（生物医学工程专业论文）基于rs485的监护和输液诊疗一体化系统——注射泵.pdf

中文摘要 模块发至监护基站 提醒医护人员注意 还能存储治疗相关信息及工作参数信息 方便查询与传输 注射泵也可独立工作 响应按键信息 能完成速度模式 时间 模式及体重模式三种模式的输液 在输液过程中 显示输液相关参数 可中途调 节注射速度 其他参数修改 可在暂停注射后进入相应注射模式的设置界面进行 完成后以修改后的参数运行 在设计之初 考虑了后期产品化的要求 初步探讨了注射泵的机械结构 在 设计过程中 采用模块化的结构思想 将注射泵按功能解析成各相对独立的十大 模块 包括 电源模块 中央处理模块 电机驱动及机械模块 显示模块 键控 模块 报警模块 外部存储器模块 实时时钟模块 检测模块和通讯模块 本文 主要介绍了重要元器件的选型 各功能模块电路的原理图连接 在硬件设计上 考虑了电磁兼容性 这是硬件设计的一个很重要的指标 在软件上 本着医护人 员操作简便的原则 设计了友好的人机交互界面 在本文的最后 对注射泵的功 能和性能进行了测试 关键词 注射泵 单片机 监护 通讯 a b s t r a c t t h ec l i n i ci n t e g r a t i o ns y s t e m b a s i n go n r s 4 8 5 一s y r i n g e p u m p m a i o b i o m e d i c a le n g i n e e r i n g p o s t g r a d u a t e n i n gl u o s u p e r v i s o r h e n g x i ny u a n a b s t r a c t c e n t r a l m o n i t o r i n ga n dt h ei n f u s i o nt r e a t m e n tf o rp a t i e n t s h a sb e c o m eam a j o r c o n c e r nt ot h eh e a l t hc a r ew o r l d w i d e i ft h ep h y s i o l o g ys t a t e so fp a t i e n t sa r e e x t r e m e l yu n s t a b l e i t i se s s e n t i a lf o rm e d i c a lw o r k e r st ot a k er a p i da n dp r o p e r t r e a t m e n t s u c ha sc h a n g ed r u g so ra d j u s tt h ev e l o c i t yd u r i n gi n f u s i o n o u rp r o j e c t p l a n st or e s e a r c ha ni n t e g r a t e ds y s t e mb a s e do nr s 4 8 5 w h i c hi sc o m p o s e do fs m a r t i n f u s i o np u m p s i n f u s i o nw o r k s t a t i o n p a n e lc o m p u t e r n u r s ep d a c e n t r a ls e r v e r a n ds oo n a sa l li m p o r t a n tp a r to fo u rp r o j e c t s y r i n g ep u m ph a sb e e nw i d e l yu s e di n c l i n i c a la p p l i c a t i o n t h eo b j e c v t i v e so fo u rp r o j e c ta r et os a t i s f i e dt h er e q u i r e m e n to f t h ei n t e g r a t e ds y s t e m a n dt a k et e c h n i c a lr e l i a b i l i t ya st h ep r e r e q u i s i t e f o c u so i l c o n s i d e r a t i o no ft h et i m eo fd e v e l o p m e n t t h ec o s to fp r o d u c t i o n t h ee x p a n s i b i l i t yf o r l a t e r a n ds i m p l eo p e r a t i o nf o rt h eh e a l t hc a r e a n dt od e s i g na n di m p l e m e n tt h e p r o t o t y p eo fs y r i n g ep u m p a f t e rt h ei n v e s t i g a t i o no ft h ei n f u s i o nw o r k s t a i o n sa n dt h es y r i n g ep u m p