（信号与信息处理专业论文）单味中药浓缩颗粒袋装自动配药系统的研究与实现.pdf

摘要 摘要 袋装的单昧中药浓缩颗粒是未来中药的发展方向。它具有免煎、服用方便等 特点，符合当前人们的生活习惯，并且已经得到了较为广泛的市场推广和临床应 用。为了减少中药药房工作人员的工作量，降低抓药出错率，并解决病人抓药需 要较长时间的排队问题，决定开发一种专门针对袋装中药浓缩颗粒的简单实用的 自动配药系统。 该配药系统采用了立体分层结构及振动药箱下药的方式。每一层都有两个链 轮带动一个环形的输送带，而药箱被等间距地固定在输送带上；另外，每一层只 有一个下药处，并在该处置有一个振动器，用来振动药箱下药。该设计有效解决 了大部分配药系统占用较大空间的问题，同时由于不同层可以同时下药，提高了 下药效率。 该系统控制部件采用三菱f x 2 n 型p l c ，运动执行部件采用安川的机电伺服 系统( 包括s g d m 1 0 a d a ( 2 0 0 v ) 型伺服驱动器和s g m g h 0 9 a c a 6 1 型伺服电 机) 。p l c 与伺服驱动器之间按照伺服驱动器提供的位置控制模式进行线路连接， p l c 、伺服驱动器、伺服电机三者之间构成了闭环控制，这保证了系统在药箱定位 方面的精确性。上位机( 即计算机) 按照p l c 专用的通信协议与p l c 进行通讯。 在本系统中，上位机主要向p l c 发送要下的药所在的药箱号，接下来如何实现下 药，完全靠p l c 控制其它设备来完成。 为了提高本系统的下药效率，要力求使寻药的路径最短，这就是本文所要探 讨的路径优化问题。在本系统中，p l c 和上位机共同完成了路径的优化工作，但 两者的分工不同。p l c 需要完成的路径优化工作是控制电机的正反转来寻找一种 药所在的药箱，此处采用的是找圆的劣弧法，其算法是通过p l c 的程序来实现的。 上位机需要完成的路径优化工作是对分布在同一层的多种药，如何对这些药的下 药顺序进行排序，使得总的下药路径较短。本文采用的是找最近点法，其算法是 通过上位机的基于v c + + 6 0 开发平台的编程来实现的。 随着单味中药浓缩颗粒在医院越来越广泛的临床应用，使得开发出一种简单 实用、价格低廉的自动配药系统成为一个迫切的市场需求。本文所研究的自动配 广东工业大学工学硕士学位论文 药系统，结构设计巧妙，出药效率高，并且价格低，具有很高的应用价值。 关键词：自动配药系统；p l c ；机电伺服系统；路径优化 a b s t r a c t a b s t r a c t t h eu n c o m p o u n d e dc h i n e s em e d i c i n ec o n c e n t r a t i o np e l l e tw h i c hi sp a c k e di nb a g s w i l lb et h ef u t u r ed e v e l o p m e n td i r e c t i o no ft r a d i t i o n a lc h i n e s em e d i c i n e i th a s f e a t u r e so ff r e ed e c o c ta n dc o n v e n i e n tt a k i n g ，w h i c hc o n f o r m st ot h ec u r r e n tp e o p l e s h a b i t sa n dc u s t o m s ，a n da l r e a d yo b t a i n e dt h em o r ew i d e s p r e a dm a r k e ti n t r o d u c t i o n a n dt h ec l i n i c a lp r a c t i c e i no r d e rt or e d u c et h ep h a r m a c ys t a f f sw o r kl o a da n d l o wt h e g e t t i n gm e d i c i n ee r r o rr a t i o ，a n ds o l v e st h ep a t i e n tt og e tm e d i c i n er e q u i r e st h el o n g t i m et h el i n i n gu pq u e s t i o n ，id e c i d e dt od e v e l o po nk i n do fs i m p l ya n dp r a c t i c a l a u t o m a t i cd i s p e n s i n gs y s t e mf o rm e d i c i n e ( a b b r e v i a t e da d s m ) ， t h i sd i s p e n s i n gs y s t e mu s e st h es t r u c t u r eo ft h r e e d i m e n s i o n a ll a m i n a t i o na n dt h e m e t h o do fv i b