CN102819686A

CN102819686A - 智能药房控制装置

Info

Publication number: CN102819686A
Application number: CN2012102993772A
Authority: CN
Inventors: 吴益飞; 何新
Original assignee: SUZHOU RUDE TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: SUZHOU RUDE TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2012-08-22
Filing date: 2012-08-22
Publication date: 2012-12-12

Abstract

本发明公开了一种智能药房控制装置，包括一片TMS320F28335系列DSP、一片EPM7128STC系列CPLD和一片印制电路板，DSP与CPLD通过印制电路板相连，所述TMS320F28335系列DSP有三个串口，通过MAX485芯片配置为三路RS-485，RS-485B与药房信息管理系统相连；RS-485C与人机接口系统相连；RS-485A作为调试接口，保留给开发人员使用，所述TMS320F28335系列DSP配置成三路PWM信号，分别用于驱动三路作为智能药房的执行机构的步进电机，所述EPM7128STC系列CPLD配置三路SSI接口，用于绝对值编码器位置信息、定位检测装置的信号的采集，并通过印制电路板将采集的相关数据反馈给DSP。所述CPLD负责数据采集，DSP负责逻辑调度，二者密切协同，并与其他子系统紧密衔接，从而解决智能药房的控制问题。

Description

智能药房控制装置

技术领域

本发明属于对药物进行分发和补充的药房控制装置，该药房控制装置既适用于大中型药房高密度处方处理又适合社区医院等小型药房的药品分发。

背景技术

目前，一个运动控制系统或电机控制系统的实现方法主要有以下几种:

1、以模拟电路硬接线方式建立的运动控制系统。早期的运动控制系统一般是采用运算放大器等分立元件以硬接线方式组成的模拟控制系统，其优点在于：通过对输入信号的实时处理，可实现系统的高速控制；由于硬接线方式可以实现无限的采样频率，因此控制器的精度较高而且具有较大的宽度。

然而，与数字系统相比，其缺点也是很明显的:器件老化和环境温度变化对构成系统的元器件的参数影响很大；构成模拟系统所需的元器件较多，增加了系统的复杂胜，也使系统的可靠性降低；由于系统采用硬接线，其升级和功能修改几乎是不可能的；受系统规模的限制，很难实现运算量大、精度高、性能更先进的复杂控制算法。这些缺陷使它很难应用于一些功能要求比较高的场合。

2、以微控制器为核心的运动控制系统。利用微控制器所构成的系统与模拟电路相比具有以下优点：绝大多数控制逻辑由软件实现，电路变得简单；微控制器具有更强的逻辑功能，运算速度快、精度高、具有大容量的存储器，因此有能力实现较为复杂的算法；微控制器的控制方式主要由软件实现，因此修改控制规律时，仅需对软件进行修改；无零点漂移，控制精度高；可提供人机界面，实现多机联网工作。

然而，由于微控制器一般采用Von-Neumann总线结构，处理速度和能力有限，软件编程难度较大，且一般芯片集成度较低，不具备运动控制系统的专用外设。因此，基于微控制器构成的系统仍需较多的元器件，这增加了系统电路的复杂性，降低了可靠性，也难以满足运算量较大的实时信号处理的需要，难以实现控制算法。

3、在通用计算机上用软件实现运动控制策略。在通用计算机上，利用高级语言编制相关的控制软件，配合驱动电路板、信号交换接口，就可以构成一个运动控制系统。这种实现方法利用计算机的高速度、强大的运算能力和方便的编程环境，可以实现高性能、高精度、复杂的控制算法，而且软件的修改也很方便。但是，通用计算机缺点在于系统体积大，难以应用于工业现场，而且难以实现实时性要求较高的信号处理算法。一般来说，这种系统实现方法可用于控制软件的仿真研究或用作上位机，与下位机的实时系统一起构成两级或多级运动控制系统。

4、利用专用芯片实现的运动控制。为简化电机模拟控制系统电路，同时保持系统的快速响应能力，一些公司推出了专用电机控制芯片，如刀公司的ucc3626、ucc2626等。利用专用电机控制芯片构成的运动控制系统保持了模拟系统和以微控制器为核心的运动控制系统两种实现方式的长处，具有速度快、系统集成度高、使用元器件少、可靠性好等优点同时，专用电机控制芯片的价格便宜，进一步降低了系统成本，因此这种实现方式广泛应用于精度较低和成本敏感的场合。