s c o n s i d e r i n go u rp r o j e c t id e f i n e dt h ef u n c i o n sa n dp e r f o r m a n c eo f t h es y r i n g ep u m p s ot h a ti tc a nb eu s e da sp a r to ft h ei n t e g r a t e ds y s t e m a sw e l la sac o m m o ns y r i n g e p u m p c o n t r o l l e db yk e y p a d t h i ss y r i n g ep u m pi sc o m p o s e do fn i n em o d u l e s i n c l u d i n gp o w e rs u p p l ym o d u l e j l i a b s t r a c t c e n t r a lp r o c e s s i n gm o d u l e m o t o rd r i v em o d u l e d i s p l a ym o d u l e k e y i n gm o d u l e s a l a r mm o d u l e s e x t e r n a lm e m o r ym o d u l e d e t e c t i o nm o d u l ea n dc o m m u n i c a t i o n m o d u l e t h i sa r t i c l ei n t r o d u c e st h es e l e c t i o no fs o m ei m p o r t a n tc o m p o n e n t s t h e s c h e m a t i cc i r c u i tm o d u l e sa n dt h ef a c t o r sf o re m lw h e nt h ep r i m e dc u i c u i tb o a r d w a sd e s i g n e d t h et e s tr e s u l t so ff u n c t i o na n dp e r f o r m a n c eo ft h ep u m pa r ep r e s e n t e d a tt h ee n do ft h ea r t i c l e k e y w o r d s s y r i n g ep u m p s i n g l e c h i p m i c r o c o m p u t e r m o i l i t o r c o m m u n i c a t i o n 斟 学位论文原创性声明 本人郑重声明 所呈交的学位论文 是本人在导师的指导下 独 立进行研究工作所取得的成果 除文中已经注明引用的内容外 本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果 对本文 的研究作出重要贡献的个人和集体 均己在文中以明确方式标明 本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担 学位论文作者签名 了了 日期 入f o 年6 月7 日 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留 使用学位论文的规定 即 学 校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电 子版和纸质版 有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论 文进入学校图书馆 院系资料室被查阅 有权将学位论文的内容编入 有关数据库进行检索 可以采用复印 缩印或其他方法保存学位论文 学位论文作者签名 写宁 日期 沁卜年6 月c 7 日 导师签名蒜m 日期 扣 o 年6 月 u 日 第l 章前言 第1 章前言 1 1基于r s 4 8 5 的监护和输液诊疗一体化系统概况 随着临床医药科学技术的不断发展 鉴于临床医学对给药的方式要求越来越 高 传统的注射方式在许多医护条件下都面临严峻的挑战 对危重症患者来说 输液治疗和生理监护是最基础的诊疗手段 如何保证对危重症患者实施安全 有 效的 精准的输液更是至关重要的1 1 刃 危重监护系统的主要功能是 实时测量病人的生理参数 并与临床中已知的 标准值进行比较 若超标则发出警报 由于危重病人生理状态较紊乱 危重监护 系统必须2 4 小时连续监护 医生应根据监测的生理参数对未来几个小时的生命 体征趋势做出预测 为紧急处理和进行治疗提供依据 使并发症减到最少达到缓 解并消除病情的目的 输液治疗系统不仅提供药物治疗 而且还为危重患者补充体液 营养 i c u 已经广泛使用注射泵 输液泵等输液设备 提高输液治疗质量的同时 也减轻了 医护人员的负担 但是 i c u 病人生理状态不平稳 需要多通路综合的输液治疗 单一的输液设备还不能满足危重病人的需要 基于这样的临床需求 国外著名公 司推出了输液工作站 即可以通过一台微电脑系统实现对多个输液设备的综合控 制 进而实现对患者的多通路精准输液治疗 3 