r a t i n gt og e tm e d i c i n e e a c hl a y e rh a st w og e a r st od r i v ear i n g - l i k e c o n v e y o rb e l t a n dt h em e d i c i n e - c h e s t sa r ef i x e do nt h ec o n v e y o rb e l te q u i d i s t a n t l y i n a d d i t i o n ，e a c hl a y e rh a so n l yo n ep l a c ew h e r el o c a t e dav i b r a t o rf o rg e t t i n gm e d i c i n e t h i sd e s i g ne f f e c t i v e l ys o l v e dt h eq u e s t i o nw h i c hm a j o r i t yo fd i s p e n s i n gs y s t e m sh a s t a k e nb i gs p a c e a n db e c a u s et h ed i f f e r e n tl a y e r sc a ng e tm e d i c i n es i m u l t a n e o u s l y , i t i m p r o v e st h ee f f i c i e n c yo fg e t t i n gm e d i c i n e t h ec o n t r o lp a r to ft h i ss y s t e m su s e sm i t s u b i s h if x 2 np l c ，a n dt h em o v e m e n t e x e c u t i v ec o m p o n e n tu s e sy a s k a w am e c h a n i c a la n de l e c t r i c a ls e r v os y s t e m ( w h i c h i n c l u d e ss g d m 一1 0 a d a ( 2 0 0 v ) s e r v od r i v e ra n ds g m g h - 0 9 a c a 6 1s e r v om o t o r ) t h el i n ec o n n e c t i o nb e t w e e np l ca n dt h es e r v od r i v e ri sa c c o r d i n gt ot h ep o s i t i o n c o n t r o lp a t t e r nw h i c ht h es e r v od r i v e rp r o v i d e s p l c ，s e r v od r i v e r , s e r v om o t o rt h e t h r e ec o n s t i t u t e dt h ec l o s e d l o o pc o n t r 0 1 t h i sh a sg u a r a n t e e dt h es y s t e m sa c c u r a c yi n t h em e d i c i n e - c h e s t sl o c a l i z a t i o na s p e c t t h es u p e r i o rm a c h i n e ( n a m e l yc o m p u t e r ) c o m m u n i c a t e sw i t hp l ca c c o r d i n gt ot h ep l cs p e c i a l p u r p o s ec o m m u n i c a t i o n p r o t o c 0 1 i n t h i s s y s t e m ，t h em a i n l y t a s ko f s u p e r i o r m a c h i n ei s s e n d i n g m e d i c i n e - c h e s t s n u m b e r s h o wt or e a l i z eg e t t i n gm e d i c i n et h e n ，i t st h ew o r ko fp l c i no r d e rt oe n h a n c et h ee f f i c i e n c yo ft h i ss y s t e mt og e tm e d i c i n e ，w em u s to b t a i nt h e i i i 广东工业大学工学硕士学位论文 s h o r t e s tp a t ht om e d i c i n e t h i si st h ep a t ho p t i m i z a t i o np r o b l e m sw h i c ht h i sa r t i c l e n e e d st