摘  要： 針對目前國內(nèi)外對電動護理床的需求，提出了一種基于CAN總線的多功能電動護理床。簡要介紹了護理床的結(jié)構(gòu)、功能以及CAN總線通信模式。闡述了應(yīng)用單片機仿真PLC控制的硬件電路設(shè)計和軟件邏輯流程，設(shè)計方案不僅滿足了受護理人對護理床多功能和多體位的要求，同時提高了系統(tǒng)的可靠性和時實性。
關(guān)鍵詞： AT90CAN128； 仿真PLC控制； 護理床； CAN總線

　多功能護理床作為醫(yī)療器械，已被廣泛地應(yīng)用于醫(yī)院、療養(yǎng)院、養(yǎng)老院等眾多領(lǐng)域。不僅提高了病人的自理能力，同時也減輕了護理人員的工作強度[1]。因此，針對醫(yī)療護理床的應(yīng)用需求，提出了一種基于CAN總線的多功能電動護理床。該護理床基于模塊化的思想，分為驅(qū)動控制模塊、生理參數(shù)采集模塊、顯示模塊等，各模塊之間通過CAN總線進行通信。本文主要針對驅(qū)動控制模塊進行研究。
　本設(shè)計用AT90CAN128來仿真PLC控制，能結(jié)合單片機控制和PLC控制的優(yōu)點。單片機控制作為嵌入式系統(tǒng)的核心技術(shù)，具有高可靠性和高性價比，且成本低廉；PLC控制中的邏輯梯形圖編程與繼電接觸控制電路原理圖相似，抗干擾性強且簡單易學(xué)[2]。
　驅(qū)動模塊以一片AT90CAN128單片機作為核心控制單元，繼電器及其外圍電路組成驅(qū)動器，分別驅(qū)動5個電機，帶動護理床床體的可調(diào)部位運動，分別完成背部升降、腿部屈伸、左右側(cè)翻等動作。
軟件設(shè)計采用了PLC的循環(huán)掃描的編程思想，提高了程序執(zhí)行的可靠性。通過護理床這些多體位的變換，可以減少各種由于長期臥床所帶來的并發(fā)癥，如褥瘡等，有利于受護理人的肌體健康。
1 CAN網(wǎng)絡(luò)通信
　本系統(tǒng)中CAN總線作為通信網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　把CAN總線應(yīng)用在護理床控制系統(tǒng)中，組成多主站的分布式控制系統(tǒng)，取代了傳統(tǒng)電動床采用的集中式控制結(jié)構(gòu)及主從式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，克服了傳統(tǒng)護理床可擴展性、可維護性以及抗單點故障能力較差的缺點[3]。護理床系統(tǒng)采用這種總線型網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，便于實時監(jiān)測，及時處理事件。例如當生理參數(shù)檢測模塊檢測到病人的生理信息后能夠把數(shù)據(jù)進行采樣，并通過自己的CAN接口實時地將本節(jié)點的數(shù)據(jù)發(fā)送到CAN總線。其他模塊如顯示模塊，及時通過匹配地址從總線上接收信息并顯示結(jié)果。
　由于在AT90CAN128內(nèi)部已經(jīng)集成了CAN總線協(xié)議控制器，且完全兼容CAN2.OA和2.0B標準協(xié)議，所以在設(shè)計硬件電路時就沒有必要外擴，只需添加CAN總線收發(fā)器就能完成通信[4]。CAN通信接口電路中選用ATA6660控制CAN總線通信過程的數(shù)據(jù)傳輸。經(jīng)過實驗測試，無論是穩(wěn)定性還是傳輸?shù)恼_性方面都達到了很好的效果。
2 護理床驅(qū)動模塊硬件結(jié)構(gòu)
　護理床驅(qū)動模塊的控制芯片采用ATMEAL公司的AT90CAN128，AT90CAN128是一個高性能、低功耗的8位單片機，具有128 KB在系統(tǒng)可重復(fù)編程Flash，64個引腳，52個I/O口，用一個單片機完全可以同時控制5路驅(qū)動機構(gòu)工作。驅(qū)動模塊整體框圖如圖2所示。

　驅(qū)動模塊在運行時，一方面接收CAN總線的報文信息，經(jīng)過分析處理，驅(qū)動床體運動；另一方面還加入了按鍵輸入模塊，更方便直接地實現(xiàn)不同位姿。運動機構(gòu)所采用的是直流線性驅(qū)動器。該線性執(zhí)行器將普通直流電機的轉(zhuǎn)動通過適當?shù)臋C械結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化成直線推桿的伸縮運動，從而驅(qū)動起居床的各個關(guān)節(jié)運動，幫助病人實現(xiàn)自己無法完成的動作。當電動床運動到達極限位置時，電動床的限位傳感器可以給控制提供一個卡位信號[5]。
2.1 按鍵輸入電路
　驅(qū)動模塊的輸入電路采用結(jié)構(gòu)簡單、電路配置靈活的獨立按鍵構(gòu)成。由單片機的PB0~PB7和PF1~PF2十個I/O口作為輸入口，10個按鍵的狀態(tài)分別對應(yīng)護理床的十種功能。包括：（1）背部上升/下降；（2）腿部彎曲/伸展；（3）左/右翻身；（4）床體上升/下降；（5）便孔開/合。按鍵未按下時，輸入的是高電平；當按下按鍵時電壓就通過開關(guān)加到I/O口，輸入的是低電平。
2.2 繼電器輸出電路
　以上各位姿之間的轉(zhuǎn)換和完成均采用機械式繼電器驅(qū)動電機的正反轉(zhuǎn)來實現(xiàn)，它可靠性高，控制功率大。如圖3所示，單片機的I/O口通過控制光耦（TIL113）的通斷來控制繼電器。同時，將電機邏輯控制信號經(jīng)過光耦隔離器，可以將高低電平信號（5 V和24 V）隔離，增強了系統(tǒng)的抗干擾性。