4 j 目前国内的输液设备和多参数监护仪产品很多 也较成熟 像迈瑞 金科 威等知名厂家还有无线网络化的危重病监护系统产品 但是 生理监护和输液治 疗是分离的 为实现诊断和治疗一体化 我们已经采用计算机闭环控制思想和现 代网络技术把生理监护和静脉输液的诊疗方式整合起来 提出了无线网的i c u 诊疗一体化系统 考虑到有线通讯的安全性 进而研发基于r s 4 8 5 5 6 j 的监护和 输液诊疗一体化系统 简称诊疗一体化系统 对病人的治疗包含着以下类似的流程 观测危重监护系统的生理参数 根据 生理参数和临床经验决定 是否调整输液相关参数 是否变化输液药物 危重监 护与输液治疗诊疗一体化系统中 通过危重监护系统监护病人生理参数 应用闭 第l 章前言 环反馈控制算法 调节输液治疗 输液参数的改变势必会反馈影响病人生理参数 最终使病人生理参数趋于正常 信息技术 药物和医疗器械之间的协同作用 将 使临床效果提高到一个新的水平 1 2 立题及意义 目前国内外医疗器械朝着模块化 智能化 小型化 便携化 低功耗等方向 发展 国外对注射泵的研制较早 如日本 美国和德国等国家上世纪8 0 年代末 就进行了注射泵的研制 现在市场上流行的大多是国外产品 类型多样 性能较 好 如美国自然基贝朗 b b r a u n 作为输液治疗设备的鼻祖 还有费森尤斯卡 比 f r e s e n i u sk a b i 艾利斯 a l a r i s 公司相继推出了基站系统 但国外产品成 本极其高昂 是国内医疗机构普及的主要障碍 且为英文操作界面 不支持中文 不符合我国医护人员的语言习惯 更为关键的是 这些产品都不能与医院信息系 统 h i s 接口 而与h i s 系统接口有着重大意义 医嘱执行得更彻底 完善电 子病历系统 方便病人诊疗信息的获取 存储 查阅和传输 为临床医生提供可 靠依据 快速与医院信息科整合等 而国内仪器 以监护类仪器居多 注射泵和输液泵则只是完成输液工作 诊 疗一体化的仪器很罕见 本系统拟研制的诊疗一体化系统很好的填补了这方面的 空白 该系统由注射泵 输液泵 输液基站 平板电脑 多参数监护仪 医护 p d a p e r s o n a ld i g i t a la s s i s t a n t 和中心监控服务器等组成 注射泵作为诊疗系统中的输液设备 在临床治疗过程中有着重要作用 同时 也是病人信息的重要宝贵来源 1 3 工作内容 1 3 1 注射泵的发展及现状 泵是输送液体或使液体增压的机械 它将原动机的机械能或其他外部能量传 送给液体 使液体能量增加 输液泵类医疗器械产品在国外的开发与应用也已有 第1 章前言 近半个世纪的历史 目前全球约有5 0 0 0 万患者需要经常使用输液设备进行输液 世界输液设备市场年销售额高达8 3 0 亿美元 是一个巨大的市场 注射泵 s y r i n g ei n f u s i o np u m p 是输液设备的一种 主要用来注射药物溶 液 注射泵给药量准确 误差小 注射速度调节范围较宽 而且具有多种注射模 式 可以很好的替代人工进行精确的慢速或快速注射各种药液 在输液治疗中 注射泵占有重要地位1 7 j 1 9 5 1 年 德国贝朗 b b r a u n 公司研制出了第一台医用注射泵 从单纯机械 原理应用到电子技术应用 从具备微处理器到具备通讯功能 注射泵的发展大致 可以分为以下三个阶段 第一阶段 5 0 年代到7 0 年代 技术尚处于起步阶段 速度控制精确度较差 容量累计误差较大 第二阶段 8 0 年代到9 0 年代早期 单片机的出现 提升了注射泵的技术 可以对气泡 漏液 输液管等异常情况进 行检测和报警 可精确测量和控制输液速度 当前阶段 9 0 年代中后期至今 随着医院信息系统的建设 各大输液设备公司 纷纷开发具有通讯功能的新产品 当前市场上的输液设备常分为五个部分 8 9 1 微处理器系统多用单片机系统 相当于系统的 大脑 智能控制和管理整个系统 机械传动装置类似于系统的 心 脏 为输送液体提供动力 检测装置相当于 神经系统 感应相应的信号 传 输至微处理系统处理 报警装置主要有光电报警和声音报警 提醒用户注意 输入及显示装置完成参数的设定和显示 图1 1 注射泵的基本结构 图1 1 注射泵的基本结构 第l 章前言 1 3 2 注射泵的研制目标 基于r s 4 8 5 的诊疗一体化系统中 对注射泵有较高的技术要求 除了对现 有注射泵性能升级外 还需通过r s 4 8 5 通讯模块 接受基站的指令 并将输液 相关参数和状态反馈至基站 对报警信息做出处理 并暂停输液过程后 实际反 馈至基站 提醒用户 同时 也需具备常规注射泵的功能 通过按键单独完成药 物的输注 概括的说 有以下功能 可以通过r s 4 8 5 通讯模块接受基站的指令信息 也可以相应按键信息 能 完成时间模式 速度模式 体重模式三种模式的输液 在输液过程中 能保证速 度和容量的精确 同时在显示屏上显示相关信息并将工作状态信息发送给基站 能实时响应输液治疗过程中的异常事件 能存储治疗相关信息 方便查询与传输 第2 章系统总体分析与设计 第2 章系统总体分析与设计 2 1 注射泵的功能特点与技术分析 2 1 1 注射泵的主要功能 在任何情况下 功能都是产品设计的最重要的因素 要设计一个成功的产品 必须对功能进行清晰定义 在设计前期 对目前市场上的主流注射泵进行了调查 注射泵的核心功能是 