od i s c u s s i nt h i ss y s t e m ，p l ca n dt h es u p e r i o rm a c h i n eh a sc o m p l e t e dt h ep a t h o p t i m i z e dw o r kt o g e t h e r b u tb o t h sd i v i s i o no fl a b o ri sd i f f e r e n t t h ej o bt oo p t i m i z e t h ep a t hw h i c hn e e dt ob ed o n eb yp l ci s c o n t r o l l i n gt h em o t o rt oc l o c k w i s eo r a n t i c l o c k w i s er o t a t et of i n dt h em e d i c i n e c h e s tw h i c hak i n do fm e d i c i n ea t w h a tl a w i su s e dh e r ei sl o o k i n gf o rt h ec i r c l et h em i n o ra r c t h i sa l g o r i t h mi sr e a l i z e dt h r o u g h t h ep l cp r o c e d u r e t h ep a t ho p t i m i z a t i o nw o r kw h a tt h es u p e r i o rm a c h i n en e e d st o c o m p l e t ei st ot h em a n yk i n d so fm e d i c i n e sw h i c ha r ed i s t r i b u t e di ni d e n t i c a ll e v e l ， h o wt os o r tt h e i ro r d e r so fb e i n gg r a b b e dt om a k et h et o t a lp a t h si ss h o r t e s t i nt h i s a r t i c l e ，w h a ti su s e di st h el a wo ff i n d i n gt h en e a r e s tp o i n t t h i sa l g o r i t h mi sa c h i e v e d b yp r o g r a m m i n gu n d e rd e v e l o p m e n tp l a t f o r mf o rv c + + 6 0o np c a l o n gw i t hs i n g l e t a s t ec h i n e s em e d i c i n ec o n c e n t r a t i o np e l l e t g e t sm o r ea n d m o r ew i d e s p r e a dc l i n i c a lp r a c t i c ei nh o s p i t a l ，i tc a u s e st o d e v e l o po n ek i n ds i m p l y p r a c t i c a la n dc h e a pa u t o m a t i cd i s p e n s i n gs y s t e mb e c o m e a nu r g e n tm a r k e td e m a n d t h ea u t o m a t i cd i s p e n s i n gs y s t e mw h i c ht h i sa r t i c l es t u d i e sh a st h ef e a t u r e so f i n g e n i o u ss t r u c t u r a ld e s i g n ，h i g he f f i c i e n c yr a t et og e tm e d i c i n ea n dl o w e rp r i c e ，a n d s oh a st h ev e r ys t r o n gp r a c t i c a lv a l u e k e y w o r d s ：a u t o m a t i cd i s p e n s i n gs y s t e mf o rm e d i c i n e ；p l c ；m e c h a n i c a l a n d e l e c t r i c a ls e r v os y s t e m ； o p t i m i z e dp a t h i v 独创性声明 独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人 在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加 以标注和致谢的地方外，论文中不包括其他入已经发表或撰写过的研究成果，不 包含本人或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡 献均已在论文中作了明确的说明，并表示了谢意。