然而，受专用电机控制芯片本身的限制，其缺点主要包括:软件算法固化在芯片内部，虽然可以保证较高的响应速度，但降低了系统灵活性，扩展性较差；受芯片制造工艺限制，其算法较为简单，控制精度也较低;用户不能对芯片编程，不便对系统升级。

5、以可编程逻辑器件为核心的运动控制系统。由于FPGA/CPLD等可编程器件的发展，人们可以利用它们的系统开发软件或VHDL等开发语言，通过软件编程实现运动控算法，然后将这些算法下载到相应的可编程逻辑器件中，从而以硬件方式实现最终的运动控制系统。这种系统优点主要有:系统的主要功能在单片FPGA/CPLD中实现，减少了元器件个数，缩小了系统体积;具有良好的扩展性和可维护性，通过修改软件并重新下载到目标板上的相关器件中，就可以对系统的升级:系统以硬件实现，响应速度快，可实现并行处理;开发工具齐全，通用性强。然而，这种系统实现方法的成本较高。控制算法越复杂，对可编程逻辑器件的集成度要求越高，芯片价格越昂贵。因此，考虑到系统成本，一般使用可编程逻辑器件实现较为简单的运动控制系统。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种智能药房控制装置,该智能药房控制装置准确高效的对药物进行分发和补充，解决传统药房需要大量人工参与低效无序的问题。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种新的智能药房控制装置，包括一片TMS320F28335系列DSP、一片EPM7128STC系列CPLD和一片印制电路板，DSP与CPLD通过印制电路板相连，所述TMS320F28335系列DSP有三个串口，通过MAX485芯片配置为三路RS-485。RS-485B与药房信息管理系统相连，并可与其他药房模块组网，构成更大规模的药房系统；RS-485C与人机接口系统相连，最多可搭载32组人机设备；RS-485A作为调试接口，保留给开发人员使用。所述TMS320F28335系列DSP可配置成三路PWM信号，分别用于驱动三路步进电机，步进电机作为智能药房的执行机构，负责保证药房准确出药。此外，DSP通过I²C扩展一片E²PROM，用于存储相关状态信息，为掉电重启提供保障。所述EPM7128STC系列CPLD配置三路SSI接口，用于绝对值编码器位置信息的采集，此外CPLD同样采集其他定位检测装置的信号，并通过印制电路板将采集的相关数据反馈给DSP。所述CPLD负责数据采集，DSP负责逻辑调度，二者密切协同，并与其他子系统紧密衔接。

所述智能药房控制装置的硬件电路采用光耦隔离保护。

其中所述TMS320F28335系列DSP包括控制系统同其他系统进行高速稳定的数据交互提供支持的通信模块；处理串口中断，保证数据完整正确接收的串口中断处理模块；用于一次性发送多个字节的串口发送模块；数据存入和读取的数据存取模块，所述所述数据存取模块包括数据存入模块和数据读取模块，数据存入模块用于将系统状态信息写入非易失存储器中，采用按页写入方式；数据读取模块用于在系统上电时读取断电前系统状态信息；用于驱动步进电机，完成电机变频调速的要求的电机驱动模块；用于检测传感器信息，以便电机准确定位和提供安全保障的信号采集模块；用于协调DSP与CPLD、控制系统与其他子系统间数据交互和逻辑控制的逻辑调度模块；用于对来自其他子系统的数据帧按协议进行拆包整理的数据解析模块和用于将状态信息或控制信息按协议进行打包处理的数据打包模块。

本发明与现有技术相比，其显著优点：（1）由DSP完成运动控制，CPLD负责数据采集，缓解了上位机的编程压力；（2）模块化管理，每套系统可以独立使用，也可以通过接入总线组合成更大的模块，灵活方便；（3）将信息管理系统和人机接口系统的通信独立开，分别用一路串口进行控制，并有各自独立的数据区和中断处理函数；（4）绝对值编码器的应用保证了定位的准确性，同时也使电机的启动和停止曲线更合理，满足运动控制快稳准的要求。

另外，该发明还具有以下优点：5）状态恢复，定时将控制系统的关键参数和状态信息存入非易失存储器，并在系统初始化后检测上一处方是否处理完毕；（6）发药和补药同时进行，在药房多模块处理时，每块主控板独立处理发药或者补药请求，在保证整体性的同时，凸显了控制系统的独立性，从而大大提高药品发放的效率。（7）硬件电路统一采用隔离保护，根据性能不同为各信号采集接口和电源等加上各型光耦和隔离元件，并对数据交互频繁的串口增加保护，并提升驱动能力。