通过机械装置推动注射器 实现高精度 平稳无脉动的液体传输 在液体传输前 对注射器尺寸 输液速度 预设输液总量进行设定 在液体传输过程中 显示输 液过程的正常工作状态信息 包括系统供电方式 电池电量 当前注射器尺寸 当前速度 当前累计输液量 检测输液过程中的异常信息并发出警报 包括开机 2 分钟后遗忘操作 电量不足 注射器未正确安装 输液管道压力过大 液体输 注结束等 1o 1 除此之外 本论文中的注射泵采用了更高分辨率的t f t 显示屏 在按键布 局上 导航键和快速操作按键配合 做到简单实用 使人机交互界面更符合医生 操作习惯 电机驱动上 选用更高细分的驱动芯片 使液体传输更平稳 增加了 数据库 储存上一次输液参数 避免医护人员每次输液前需人工设置输液参数 储存了与基站数据库中所有药物的名称 医护人员能直观看到当前输注药物 除 了r s 4 8 5 外 还预留了其他通讯接口 使其他通讯模块可即插即用 2 1 2 注射泵的技术指标 流速范围 1 0 m l 注射器 o 1 3 0 0 m l h 可调精度0 1 2 0 m l 注射器 0 1 6 0 0 m l h 可调精度0 1 5 0 6 0 m l 注射器 0 1 1 2 0 0 m l h 可调精度o 1 快速推注范围 第2 章系统总体分析与设计 1 0 m l 注射器 lo o m l h 2 0 m l 注射器 2 0 0 m l h 5 0 6 0 m l 注射器 6 0 0 m l h 注射量误差士3 0 以内 三级报警压力值 3 0 0 士1 0 0 m m h g 5 0 0 a 10 0 m m h g 8 0 0 a 2 0 0 m m h g 累计容量 0 1 一 9 9 9 9 m l 报警提示 声光报警 屏幕提示 大屏幕彩色l c d 显示 电池工作时间 3 8 h 功率 2 5 v a 外形尺寸 m m 长 宽 高 1 9 0 x 1 0 0 x 1 2 0 2 2 注射泵的结构与机械设计 结构与机械设计是电子产品设计中颇具挑战性的方面 当两款产品性能相当 时 这常成为电子产品成功与失败的分水岭 1 2 1 在进行初步电子设计的同时 可以相同的方式进行结构和机械设计 通常会并行地安排电子设计和机械设计 由于本项目的目的是将科研样机升级为送检样机 并最终产品化 因此在设计之 处 考虑大致的结构与机械设计是很有必要的 对比市场上注射泵产品外观 结 合本项目的需求 对机械设计的要求 有以下几点 为了方便不同身高的医护人员操作 需限制支架上可固定注射泵的高度 并 且是与基站配合使用 在基站控制下可能有多个注射泵 为了避免注射泵体积较 大 因此需把泵做小 尺寸在b r a u n 注射泵基础上改进 b r a u n 尺寸 m m 1 9 0 x 1 0 0 x 1 2 0 为了做到如此小的尺寸 屏的选择 按键的布局以及电机 的选择成为关键 为了减少菜单层数 方便用户使用 可将按键按功能摆设 采 取多键与适当的导航键组合的方式 可做成便携式 方便医护人员提拿 本注射 第2 章系统总体分析与设计 泵的设计亮点是 注射器压板可做成抽屉式 安装一个多圈电位器 通过a d 转 换即可识别注射器型剐1 3 1 4 l 2 3注射泵的硬件整体设计思路 2 3 1 注射泵的硬件设计步骤 由于分工的精确和专业性 目前的产品化开发均采用模块化的思想 即购买 市场上的技术成熟的模块 在此基础上进行应用层面的开发 一方面技术更可靠 有保证 另外一方面 可减少成本 缩短研发时间 本注射泵的硬件整体思路大 致如下 首先依据已总结的注射泵功能和性能 结合已经查阅的文献 探讨各功能的 不同实现方式 比如步进电机中速度 已注射量的计算方法 按键原理图的不同 设计方法 注射器脱落报警的多种实现方式 对比不同实现方式 选择最佳方 案 依据功能的实现方式 讨论选择何种硬件最合适 对元器件进行评估选型 硬件选择时 各模块电压尽量统一 同一模块的器件的电平尽量匹配 由于注射 泵需做得较小 因此元器件的尺寸也是考虑因素之一 完成可行性验证后 绘制出原理图 同时进行软件的主流程设计 重点是明 确注射泵的可能的操作流程 用计算机进行仿真 重难点的电路模块可自搭电路 板进行试验验证 接着完成完整的p c b 设计 值得注意的是 由于p c b 制版的繁琐 完成制 版后 一定要按l 1 比例打印出来 逐个封装与元器件实物对比 以保证封装无 误 焊盘适当 焊接方便 确定预留的螺丝孔位置 找p c b 制版厂家时 可通 过过孔的透光性 线是否整齐 均匀 有无毛边来判断厂家生产水平 最后在样机上完成软硬件联调 完成功能测试 性能测试 以及有针对性的 对潜在隐患点进行测试 2 3 2 注射泵的工作原理及各功能模块 根据之前的系统功能要求 本论文中的注射泵的设计分为以下功能模块 第2 章系统总体分析与设计 分别是 电源模块 中央处理模块 电机驱动模块 机械模块 显示模块 键控 模块 报警模块 外部存储器模块 时钟模块 检测模块和通讯模块 其硬件结 构图如图2 1 所示 图2 1 注射泵硬件模块图 下面分别介绍一下各个模块的功能 电源模块 为其他各模块提供工作能量 是整台仪器工作的动力 中央处理模块 接受来自按键或者通讯模块的外部信号 并发出信号控制 l c d 和l e d 同时发出信号控制开关电源的开启和关断 发出信号控制电机运 转 接受各传感器的数据 