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取得的，论 文成果归广东工业大学所有。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此声明。 指导老师签名：竹f 色 论文作者签名：甚乡意，勇 枷d 7 年蛔箩日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究背景 我国中药文化源远流长，而且中药资源也非常丰富。相对于西药，它具有全 天然、副作用小、标本兼治的优点。但是在现代化的今天，传统中药饮片却挡不 住西药的冲击，一直处于萎缩状态，这是为何? 其实究其原因，是因为传统中药 饮片需要熬，对火候和熬药的器皿都有很高的要求，整个过程麻烦而且耗时，这 显然会给服用中药患者带来诸多不便，而且也与处在快速生活节奏中的人们所要 求的方便性和快捷性相矛盾。为了中药的推广与发展，必须在提高服用的方便性 上有所突破。 2 0 世纪7 0 年代，日本、韩国和我国台湾地区开始使用中药配方颗粒( 台湾 称“科学中药”) 。特别是日本、韩国，他们早在此之前就开辟了中药精制颗粒 的研究，并且取得了相当可观的经济效益。在日本，有汉方药厂约2 0 0 家左右， 津村株式会社是最大生产厂家，其产量占日本制剂总产量的7 0 。该社中药材的 7 0 从我国进口，1 0 从朝鲜、韩国进口。令我们痛心的是，我国中药材价格1 0 年来年年下跌，而日本生产出的中药在世界销售市场上的价格却不降反升；其目 前的销售额已占世界中药市场年销售额的8 0 ，是我国的2 6 倍。日本开发中药 新产品的基本思路是：中药传统古方与现代制剂工艺的完美结合。而国内在这方 面研究相对处于落后状态，所以中药饮片的改革己成为我国未来中药发展的大课 题1 1 1 。 2 0 世纪8 0 年代末，江苏江阴的中医药科研人员在总结前人经验教训的基础 上，对国内外中药浓缩颗粒的工艺、设备、质量标准、生产管理、市场等方面展 开了历时三年的调研，于1 9 9 3 年率先向国内推出新一代免煎汤剂，填补了我国 研制“浓缩中药的空白。它的产生，改变了中国人数千年来传统汤药的煎煮习 惯，仅从变患者自行煎药为工业化、规范化、标准化制药这一角度来说，它就是 一场巨大的变革。同年，在国家中医药管理局的倡导下，确立了“中药配方颗粒 的研制与开发 项目，并将该项目交由广东一方药业和江苏江阴天江药业有限公 广东下业人学工学硕l ：学位论文 司负责研发【2 1 。 1 0 几年来，我国已制订了多种有关中药配方颗粒的工艺规程和质量标准，并 建立了系统的薄层色谱鉴别图谱。2 0 0 1 年，原国家药品监督管理局将中药配方颗 粒纳入中药饮片实施批准文号管理，中药配方颗粒取得了合法身份，并开始了临 床应用【3 1 。 我们知道，一种中成药一般会含有多种中药成分，然而每一种中药配方颗粒 却只含有一种中药成分，所以中药配方颗粒又称作单味中药浓缩颗粒。自从单味 中药浓缩颗粒出现以后，就改变了中药在人们心目中服用比较麻烦的看法。它以 纯天然、副作用小、疗效好、服用象西药一样方便的崭新面目赢得越来越多的人 喜爱。而且在大多数中医院的药房中，很多传统的原生中药饮片已被单味中药浓 缩颗粒所取代。 随着单味中药浓缩颗粒应用的日益广泛，中药自动配药系统的需求也开始显 现出来，而医院药房服务的电子化、网络化使中药自动配药系统的功能有了更广 阔的延展空间。单味中药浓缩颗粒广泛的临床应用及其配套的中药自动配药系统 的使用，将会为把我国丰富的中药资源向国际推广提供了良好的机遇。 1 2 国内外自动配药系统的发展状况 1 2 1 国外自动配药系统的发展状况 纽约州约翰逊市的创新联合公司于1 9 9 7 年开发出了s m a r t c a b i n e t t m 自动配药 系统( 后又升级为p h a r m a s s i s te n t e r p r i s es y s t e m ) ，如图卜1 所示，该自动配药 系统针对药丸制剂。使用了该系统的美国s t j o s e p hm e r c y 医院每天要处理1 2 0 0 0 份处方，经验证，在配药系统安装后的6 个月内配药错误的发生率比之前降低了 一半，可见该系统的有效性。但是在这一体系的配药箱内仅可以存5 0 种处方药， 而每个系统售价3 0 万美元【引。如果要把近5 0 0 种常见中药全部实现自动配药，则 需要1 0 套该系统，那么总价值将近3 0 0 万美元，这对于任何一个中医医院来讲， 都是一个难以承受的花费。 2 第结论 图1 1p h a r m a s s i s t 自动配药系统 f i 9 1 - 1a u t o m a t i c d i s p e n s i n gs y s t e m f o r m e d i c i n e w h i c h i sn a m e dp h a r m a s s i s t 1 2 2 国内自动配药系统的发展状况 上海交通大学与汕头市南峰集团于2 0 0 0 年左右联合开发了一种专门针对散 装中药浓缩颗粒实现自动配药的系统，如图卜2 所示。