附图说明

图1是本发明的系统总体结构图。

图2是本发明实施中的控制系统工作过程示意图。

图3是本发明实施中的硬件整体结构图。

图4是本发明实施中的控制系统软件总体设计示意图。

图5是本发明实施中的控制系统总流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

本发明在于提供一种新的智能药房控制装置，包括一片TMS320F28335系列DSP、一片EPM7128STC系列CPLD和一片印制电路板，DSP与CPLD通过印制电路板相连，所述TMS320F28335系列DSP有三个串口，通过MAX485芯片配置为三路RS-485。RS-485B与药房信息管理系统相连，并可与其他药房模块组网，构成更大规模的药房系统；RS-485C与人机接口系统相连，最多可搭载32组人机设备；RS-485A作为调试接口，保留给开发人员使用。所述TMS320F28335系列DSP可配置成三路PWM信号，分别用于驱动三路步进电机，步进电机作为智能药房的执行机构，负责保证药房准确出药。此外，DSP通过I²C扩展一片E²PROM，用于存储相关状态信息，为掉电重启提供保障。所述EPM7128STC系列CPLD配置三路SSI接口，用于绝对值编码器位置信息的采集，此外CPLD同样采集其他定位检测装置的信号，并通过印制电路板将采集的相关数据反馈给DSP。所述CPLD负责数据采集，DSP负责逻辑调度，二者密切协同，并与其他子系统紧密衔接。

1硬件设计

1.1系统总体结构

在本发明中，系统硬件整体结构主要包括作为系统核心的逻辑控制模块、通信模块、电源模块、电机驱动模块和传感器信号输入模块。逻辑控制模块主要指DSP+CPLD；通信模块包括三路RS485接口，两路CAN接口，后者作为备用通讯系统；电源模块主要由12V转5V、5V转3.3V和1.8V电路组成；电机驱动模块主要用于为三路步进电机提供驱动信号；传感器信号输入模块主要负责接收定位元件信号以及安全装置信号，具体如图1所示。

在本发明中，需要对药房规模自由裁剪，所以在数据通信时总线是最理想的选择。系统的通信模块以RS-485作为核心通信手段，并设计了CAN模块作为备用的通信手段，以提高系统可靠性。为了人性化而采用的人机接口系统作为控制系统的下位机，由控制系统对其进行控制，同样通过RS-485总线进行通信交互。将上述总线区分开，从而降低整个药房系统的复杂度并减轻总线负担；同时为便于开发和维护，保留另一路串口供调试用。此外，由于设备众多，对串口使用光耦隔离并加强驱动。

驱动步进电机时需要脉冲、方向以及使能信号，前者通过DSP的PWM模块调频获得，其他由通用输入输出实现。上述信号同样采用了光耦进行隔离保护。

运动控制中的传感器信号，包括用于初始位置确定的接近开关和用于定位的绝对值编码器信号，由CPLD进行采集，并通过与DSP间的总线完成控制信息和数据信息的交互。

通过I²C将E²PROM和DSP相连，采用AT24C256芯片，配合使用I²C总线对数据进行存取。

1.2系统工作过程

控制系统由每个机组的主控板通过RS485总线或CAN总线组网而成，负责接收来自信息管理系统的调度指令，解析其中的动作指令，驱动执行机构完成相关的定位控制，接着抽取调度指令中的人机接口指令下发给人机接口系统。人机接口系统收到控制系统的指令后完成相关的人机操作。执行机构由电机等电气设备和循环机等机械设备组成，接收控制系统的命令完成相应动作。检测装置主要用于检测循环机位置，从而构成闭环控制系统。具体结构如图2所示，其中虚线框部分为本发明的控制系统工作过程。