并据此判断注射泵是否工作在正常状态 电机驱动模块 步进电机是注射泵的核心部件和动力部分 它推动丝杆转动 丝杆的转动带动与之相对固定的卡头的运动 从而精确地推动注射器 将药液准 确地输入体内 电机驱动模块主要实现对电机的驱动控制 机械模块 注射泵的机械模块主要由 1 电机 2 变速箱 3 注射器推注挡 板 4 蜗杆等组成 变速箱决定步进电机的传动比 注射器推注挡板内置弹簧 用来卡住蜗杆 挡板与蜗杆通过螺纹咬合 步进电机转动带动丝杆转动 丝杆的 转动带动附在丝杆上的推注挡板做直线运动 推注挡板推动注射器进行推注 图 2 2 为推注机械模块结构图 善 第2 章幕统总体分析与设计 图2 2 机械模块结构图 显示模块 作为人机交互的主要途径 大部分信息都通过显示屏以文字 图形和数字方式直观的反应给用户 键控模块 主要实现对注射泵的各种功能参数进行修改和确认 控制整个 输液过程 比如说医护人员输入注射速度 这一过程就是人机交互的过程 它需 要按键和显示屏的配合完成 报警模块 对于异常的工作信息 进行屏幕显示的同时 l e d 灯发出交替 闪烁的光 蜂鸣器发出警报声音 进一步提示医护人员 使整个注射泵处于监控 状态 更加的安全化 外部存储模块 该存储模块主要存储输液参数和药物名称 由于医生并非每 次都需要修改输液参数 因此可存储当前操作的输液参数 这样 医生下次操作 时 不一定需要修改参数 此外 在繁重的医疗过程中 医护a 员无法清楚记忆 和提取这么多病床上的输液设备里正在输注的药物 目前报多医院是医护人员手 工贴上药物标签 以进行标识 医疗仪器设计初衷之一就是把医护人员从繁重的 医疗任务中解脱出来 因此浚注射泵能显示当前药物名称 若通过几个简单的按 键 让医护人员手动输入药协名称 势必带来操作的不方便 因此在该注射泵中 存储芯片里存储了与p c 机药物库对应的所育药物 这些药物被编码 每次输液 过程中 p c 机将药物编码发至注射泵 注射泵在存储模块中按编码套找与之对 应的药物 并通过显示屏显示 甍 导 孵 第2 章系统总体分析与设计 检测模块 检测模块主要实现三部分的功能 一部分为注射器型号的检测 一部分为螺杆压力的检测 一部分为注射器是否到头的检测 通讯模块 主要传递p c 机的指令 中央处理模块接受到指令后执行相应 的操作 时钟模块 主要显示系统时间 也可通过按键更改当前时间 综上所述 医护人员使用时 开机后 由按键 显示屏配合完成参数的设 置 接着进入输液过程 显示模块将显示输液过程中的相关参数 并可通过按键 查阅其他参数 整个输液过程处于检测模块的监测中 一旦监测到异常现象 则 由报警模块发出警报信息 及时报警向用户反映 避免造成不必要的后果 输液 完毕后 相关参数都会存储在存储模块里 1 5 2 0 2 4 重要元器件选型 完成了理论设计后 我们必须选择和获取元器件 以供制造实验电路板和样 品时使用 选择合适的器件 能够达到事半功倍的效果 实际购买时 应考虑元 器件的品牌 产地 购买的难易程度 使用的普及程度 技术支持的信誉度 2 4 1连接器 连接器是硬件电路设计中常用元件 很多人甚至不称呼其为元件 由于连 接器串联在电路中 若发生故障 将直接影响电路的运行 很多设计方面 使用 方面的故障均来自于连接器 连接器主要有三类参数 电气性能 机械性能和环境性能 对于我们硬件 工程师来说 当然 电气性能是最重要的 电气性能包括 额定电压 额定电流 接触电阻 绝缘电阻和抗电强度 机械性能包括 机械寿命 插拔力 端子插入 力 端子保持力 插入力 拔出力和p i n 保持力 环境参数主要有环境温度 湿度 温度冲击 腐蚀环境等 选择连接器的流程一定要慎重 大体需要经过以 下的过程 首先机构工程师确认连接器的机械特性 耐温耐湿耐腐蚀 硬件工 程师计算连接器过电流的能力 确认多连接器是否可以防呆 防止同样的连接器 选择同一个型号 硬件确认信号和电源从不同的连接器上走 是否会出现某个连 接器悬空模块内部芯片损坏的情况 确定公头引脚排列的顺序 经软件转化后确 第2 章系统总体分析与设计 定母头的排列顺序 转换完成后 仔细核对电路板与线束连接是否正确 根据本课题组的经验 应选用牢靠 接线方便的镀金的插头插座 同一p c b 板上 尽量甩不同引脚数或不同颜色的插座 让外行也能插线 导线长度适宜 必要时使用屏蔽线 软线 2 4 2电源 电源是电路中各个有源器件的能量来源 稳定可靠的电源是设计的关键 电 源纹波系数越小越好 除了考虑功率要求 电压要求 频率要求 还应估算相应电源 线路中的电流 注射泵是对电机精确控制的装置 而转速的变化直接受电压的影响 除了电 机外 其他模块均工作在1 s v 5 v 之间 电机属于大功率器件 电源处理不当 易对其他模块产生干扰 影响其他模块的正常工作 所以我们选用双电源输出的 变压器 一组给电机供电 另外一组给其他模块供电 常用的稳压器有开关型稳压器 线性稳压器 和电荷泵 除了稳压功能外 还能实现d c 到d c 的转换 线性压降大 且发热量较大 电荷泵输出电流有限 负载电流较大的电荷泵成本非常高 因此选用开关型稳压器 2 4 3r s 4 8 5 通讯模块 目前工业控制界比较成熟的外部总线技术包括现场总线 f i e l db u s 和e i a r s 4 2 2 4 8 5 现场总线是连接控制现场的仪表与控制室内的控制设备的数字化串行网络 采用夺占式的通讯方式 基于此有很多不同标准的总线 