该系统采用小车取药，并 共同采用一个集中料斗送至包装处。在这个过程当中，药品很容易交叉污染，而 且散装浓缩颗粒本身也容易受潮失效；同时每个药罐都有一个螺旋下药装置，大 大增加了系统成本，所以该系统在这些方面存在一定的不足pj 。 广东“一方药业”在2 0 0 2 年2 月也研制出了一台自动配药系统，并在广东省 第二中医医院安装使用。与图卜2 所示的自动配药系统专门针对散装中药浓缩颗 粒不同的是，该系统针对的是袋装中药浓缩颗粒；就因为这一点不同使得他们 丌发出来的自动配药系统完全不同。该自动配药系统如图卜3 所示，它采用的是 机械手取药”j 。 广东i 业人学i 学砸学位论立 l 配药控制系统及信息反馈系统、墩药任务生成、取药动作规 l 划系统。药品数据库、处方数据库及其管理系统等。 图1 - 2 中药( 散装) 自动配药系统 f i 9 1 - 2 a u t o m a t i cd i s p e n s i n gs y s l e m f o r c h i n e s e m e d i c i n e ( i ns c a t t e r e d ) 图1 - 3 采用机械手的自动配药系统 f i 9 1 - 3 t h ea u t o m a t i cd i s p e n s i n gs y s t e m f o r m e d i c i n e w i t h m e c h a n i c a lh a n d 第一章绪论 由图1 3 可以看出该系统由于采用机械手，机械手各关节的控制难度大，而 且还需要精密的并且足够长的导轨；当机械手采用负压吸药时，药的摆放位置要 求也是非常严格，因此药箱的填药也是很麻烦的事；由于结构的复杂，自然也造 成价格十分昂贵，对于大部分中小医院来说，在经济上显然超出了他们能承受的 范围，同时由于只有一个机械手，一次只能取出一包药，在取药的效率方面也需 要提高。 1 3 本课题研究的目标 一专门针对袋装的单味中药浓缩颗粒 单味中药浓缩颗粒是按照国家中医药管理局单味中药浓缩颗粒研制指南 要求，采用符合炮制规范的中药饮片为原料，经现代化科学提取、低温浓缩、喷 雾干燥、干压制剂制成的现代“饮片”颗粒。它具有以下特点： ( 1 ) 工艺稳定、质量可控。 ( 2 ) 包装现代化。 ( 3 ) 保持了中医药临床应用的特色。 单味中药浓缩颗粒代表了未来中药发展的方向，它具有广大的市场应用空间。 因此，研制专门针对中药浓缩颗粒的自动配药系统具有很高的市场需求。同时由 于药品是袋装的，具有一定的尺寸规格，极大的增强了实现自动配药的可行性1 8 j 。 二实用，结构简单，造价低 对于自动配药机，首先要做到实用，即保证出错率低的同时还要保证出药效 率高，而这两方面也正是采用人工抓药所不具备的。其次，结构设计要简单，便 于操作人员日常的维护，这样就不会当系统出现小问题时，由于没有专业技术人 员而使整个药房陷入瘫痪。最后，还要考虑造价的问题，因为一样新东西会不会 被用户所接受，价格也是一个很重要的方面；由于本系统是专门应用在医院的中 药房，考虑到很多地方医院资金并不宽裕，所以在系统结构的设计和选材上不但 要做到性能满足要求，同时价格也要合理。 1 4 本课题的主要研究内容 本文对单味中药浓缩颗粒自动配药系统的可行性进行了分析，并以实用、结 5 广东t 业大学t 学硕i ：学位论文 构简单、价格低作为研制的重要标准，最终对以下几个方面的内容做了较深入的 研究： 1 4 1 系统结构设计 为了节省成本，其结构设计必须要做到简单，同时还要有较高的实用性。因 此，在本系统中，决定不采用机械手取药的方式，而是采用振动药箱下药。根据 设计，该系统为分层结构，每一层有两个链轮带动一个环形的输送带，输送带上 等距离的固定有药箱。另外，每一层都有一个振动器，可以实现多层共同下药。 采用这种方式的最大好处是：结构和控制都很简单，占用空间小，出药效率高。 1 4 2 寻药路径的优化 当要取的几种药不在同一层时，由于每一层都有自己独立的执行系统，所以 可以实现同时下药，极大的提高了下药效率。但是，如果有几种药位于同一层， 那么，如何对这几种药的下药顺序进行排序，使得下完这几种药所走的总的路径 最短，也是提高下药效率需要考虑的一个重要问题。在本文中有两类问题做了最 优化处理： 1 针对本系统中每一层都是环形结构的特点，在下每一种药时，为了所走的 路径最短，总是采取找圆的劣弧方法来决定电机的正反转。在这里，如何寻找圆 的劣弧是关键。 2 。当医生开的处方中有多种药位于同一层时，在上位机采用找最近点法对这 些药所在的药箱号进行排序，然后再将排序后的药箱号依次发给p l c ，实现了下 药总路径的优化。 6 第二章自动配药系统的设汁方案概述 第二章自动配药系统的设计方案概述 目前已经出现的自动配药系统很多都是采用机械手。虽然机械手有它自身的优 点，比如技术成熟，性能稳定，然而也存在一些不利因素，比如结构复杂、体型 庞大、价格昂贵、取药效率低等。而正因为这些不足，严重的阻碍了自动配药系 统的广泛应用，所以在本系统的设计中，决定以解决这些问题作为设计的宗旨。 