●DSP发送数据流程

（1）DSP根据需要发送的数据，计算控制段信息并填充，得到原始数据帧。

（2）根据得到的原始数据帧，对其进行校验，并将其填充到帧中对应位置。

（3）调用底层串口发送函数，根据数据帧首地址和数据帧长度信息将数据帧发送到总线上。

●DSP接收数据流程

（1）DSP接收到数据后，首先读取帧头，再对收到的控制段信息进行核对，匹配主控板地址与设备ID是否一致，若有误则等待接收下一帧数据。

（2）在确认设备ID正确的情况下，对控制段进行检查，正确后对数据帧进行校验，并与原始数据帧中的校验位匹配。

（3）不管匹配正确与否都要对数据发送方进行相应反馈。DSP采用中断方式来接收数据，并将串口中断设置为最高优先级。

1.3主控板的电路连接

主控板各子电路众多，功能划分清晰。TMS320F28335系列DSP与EPM7128STC系列CPLD之间连接需要16根数据总线、5根地址总线和其他相关控制线，电路连接非常简单。如图3为TMS320F28335系列DSP与EPM7128STC系列CPLD简化的电路。

2系统软件设计

控制系统在整个药房系统中处于枢纽地位，其需要实现的功能如下：

数据收发功能：

能够接收上位机的数据帧，并进行对应的指令反馈；能够发送相关显示指令给人机系统，并接收来自人机系统的指令反馈；能够对上位机指令进行地址辨识，区别接收。

运动控制功能：

能够驱动电机正确正反转，提供电机锁定功能；循环机最大负载情况下能够快速平稳启动；快速停机，准确定位。

信号采集功能：

能够准确采集传感器信号，包括用于确定初始位置的接近开关信号，提供安全保障的光幕信号，以及用于采集循环机位置的绝对值编码器信号；能够对采集到的传感器信号进行处理，剔除干扰信号。

断电重启功能：

具备数据存储功能，能够分阶段存储状态信息，并在系统断电重启后，能够自行读取状态信息恢复处方处理。

安全保障功能：

提供安全保障，电机运行期间安全光幕触发，即刻停机；在电机到位后，循环机电机有效锁定，无位移发生。

在软件开发的过程中，本发明采用了模块化程序设计的思想，即对系统进行功能划分，每个子程序完成单一的功能，通过在主程序中调用相应的子程序来完成整个系统功能。控制系统软件部分由DSP和CPLD两部分构成，DSP主要负责逻辑控制，CPLD负责采集传感器的信息，两者密切协同，共同完成控制任务。软件总体设计如图4所示。

DSP软件部分需要完成的主要功能包括系统的初始化、通讯组网、消息解析和打包、电机控制和定位、运动曲线规划、状态恢复、传感器数据处理和其他逻辑调度。CPLD软件部分主要功能包括SSI接口的实现、定位信息的获取、其他传感器数据的采集以及其他相关电路。

系统上电后进行初始化，配置相关寄存器，等待上位机的握手信号；收到握手信号，完成握手后，对循环机进行自检，确定初始位置；读取存储器的状态信息，判断上次是否正常断电，若掉电前有处方未处理完，DSP读取E2PROM中存储的状态信息，对系统进行恢复，然后继续执行断电前的处方；若上次正常断电，则等待上位机的新的指令，得到指令后对指令解析，执行动作指令并完成相关人机交互任务；然后重新等待下一个处方信息。控制系统总流程图见图5。

2.1串口处理子程序

为提高串口数据交互效率，在程序中三个串口发送全部采用查询方式，接收则采用中断方式。发送数据时先将串口模式设置为发送状态，然后对发送FIFO里数据个数（TXFFST）进行查询，当为零时将一个字节数据装入缓存寄存器(SCITXBUF)进行发送。一帧数据发完后重新将串口模式设置为接收状态。接收数据时采用中断方式，当接收缓冲寄存器（SCIRXBUF）接收到数据后，标志位RXRDY变高表示接收到一个新字节，就会产生一个中断申请。

在通讯中出现错误时，包括帧超长、非本机组指令及帧格式错误，将清空数据接收数组，重新等待下帧数据重发，并将串口复位，清除溢出标志，清除串口接收中断标志，开中断。

2.2运动控制子程序

DSP主控板在收到上位机发来的动作指令（包括发药指令、补药指令或自检指令）后，将先对指令进行解析，根据指令类型的不同上位机与主控板间的通信协议，对相关字段作不同的处理，提取出其中动作部分的字段生成统一的动作字段。根据动作字段得到需要动作的次数。再根据得到的动作字段中的目标位置，与当前位置进行对比，生成相关的动作参数，包括是否动作，运动方向，运动距离，减速点位置。