　由于電路本身的特點，即電機的兩個端子接到兩個繼電器的公共端，而繼電器的常閉觸點接地，常開觸點接電源，避免了由繼電器觸點的抖動而造成的短路。此外，加入了正反控制信號的互鎖保護電路，最后信號經(jīng)繼電器模塊驅(qū)動電機帶動負載。
　繼電器線圈并聯(lián)反向二極管，用來提供繼電器線圈的放電回路，從而起到保護線圈的目的。在電機的兩端并接阻容吸收電路，用以緩沖電機起停或反向時的電流。
3 護理床驅(qū)動模塊軟件設(shè)計
　軟件設(shè)計采用了仿真PLC的循環(huán)掃描工作方式。PLC工作時，將采集到的輸入信號狀態(tài)存放在輸入映象區(qū)對應(yīng)的位上，PLC在執(zhí)行用戶程序時所需輸入/輸出的數(shù)據(jù)取用于輸入/輸出映像區(qū)，而不與外部設(shè)備發(fā)生關(guān)系[6]。為了配合這種工作方式，采用單片機系統(tǒng)中的I/O數(shù)據(jù)寄存器對應(yīng)PLC中的輸入/輸出映象寄存器，存放現(xiàn)場數(shù)據(jù)和運算處理結(jié)果。
3.1 軟件整體設(shè)計
　在輸入采樣階段（即按鍵掃描），單片機以掃描方式按順序?qū)/O接口的開關(guān)量輸入信號（按鍵信號）讀入對應(yīng)的輸入映象寄存器（單片機各輸入I/O對應(yīng)的數(shù)據(jù)寄存器）中寄存起來（輸入刷新）；邏輯控制程序處理階段，單片機按順序進行邏輯程序的運算與處理，并根據(jù)結(jié)果刷新輸出映象寄存器（單片機各輸出I/O數(shù)據(jù)寄存器）的內(nèi)容；在輸出控制階段，將輸出映象寄存器中的狀態(tài)以控制信號的形式送到輸出接口電路，從而控制外部負載。軟件整體流程如圖4所示。

　采用這種工作方式，在一個程序循環(huán)周期內(nèi)，即使實際輸入信號狀態(tài)發(fā)生變化，也不會影響到單片機程序的正確執(zhí)行，從而提高了程序執(zhí)行的可靠性。
3.2 位置控制
　位置控制程序即對應(yīng)了PLC中的邏輯梯形圖。位置控制程序一方面接收控制鍵盤指令，另一方面要保證電機能準確地完成相應(yīng)的動作，即使在程序復(fù)位等非正常狀態(tài)下也能保證電機本身、護理床和病人的安全。設(shè)置可靠的限位、動作互鎖等都可以起到保護作用[7]。本護理床動作操作也有相應(yīng)的互鎖限制，例如，側(cè)翻未到水平位置，即處于側(cè)翻中間狀態(tài)時，需要一個標志位標明床面狀態(tài)。此時，床體若要進行其他動作，通過判斷此標志位來決定是否可以動作。本系統(tǒng)動作互鎖可簡單歸結(jié)為主要以下幾點：
　（1）起背狀態(tài)時不能左右側(cè)翻；
?。?）落腿狀態(tài)時不能左右側(cè)翻；
?。?）上下升降時不能左右側(cè)翻；
?。?）坐便器打開時不能左右側(cè)翻；
?。?）左右側(cè)翻時，背部或腿部不能上升，坐便器不能打開。
　位置邏輯控制程序的流程圖如圖5所示。

　本設(shè)計硬件電路簡單緊湊、調(diào)試方便、可靠性高，解決了護理床的自動控制問題，滿足了受護理人對多種體位的要求；軟件上采用仿真PLC的編程方式，避免了使用者的誤操作，提高了系統(tǒng)的抗干擾性；護理床整體系統(tǒng)采用CAN總線通信方式，使得系統(tǒng)本身具有了很強的移植性和模塊化功能。從實際的運行情況來看，床面的各種姿勢都能滿足預(yù)期要求，并能有效地避免操作人員的誤動作。驗證了控制方案和通信策略的實用性和可靠性，顯現(xiàn)出廣闊的市場前景。
參考文獻
[1] 田志宏，白穩(wěn)峰.殘障人生活起居床控制系統(tǒng)的設(shè)計[J].計算機測量與控制，2011，19（3）：579-582.
[2] 俞國亮.一種用Atmel89c2051仿真PLC控制的方法[J].微計算機信息，2005（9）：130-132.
[3] 楊鵬，王曉雷，許曉云，等.基于CAN總線的電動護理床控制系統(tǒng)研究[J].控制工程，2008，15（6）：699-702.
[4] 柳吉齡，張宇河，張潔.基于CAN總線的運動控制系統(tǒng)的設(shè)計[J].計算機測量與控制，2005，13（7）：683-685.
[5] 曹愛萍，劉衛(wèi)國，韓英桃.電動醫(yī)療床用無刷直流電機控制系統(tǒng)[J].微電機，2005（3）：56-57.
[6] 陳宇，段鑫.可編程控制器基礎(chǔ)及編程技巧[M].廣州：華南理工大學(xué)出版社，2002.
[7] 汪燁，多功能電動護理床控制系統(tǒng)研制[J].制造業(yè)自動化，2009（6）：70-72.