2 1 方案设计要求 2 1 1 较低的成本 我们要考虑到在一般的中小医院，医生给病人开的处方中袋装的中药浓缩颗 粒所占的比例还很小，所以开发出的自动配药系统如果成本很高的话，也是让这 些医院难以接受的，这必然会导致有产品而无市场，因此，必须要做到所开发出 的系统成本低廉。 反观目前市场上已出现的类似配药系统，他们大多都采用机械臂的装置来取 药。对于这种取药方式，总体来说，造价是非常高的。因为在实现如何找准药并 且精确的取出一包药方面，它要求要有复杂的机械结构和控制系统。这也是为何 目前开发出的该类系统往往售价很高的原因。所以为了降低自动配药系统的成本， 要从取药方式的改变上入手。 2 1 2 最大限度减小系统占用房间面积 如果系统占用面积很大，对于有些中小医院，就有可能因没有合适的药房而 无法采用该系统。而且从医院来讲，他们也不希望买来的仪器是一个不易放置的 庞然大物，所以减小自动配药系统占用房间面积也是一个很重要的问题。 由于中药的种类繁多，而且最常见的中药就有4 0 0 多种，如何将这些常见中 药分布在自动配药系统中，是要考虑的问题的关键。如果采用机械臂取药的话， 中药药箱的排放不外乎有两种：一是平面放置，即把盛放4 0 0 多种中药的药箱平 铺在一个平面上。可想而知，这会占用多大的面积，而且，在取药的过程当中， 如果偶然掉下来一包药，再把它找出来也是一件很麻烦的事情。二是立体放置， 7 兰士兰至主三兰堡! ：兰兰墨 即靠一面墙垂直放置。这似乎减小了系统的占地面积，但是需要采用较长的机械 臂，而且往药箱中添加药也是一件很麻烦的事。由此可咀看出，药箱的位置排布 是解决这些问题的关键。 21 3 较小的系统复杂度 如果一个系统很复杂，也会导致它出错的几率增大，而且检修起来也很麻烦。 而一个自动配药系统的复杂度的大小在很大程度上还是取决于寻药的方式，即取 药所走的路径。如果所走路径算法很复杂，那么也要要求有很复杂的控制系统， 随之也就提高了其制造成本和维修成本。因此让系统的寻药方式简单化是设计 的一个重要方向。 2 2 设计要求的实现方案 2 2 1 采用振动药箱下药 该想法是受物料振动盘的启发而来的。如图2 一i 所示它由盘体和下面的振 动嚣构成。当下面的振动器开始振动时，盘体内的物件就会落入盘内的槽中，并 在高频的振动下顺着盘旋的槽一个接一个的流出来，并且由于出口处的档板，使 得不会出现两个物件一起出来的情况发生。 田2 - 1 物料振动盘 f i 9 2 一lm a t e r i a l sv i b r a t e t r 舯 该类振动盘都是根据某一特定规格的产品而设计的，针对不同规格的产品， 盘内的构造也是不一样的。由于市场上还没有出现针对袋装中药的振动盘，所咀 不得不自己设计盘体结构。同时，本系统中的药箱( 类似上面的盘体结构) 并不 需要带震动器，只是在下药处放置一个振动器，所以还要考虑到两者分离后的振 第二章自动配药系统的设计方案概述 动效果。目前，药箱已处于试制阶段。 2 2 2 分层结构设计 把自动配药系统设计成立体分层结构，而每一层的药箱在同一平面上，其结 造如图2 - 2 和图2 - 3 所示： 驱动轮 图2 - 2 药箱分布的俯视图 f i g2 - 2t h ep l a t f o r mo fm e d i c i n e b o x e sd i s t r i b u t i o n 集药箱 图2 3 药箱分布的侧视图 f i g2 - 3t h ep r o f i l eo fm e d i c i n e - c h e s t sd i s t r i b u t i o n 如图2 2 所示，每一层有两个链轮，一个是主动轮，一个是从动轮。为了避 免他们之间的相互干涉，从动轮不带齿。主动轮带动传动带旋转。而在传动带上， 等间距固定药箱。在该层选择一个合适的位置放置一个振动器，而且位于药箱下 方，作为下药的地方，如图2 3 所示。当所需药所在的药箱到达振动器上方时， 9 广东t 业大学t 学硕i j 学位论文 主动轮停止旋转，振动器开始振动，此时下方的集药箱按每种药集中放在一格的 方式接药。那么现在要解决的是：如何知道所需的药在哪个药箱，又如何将该药 箱移到振动器上方，即下药处并停下来呢? 这就是后面要研究的内容之一。 2 2 3 简单的寻药方式 因为对于每一层的药箱分布来说，它们构成了一个环形，所以当取一种药时， 主动轮的旋转也只有两种可能：顺时针旋转( 下面称正转) 或者是逆时针旋转( 下 面称反转) 。那么到底是选择正转还是反转呢? 这要取决于如何转才能使得所需药 箱到达振动器位置时所走的路径最短。对于该问题采用的算法是，将所需药的药 箱号与当前振动器上方的药箱号做个比较，然后再将其结果与总药箱数的二分之 一( 如果是非整数则取整数) 做个比较，就能够决定出是正转还是反转( 具体如 何才能实现这一点，后面会给出详细说明) 。 另外还有重要一点就是：当医生开的处方中有多种药位于同一层时，如何对 这些药的下药顺序进行排序，才能使得下完所有药所走的总路径最短。解决方法 是先找出这些药所在的药箱中离下药处距离最短的药，让其排在下药顺序的第一 位，然后在剩下的药中按照此方法排出后面的下药顺序；按照此顺序下药就会使 得所走的总路径较优。后面章节会给出该算法的证明，。 