如c a n p r o f i b u s m o d b u s 等 c a n c o n t r o l l e r a r e an e t w o r k 在多种现场总线的标准里是应用最 为广泛的标准 c a n 是一种有效支持分布式系统或实时控制的串行通信网络 多主结构 可实现多址传送 自身的仲裁机制解决通讯冲突 能检测出错误并给 出信令 有自动重发机制 故障节点会自动脱离c a n 网络避免部分节点故障导 致整个系统瘫痪 e i a r s 4 8 5 是一点对多点的串行通信总线 使用差分传输方式 r s 4 8 5 只对收发器件的电气特性做了规范 e i a r s 4 8 5 开发成本低廉 可在软 第2 章系统总体分析与设计 件上加强容错机制 c a n 总线最初应用于汽车的控制 性能比较高 r s 4 8 5 只 做了物理层规范 应用更加灵活 在目前医疗电子仪器的分布式控制中 r s 4 8 5 的应用也相对更普遍 r s 4 8 5 本身就是一种主从结构的总线技术 本系统拟采用轮询通讯 由监 护基站轮流发送针对各个输液设备的输液指令 轮流查询各个输液设备的工作状 态 因此r s 4 8 5 很符合监护输液基站和输液设备间的通信要求 其次 r s 4 8 5 本身只定义了物理层结构 硬件连接上只需要3 线连接 其开发更为简单 成本 更低 2 4 4 单片机 单片机自2 0 世纪7 0 年代末诞生至今 经历了单片微型计算机s c m 微控 制器m c u 及片上系统s o c 三大阶段 随着对单片机的性能和功能要求越来越 高 以往的单片机无论是运行速度还是系统集成度等多方面都不能满足新的设计 需要 这时s i l i c o nl a b s 公司推出了c 8 0 5 1 f 系列单片机 成为s o c 的典型代表 c 8 0 5 1 f 具有上手快 全兼容8 0 5 1 指令集 研发快 开发工具易用 可缩短研 发周期 和见效快 调试手段灵活 的特点 其性能优势具体体现在以下方面 基于增强的c i p 5 1 内核 其指令集与m c s 一5 1 完全兼容 具有标准8 0 5 1 的 组织架构 可以使用标准的8 0 3 x 8 0 5 x 汇编器和编译器进行软件开发 c i p 5 1 采 用流水线结构 7 0 的的指令执行时间为l 或2 个系统时钟周期 是标准8 0 5 1 指令执行速度的1 2 倍 集成了丰富的模拟资源 绝大部分的c 8 0 5 1 f 系列单片机都集成了单个或两 个a d c 片内a d c 的采样精度最高可达2 4 b i t 采样速率最高可达5 0 0 k s p s 部 分型号还集成了单个或两个独立的高分辨率d a c 集成了丰富的外部设备接口 具有两路u a r t 和最多可达5 个定时器及6 个p c a 模块 此外还根据不同的需要集成了s m b u s s p i u s b c a n l i n 等接口 以及r t c 部件 外设接口在不使用时可以分别禁止以降低系统功耗 c 8 0 5 1 单片机不仅减少了系统成本 更大大降低了功耗 提供空闲模式及停机模式等多种电源管理方式来降低系统功耗 实现了i o 从固定方式到交叉开关配置 固定方式的i o 端口 既占用引脚 第2 章系统总体分析与设计 多 配置又不够灵活 在c 8 0 5 1 f 中 则采用开关网络以硬件方式实现i o 端口 的灵活配置 外设电路单元通过相应的配置寄存器控制的交叉开关配置到所选择 的端口上 复位方式多样化 c 8 0 5 1 f 把8 0 c 5 1 单一的外部复位发展成多源复位 众多 的复位源为保障系统的安全 操作的灵活性以及零功耗系统设计带来极大的好 处 从传统的仿真调试到基于j t a g 接口的在系统调试 c 8 0 51 f 在8 位单片机 中率先配置了标准的j t a g 接口 c 8 0 5 1 f 的j t a g 接口不仅支持f l a s hr o m 的 读 写操作及非侵入式在系统调试 它的j t a g 逻辑还为在系统测试提供边界扫 描功能 c 8 0 5 1 f 系列单片机型号齐全 可根据设计需求选择不同规模和带有特定外 设接口的型号 提供从多达1 0 0 个引脚的高性能单片机到最小3 m m x 3 m m 的封 装 满足不同设计的需要 基于上述特点 此系列单片机完全兼容m c s 5 1 指令集 容易上手 开发周 期短 大大节约了开发成本f 2 1 2 3 1 2 4 5 液晶显示模组 液晶显示器 2 6 j 是微型机系统中反映系统输入 输出的人机界面 液晶显示以 其微功耗 体积小 显示内容丰富 模块化 接口电路简单等诸多优点得到广泛 应用 液晶显示模块是一种将液晶显示器件 连接件 集成电路 p c b 线路板 背光源 结构件装配在一起的组件 英文名称为 l c dm o d u l e 简称l c m 液晶显示器按其功能可分为三类 笔段式液晶显示器 字符点阵式液晶显示 器和图形点阵式液晶显示器 前两种可显示数字 字符和符号等 而图形点阵式 液晶显示器还可以显示汉字和任意图形 达到图文并茂的效果 其应用越来越广 泛 结合显示汉字和图形的需要 选择了图形点阵式液晶显示器 t f t l c d 彩色薄膜晶体管液晶显示器 每个液晶像素点都是由集成在像 素点后面的薄膜晶体管来驱动 是有源像素点 从而可以做到高速度 高亮度 