藥藥道檢測使能標志位：取值為01時本藥道參與檢測，其他值時不參與檢測。

⑦：CRC驗證：②+③+④+⑤+⑥=⑦

3.下位機格式（16進制）

例：0x 00 00 AB CD 01 02 55

① ② ③ ④

①：本機地址。

②：發藥成功標志位。取值為01時發藥成功，取值為02時發藥失敗。

③：發藥位置標志位。取值為01時發第一盒藥，取值02為發第二盒藥，依次類推。

④：CRC驗證：②+③=④

三、結論

本文針對傳統發藥機采用PLC控制系統來控制發藥裝置，由此造成的成本高昂，設備結構復雜等缺點，提出了采用STM32微控制器的方法，該方法通過設計簡單的電路圖利用CAN總線通信來控制相應的發藥裝置，可以有效克服PLC控制系統的缺點，同時可以有效的提高控制系統的可靠性與穩定性。

但是，本文還存在一定不足。本文中的控制系統沒有采用帶有任務管理的操作系統，導致沒有友好的人機交互界面。從而使后續系統的管理維護，以及迭代開發帶來了不便。

參考文獻：

[1] 王慶.基于S7-200 PLC的中藥自動發藥機系統的研究與實現[D].四川：中國知網，2005：2-3.

[2] 盧道兵，梁茂本.自動化發藥系統在醫院門診藥房中的應用效果評價[J].重慶醫學，2016，45（29）：12.

[3] 劉火良，楊森.STM32庫開發實戰指南[M].北京：機械工業出版社，2013，06.

[4] 鄭杰.ARM嵌入式系統開發與應用完全手冊[M].北京：中國鐵道出版社，2013，08：53.

[5] 趙齊，許彥峰，李健，曾丹紅.基于STM32和多照度傳感器融合照度測量系統[J].電子技術與軟件工程，2014，03.

[6] 尹杰，楊宗帥，聶海，王海峰.基于紅外反射式智能循跡遙控小車系統設計[J].電子設計工程，2013，12.