2 3 系统软硬件设计 2 3 1 医生操作部分 该部分包括医生操作界面和射频卡读写器。医生操作界面如图2 - 4 所示，在 该界面中，l 指示的确定按钮所在的框栏称为属性单，2 指示的确定按钮所在的框 栏称为属性页。一个属性单包括多个属性页。当点击属性单上方不同的病症类按 钮时，就会切换到包含有对应该病症类的所有中药名的属性页。当选完属性页中 的中药后，必须点击该页中的确定按钮；如果选完处方中的所有药，最后还要点 击属性单中的确定按钮，接着就会进入如图2 - 5 所示的下一界面。 1 0 第一$ 自动药系统的垃计方案概# 础 # 懒 t i 十hi ，i i 确0 # i 愀# ie e 日1 m 且覃女磷re琏 t7 # ht t i f 鼾 r 女 自i* m r o ，p 日帆 * 4 1 t tinr i l l l l v t mhhq i i * 一r i m i 到蜘 f#i辅 图2 4医生选药界面 f i 9 2 - 4 t h e i n t e r f a c e f o rd o c t o r s t os e l e c t m e d i c i n e 图2 1 5已选中药显示界面 f i 9 2 - 5 t h e i n t e r f a c e f o rd i s p l a y i n g t h es e l e c t e d m e d i c i n e 在图25 所示的界面中会显示己选中的中药名，并且如果刚才某种药选错的 话，还可以点击药名前的复选框，删除此药。当检查无误后，在对应药名后面的 广东t 业大学t 学硕f ：学位论文 编辑框写入对应的药量，然后点击确定按钮，就会将数据通过串口写入放在射频 卡读写器上方的射频卡中。需要说明的是写入射频卡的并不是表示中药名的汉字 和对应的数值数据，而是一组编码，编码格式是该中药在数据库中的位置编号乘 以1 0 0 0 再加上对应中药所需的袋数。袋数等于药量除以该中药单位重量，不足整 数的进一。举例来说，如果麻黄在数据库中的位置标号是1 0 4 ，需要的药量是l o 克，而每袋的重量为1 5 克，则经过编码后存入射频卡的数据是1 0 4 0 0 7 。下面再 简单介绍一下射频卡。 射频卡( r a d i of r e q u e n c yi d e n tit yc a r d ，r f i c ) 也称非接触式i c 卡，是 一种以无线方式传送数据的集成电路卡片。卡中嵌有耦合元件和微电子芯片。当 卡处于读写器的响应范围之外时，射频卡处于无源状态，只有卡片处于读写器的 响应范围之内时，卡才是有源的。此时，卡所需要的电源、时钟脉冲、数据都是 由读写器通过耦合单元的电磁耦合作用传输给卡片的。当读写器对卡进行读写操 作时，读写器发出的信号有两部分叠加组成，一部分是电源信号，该信号由卡接 收后，与其本身的l c 产生谐振，产生一个瞬间能量来供给芯片工作；另一部分 则是结合数据信号，指挥芯片完成数据的修改、存储等操作，并返回给读写器， 完成一次读写操作。 目前市场上主流的应用有两种卡。一种是a t m e l 公司以t e m i c 系列为主的 1 2 5 k h z 的射频卡，另外一种是p h i l i p s 公司以m i f a r e 技术为核心的1 3 5 6 m h z 射 频卡。本系统中用的是m i f a r e1 型卡。m i f a r el 型卡的存储结构如图2 6 所示1 9 j ： 扇 块0 ( 厂商标志) 区 块1 0 块2 块3 块0 扇 区 块1 块2 1 块3 ( 密码a + 存取控制+ 密码b ) 1 2 第一二章自动配药系统的设计方案概述 块0 扇 块1 区 块2 1 5 块3 ( 密码a + 存取控制+ 密码b ) 图2 6 i i f a r e1 型卡的存储结构 f i g2 - 6t h em e m o r ys t r u c t u r eo fm i f a r e1c a r d m i f a r e1 型卡的存储容量为1 0 2 4 8 字长( 即1 k b ) ，采用e e p r o m 作为存 储介质。这个存储结构划分为1 6 个扇区，编号为扇区0 1 5 。每个扇区有4 个块， 分别为块0 ，块1 ，块2 ，和块3 。每个块有1 6 个字节，每个扇区共有1 6 bx4 = 6 4 b 。其中第一个扇区包含厂商块及卡信息，一般不在此写数据。另外1 5 个扇区 中，每个扇区都包含3 个数据块( 即块o ，块1 ，块2 ) 。数据块可以被访问控制 位配置为读写块或值块，在该系统中，都是置为读写块。 以上是有关医生操作部分的说明，由于该部分不是本文探讨的重点，所以本 文以后章节就不再做进一步的详述。 2 3 2 自动配药系统上位机部分 该部分主要有上位机软件和射频卡读写器构成，其功能是读入射频卡中的数 据，并生成对应指令发给下位机p l c ，而且还要根据p l c 返回的数据做出响应。 因为按照p l c 的通信协议，要求通信信号必须是r s 4 8 5 信号，而上位机只有 r s 2 3 2 串口，所以当上位机与p l c 通信时，之间必须有一个转换器将r s 2 3 2 信 号和r s - - 4 8 5 信号互相进行转换，该转换器采用的是三菱的f x 4 8 5 p c i f 模块。 