高对比度显示屏幕信息 是目前最好的彩色显示设备之一 由于批量生产 其价 格也往往比工业s t n 屏低廉 第2 章系统总体分析与设计 2 4 6电机 步进电机最早是在1 9 2 0 年代由英国人所开发 1 9 5 0 年代后期晶体管的发明 也逐渐应用在步进电机上 对于数字化的控制变得更为容易 往后经过不断改良 使得今日步进电机已广泛运用在需要高定位精度 高分解能 高响应性 信赖性 等灵活控制性高的机械系统中 步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机 构 当步进驱动器接收到一个脉冲信号 它就驱动步进电机按设定的方向转动一 个固定的角度 称为 步距角 它的旋转是以固定的角度一步一步运行的 可以 通过控制脉冲个数来控制角位移量 从而达到准确定位的目的 同时可以通过控 制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度 从而达到调速的目的 步进电机可 以作为一种控制用的特种电机 利用其没有积累误差 精度为1 0 0 的特点 广 泛应用于各种开环控制 细分技术是步进电机开环控制的新技术 2 7 1 通过d a 转换电路和p w m 控 制各相绕组的电流 使其幅值得大小与方向按照一定的规律变化 将步进电机一 个整步均匀分为数个更细的微步 采用微步距控制的驱动器使步进电机在高级运 动控制中具有跟好的性能 细分功能完全是由驱动器靠精确控制电机的相电流所 产生的 与电机无关 步进电机的细分技术实质上是一种电子阻尼技术 其主要目的是提高电机的 运转精度 实现步进电机步距角的高精度细分 其次 细分技术的附带功能是减 弱或消除步进电机的低频振动 低频振荡是步进电机 尤其是反应式电机 的固 有特性 而细分是消除它的唯一途径 如果步进电机有时要在共振区工作 选择 细分驱动器是唯一的选择 驱动器细分后的主要优点 2 8 为 完全消除了电机的低频振荡 提高了电机的 输出转矩 尤其是对三相反应式电机 其力矩比不细分时提高约3 0 4 0 提高 了电机的分辨率 由于减小了步距角 提高了步距的均匀度 提高电机的分辨率 是不言而喻鲥捌 以上这些优点 尤其是在性能上的优点 并不是一个量的变化 而是质的飞 跃 因此 在性能上的优点是细分的真正优点 由于细分驱动器要精确控制电 机的相电流 所以对驱动器要有相当高的技术要求 因此本注射泵选用了高达 1 2 8 细分的t h b 6 1 2 8 电机驱动芯片 3 m 最缱酌碰件 女现 第3 章系统的硬件技术实现 3 1 电磁兼容性设计 电磁兼容 e l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i y e m c 设计直接影响到p c b 设计 的好坏 设计i j i 期印考虑f 乜磁兼容性可降低成本 缩短产品亿时问 由于电路褒 成化 抗干扰能力不断下降 而周幽的电磁辐射在直线增加 见图3l 因此对电 子产品进行电磁兼容性设计是报有必要的 图3 1 电子产品的扼干扰熊力和电磁辐射 电磁兼容性主要依赖于实际设计经验 贯穿到系统设计 原理图设计 p c b 图设计 元器件布局及线材选取的各个环节 本注射泵采取了一些增强抗干扰的 措施 主要体现在以下几个方而 电源为注射泵各模块提供电能 若电源不稳定 则对各模块都会产生影响 因此 采用变压器能从电源处实现隔离 采用多组输出的变压器获得多组电源 然后对各维电涌进行整流滤波整形处理 为了降低各模块阿的串扰 在最后一级 电源输出时 各维电源分别经稳压后输出 各模块电源输入端应接上相应的上拉 电阻和去耦电容 关键地方需使用抗干扰元器件 例如磁珠 磁环 电源滤波器 和屏蔽罩等 这样同时也可以降低整个系统的工作温度 延长工作寿命 接地设计的目标就是最小化接地阻抗 从而减少从电路返回到电源之问的接 地回路的 扛动势 模拟地和数字地要尽量分开 蛙后通过电感和磁珠连在一起 应尽量加大模拟电路的接地面积 地线尽可能的加宽 使它能通过3 倍于p c b 第3 章系统的硬件技术实现 上允许的电流 一般来说 接地线应在2 3 m m 以上 敏感电路 如模拟电路 应接到一个稳定的接地参考源上刚 为了降低各模块之间的干扰 常用的有空间分离 时间分隔 频率隔离 电 气隔离 电气隔离的方法有机械耦合 如继电器 电磁耦合 如变压器 光耦合 如半导体光耦合器 d c d c 变换 如带隔离的d c d c 模块电源 本论文中的电 机驱动部分 就采用了光耦隔离 本论文中的电路包括模拟电路和数字电路 在p c b 布局时 应分区为独立 的模拟部分和数字部分 数字信号只能在电路板的数字部分布线 模拟信号只能 在电路的模拟部分布线 模拟和数字部分的电源应分割 模拟部分下面铺设统一 地 模拟地和数字地之间用磁珠 电感或零电阻相连 信号线不能跨越分割间隙 p c b 布局时 电源线 地线走向与数据传输的方向一致p 时钟发生器 晶振和c p u 的时钟输入端应尽量靠近 应远离其他低频元器 件 晶振外壳应接地 下面不能布线 晶振与p c b 板间应有一定距离 3 2 1 在实 际焊接时 我们在晶振下垫了一个等面积的垫片 3 2 硬件的可测试性原则 一个设计良好的电路 应考虑到后期调试过程 在调试过程中 测试点是必 不可少的 根据电路所实现的功能和技术复杂性 对那些重要或复杂的电路设置测试点 3 3 