在参数设置完毕后，解除要动作的电机的锁定，使能PWM输出，启动定时器，为保证控制精度，本系统中将控制周期设定为1ms。为保证电机运动期间的安全，本系统需要在每个周期检测安全光幕是否触发，一旦触发，将立即停止对应电机的动作，锁定电机，关闭相应PWM模块，并通过修改报警标志位向上位机报警。在下次控制周期中会继续查询安全光幕的状态，待其恢复正常，则重新对当前位置进行检测，重新生成相关动作参数，待下一周期重新启动。

接下来遍历三路控制通道，分别采集当前通道的编码器位置信息，然后转换成当前出药口仓位信息，然后与目标位置进行比较，得到距离差，判断是否进入减速带，若是则减速，修改相应的PWM时基周期寄存器TBPDR和相应的比较值计数器的值，降低PWM的频率，从而使电机减速。若当前位置与目标位置相差1个位置量（编码器每圈有1024个位置量），约0.35度，则认为到达目标位置，接着锁定电机，禁止对应的PWM输出，修改相应的标志位，标志该路控制通道动作完成。

2.3数据采集子程序

本系统的位置检测元件是多圈绝对值编码器，圈数为4096/12bits，单圈解析度为1024/10bits。位置信息由CPLD采集得到，然后送到DSP处理。主控程序获取位置信息时，首先设置端口地址，每个端口对应一路编码器。地址设置完毕后，启动采样，一次采样采集25位数据，其中包含了包括12位圈数信息和10位单圈编码。采样完毕后CPLD通过设置完成标志位通知DSP，DSP通过改变传送模式首先接收单圈编码值再接收圈数值。接收完毕后，使能禁止，数据区用0填充。

2.4SSI接口子程序

SSI是一个全双工的同步串行接口，允许芯片与多种设备间通信。采用主机式读出方式，在本系统中由CPLD构成主机，即在CPLD发出的时钟脉冲控制下，从最高有效位（MSB）开始同步传输，直到n位数据的最低有效位（LSB）。SSI接口以帧的形式串行传送数据，SSI标准的数据字长是：对单圈绝对式编码器为13位，对多圈绝对式编码器为25位。为了灵活取用数据，本系统将圈数和单圈编码值分开传送，具体传送的数据类型由DSP给出。

同时，由于每块主控板有三路编码器，所以需要进行地址选择。此外，由于SSI以串行方式进行通讯，而最终用于控制的数据是并行数据，所以CPLD中还需要有串并转换的功能模块。

Claims

1.一种智能药房控制装置，其特征在于：包括一片TMS320F28335系列DSP、一片EPM7128STC系列CPLD和一片印制电路板，DSP与CPLD通过印制电路板相连，所述TMS320F28335系列DSP有三个串口，通过MAX485芯片配置为三路RS-485，RS-485B与药房信息管理系统相连；RS-485C与人机接口系统相连；RS-485A作为调试接口，保留给开发人员使用，所述TMS320F28335系列DSP配置成三路PWM信号，分别用于驱动三路作为智能药房的执行机构的步进电机，负责保证药房准确出药，所述EPM7128STC系列CPLD配置三路SSI接口，用于绝对值编码器位置信息、定位检测装置的信号的采集，并通过印制电路板将采集的相关数据反馈给DSP。

2.根据权利要求1所述的药房控制装置，其特征在于：所述DSP通过I²C扩展一片E²PROM，用于存储相关状态信息。

3.根据权利要求2所述的药房控制装置，其特征在于：所述智能药房控制装置的硬件电路采用光耦隔离保护。

4.根据权利要求3所述的药房控制装置，其特征在于：所述TMS320F28335系列DSP包括控制系统同其他系统进行高速稳定的数据交互提供支持的通信模块；处理串口中断，保证数据完整正确接收的串口中断处理模块；用于一次性发送多个字节的串口发送模块；数据存入和读取的数据存取模块，所述所述数据存取模块包括数据存入模块，和数据读取模块，数据存入模块用于将系统状态信息写入非易失存储器中，采用按页写入方式；数据读取模块用于在系统上电时读取断电前系统状态信息；用于驱动步进电机，完成电机变频调速的要求的电机驱动模块；用于检测传感器信息，以便电机准确定位和提供安全保障的信号采集模块；用于协调DSP与CPLD、控制系统与其他子系统间数据交互和逻辑控制的逻辑调度模块；用于对来自其他子系统的数据帧按协议进行拆包整理的数据解析模块和用于将状态信息或控制信息按协议进行打包处理的数据打包模块。