2 3 3 系统控制及执行部分 该部分主要包括可编程逻辑控制器p l c 、伺服驱动器和伺服电机等。本系统 采用三菱f x 2 n 型p l c 。相对于西门子p l c 不同模块之间需要组态来说，它将各 个常用模块集成在一起，不用组态且价格便宜，另外梯形图编程也比较简单，最 适合应用于本系统。伺服驱动器采用安川s g d m 一1 0 a d a 型。伺服电机采用安1 1 i s g m a h 0 9 a c a 6 1 型。 在本系统中，p l c 可以称为控制机构，伺服驱动器和伺服电机称为执行机构。 1 3 广东t 业火学t 学硕 ：学位论文 p l c 通过向伺服驱动器的使能端子和正反转端子发送通断信号，控制电机的 起停和正反转；通过发送脉冲信号，控制电机的转速及转角位移。同时，p l c 接 收从电机编码器经伺服驱动器反馈回来的脉冲信号，实时监控电机的角位移，并 作为控制电机的一个变量，从而三者之间构成一个闭环系统。 伺服驱动器作为整个配药系统执行机构的一个重要部分，它承担着以改变三 相电的相序及变频来控制电机的正反转及转速的任务。 2 3 4p l c 与上位机的线路连接 当p l c 与上位机按计算机链接通讯协议进行通讯时，要求与p l c 的通讯模 块进行通讯的信号必须是r s 4 8 5 信号。而目前台式电脑主板只提供r s 2 3 2 信号， 所以必须要在上位机和p l c 之间进行r s 2 3 2 j f r s 4 8 5 信号转换，本系统中用到的 信号转换模块为f x 4 8 5 p c i f ，它的作用是将上位机发送过来的r s 2 3 2 信号转换 为r s 4 8 5 信号然后传送给p l c ，同时也将p l c 发送过来的r s 4 8 5 信号转换为 r s 2 3 2 信号再传送给上位机。p l c 内置的通讯模块f x o n - - 4 8 5 a d p 并不能直接与 信号转换模块f x 4 8 5 p c i f 进行数据交流，而是中间还要借助于f x 2 n 4 8 5 b d 通 讯板。它们之间的关系如图2 7 所示： 巨匹h 夏亟固叵围仲叵围 图2 7 通讯线路连接 f i 9 2 - 7t h ec o n n e c t i o no fc o m m u n i c a t i o nl i n e 由于上位机和f x 4 8 5 p c i f 、p l c 与f x 2 n 4 8 5 b d 之间的连接都有专用的插 头，在这里就不再做介绍，需要说明的是f x 4 8 5 p c i f 与f x 2 n 4 8 5 b d 之间的连 接。它们之间有两种布线方式，一种是单对子布线，另一种是双对子布线，在这 里采用的是单对子布线，如图2 8 所示。当采用单对子布线时，r d a 和r d b 之 间需要的终端电阻是1 1 0 欧，而当采用双对子布线时，r d a 和r d b 之间需要的 终端电阻是3 3 0 欧【1 3 1 。 1 4 第二：章自动配药系统的设计方案概述 终嫫电阻1 10 欧 f x 2 n 4 8 5 p c i f f x 2 n 4 8 5 一b d 图2 8 单对子布线 f i g2 - 8s i n g l ep a i ro fw i r i n g 2 4 系统框架结构及工作流程 将以上论述加以总结，可以得出整个系统的如图2 - 9 所示的结构框架图。 l医生l l - 上 i 选药界面 图2 - 9 系统的结构框架图 f i g2 - 9t h ef r a m ef i g u r eo fs t r u c t u r eb e l o n g st ot h es y s t e m 广东t 业人学工学硕1 j 学位论文 通过该图可以看出其工作流程可分为以下几步： 1 医生通过就诊室电脑上的选药界面选出所需中药及对应药量，经确认无误 后，该软件再通过访问中药数据库得出每种药对应的编码( 编码包含了对应中药 的位置编号及所需袋数两种信息) 。然后将这些编码写入到射频卡中。由病人或病 人家属交过钱后拿到药房取药。 2 自动配药系统的上位机通过射频卡读写器读入射频卡中的编码数据，然后 将每一个编码还原为两部分信息：即位置编号和袋数，分别放到两个数组中。然 后向p l c 发送指令，读取当前在下药处的药箱编号。通过p l c 反馈回来的药箱编 号，根据路径最优化原则，计算出下药顺序，接着按照得出的下药顺序生成对应 指令并逐个发给p l c 。当发完每个指令后，紧跟着开启一个线程来读取p l c 一个 特定辅助继电器如m 4 0 0 的状态，确定该药所需包数是否下完。 3 p l c 接收到上位机发送的指令后，分析该指令中的药箱编号，然后与在下 药处的药箱编号做比较，按照圆的劣弧法得出是正转还是反转，转多少脉冲。然 后将与伺服单元的使能端子连接的输出端子置为o n 状态，并给伺服单元发送脉 冲信号，启动电机。当然如果需要反转，还要将与伺服单元的s i g n 端子连接的 输出端子置为o n 状态。 4 伺服单元接到p l c 发送的脉冲信号以后，计算出相对应的频率，然后将 5 0 h z 的三相交流电转变成该频率的交流电来控制电机的运转。同时通过安装在电 机上的编码器反馈回来的脉冲对误差进行