1 对于数字电路来说 一般要求对每5 个集成电路芯片提供一个地线测试点 值得注意的是 贴片元器件的焊盘不能作为测试点 测试点一般选择方形或圆形 焊盘 焊盘尺寸不小于l m m x l m m 测试点与元器件的间距应大于2 5 4 m m 尽 量分布均匀 密度不能大于4 5 个 c 时 第3 章系统的硬件技术实现 3 3 电源模块 在前面已提到 本注射泵选用带两组输出电压的变压器 变压器的输出经整 流滤波后 其中 组经l m 2 6 7 6 a d j 稳压后为电机供电 第二组经l m 2 5 7 6 系 列稳压芯片稳压后为其他模块供电 本注射泵中采用的稳压芯片可达3 a 的输出 电流 宽的输入电压范围 负载电压的输出容差最大为4 4 最少只需要4 个外围元件 内部振荡器产生5 2 k h z 的固定频率 可用订l 电平关闭输出 低功耗待机模式 典型待机电流为5 0 衅 b u c k 式降压器 较高的转换效率 过热和过流保护 由于器件较高的转换效率 几乎不用考虑散热问题 下面以l m 2 5 7 6 为例 简要介绍本电源模块中的稳压芯片 管脚说明如表 3 1 引脚名称功能 lv i n 输入电压端 2o u t p u t 稳压输出端 3 6g n d电路地 4 f e e d b a c k反馈端 5o n o f f 控制端 高电平有效 表3 1l m 2 5 7 6 引脚说明 为减小输入瞬态电压和给调节器提供开关电流 1 脚应接旁路电容 要选铝 或钽电容作为旁路电容 防止在输入端出现大的瞬态电压 当输入电压波动较大 输出电流有较高 容量一定要选用大些 4 7 0 1 t f l o o o o t 心都是可行的选择 基于 安全考虑 电容的额定耐压值要为最大输入电压的1 5 倍 续流二极管 首选肖特基二极管 因为此类二极管开关速度快 正向压降 低 反向恢复时间短 为了输出滤波以及提高环路的稳定性 输出端推荐使用l 心 4 7 0 心之间的 钽电容 若电容值太大 反而会在某些情况 负载开路 输入端断开 对器件造 成损害 如果电容的e s r 太小 就有可能使反馈环路不稳定 导致输出端振荡 反馈线要远离电感 电路中输a 输出电容 续流二极管 接地端 控制端 的连线要尽可能短而粗 最好用地线屏蔽 原理图见图3 2 第3 章系统的硬件技术实现 3 4 人机交互模块 d g n d 图3 2 电源模块原理图 本论文中的注射泵所用的人机交互模块包括 液晶显示模组 按键 声光报 警模块 3 4 1 液晶显示模组 在前面提到 本注射泵选用了信利 t r u l d 公司的t f t l p 5 1 7 7 液晶显示模 组 此款显示屏模组尺寸为7 2 7 2 m m x 4 4 m m x 2 2 5 m m 正常显示范围为4 0 0 x 2 4 0 第3 章系统的硬件技术实现 点阵 自带驱动控制器r 6 1 5 0 9 显示屏上各像素点的显示状态与显示存储器的 各位数据一一对应 显示存储器的数据直接驱动图像显示 该屏可显示多达2 6 2 k 种颜色 考虑到仪器使用环境一医院的特殊性 本注射泵拟选用8 种颜色 c 8 0 5 1 f 0 2 0 对液晶采用间接访问的控制方式 用单片机的i o 口模拟液晶的控制 信号 完成对液晶的控制 引脚名称 引脚用途 c s片选信号 a 0 r s l 指令信号 0 数据信号 w r 写信号使能 r d 读信号使能 i 乇e s e t 复位信号 d b l 0 d b l 7 双向数据线 表3 2 液晶屏引脚 液晶与单片机的具体接口电路如图3 3 所示 图3 3 液晶与单片机接口电路 3 4 2 按键模块 在保证完成基本功能的前提下 按键越简洁越好 但简洁同时 也需考虑方 便医护人员操作 对比国内外各注射泵产品 并在此基础上进行优化 最终选定 九个按键 借鉴手机导航键的键盘设计 与w i n d o w s 多定义按键的设计 本注 射泵采取多定义按键与导航键相结合的模式 这九个按键分别是 二个导航键 仿照手机按键模式 导航键的功能与导航 第3 章系统的硬件技术实现 键在屏幕上对应的文字有关 在不同情况下 可以有不同定义 比如 若按键对 应的屏幕上显示 确定 则改键相当于电脑的 e n t e r 键 将按键操作送至单片机 进行处理 开始 按键 用于启动注射泵的输液过程 停止 按键 用于结束 输液 b o l u s 按键 用于快速推注 静音 按键 用于将默认的标准音量调至静 音 四个 上 下 左 右 键 左 右 用于数字位数的选择 通常有百位 十位 个位 十分位 上 下 用于数字o 9 的设定 在非数字设定状态下 可实现预充 b o l u s 静音 暂停功能 按键和显示屏布局如图3 4 如下 图3 4 显示屏与按键布局图 按键部分的原理图如图3 5 下 其中 ck e y i q k e y l1 均输入单片机i o 口 d m 7 4 l s l 3 3 m 的输出输入至单片机的外部中断口 v 图3 5 按键原理图 第3 章系统的硬件技术实现 3 4 3 报警模块 报警模块主要对异常信息发出警报 异常信息包括 开机后遗忘操作 2 分 钟无操作 报警 通讯故障报警 注射器脱落报警 报警 管道漏液导致的低压 报警 注射器推空报警 预设量注射完毕报警 报警模块由蜂呜器和红色l e d 灯组成 当中央处理模块判断到异常状态时 控制l e d 灯闪烁 蜂鸣器发出声音