文档介绍：单片机仿真PLC控制在护理床驱动模块中的应用
多功能护理床作为医疗器械,已被广泛地应用于医院、疗养院、养老院等众多领域。不仅提高了病人的自理能力,同时也减轻了护理人员的工作强度[1]。因此,针对医疗护理床的应用需求,提出了一种基于CAN总线的多功能电动护理床。该护理床基于模块化的思想,分为驱动控制模块、生理参数采集模块、显示模块等,各模块之间通过CAN总线进行通信。本文主要针对驱动控制模块进行研究。
本设计用AT90CAN128来仿真PLC控制,能结合单片机控制和PLC控制的优点。单片机控制作为嵌入式系统的核心技术,具有高可靠性和高性价比,且成本低廉;PLC控制中的逻辑梯形图编程与继电接触控制电路原理图相似,抗干扰性强且简单易学[2]。
驱动模块以一片AT90CAN128单片机作为核心控制单元,继电器及其外围电路组成驱动器,分别驱动5个电机,带动护理床床体的可调部位运动,分别完成背部升降、腿部屈伸、左右侧翻等动作。
软件设计采用了PLC的循环扫描的编程思想,提高了程序执行的可靠性。通过护理床这些多体位的变换,可以减少各种由于长期卧床所带来的并发症,如褥疮等,有利于受护理人的肌体健康。
1 CAN网络通信
本系统中CAN总线作为通信网络的结构如图1所示。
把CAN总线应用在护理床控制系统中,组成多主站的分布式控制系统,取代了传统电动床采用的集中式控制结构及主从式网络结构,克服了传统护理床可扩展性、可维护性以及抗单点故障能力较差的缺点[3]。护理床系统采用这种总线型网络拓扑结构,便于实时监测,及时处理事件。例如当生理参数检测模块检测到病人的生理信息后能够把数据进行采样,并通过自己的CAN接口实时地将本节点的数据发送到CAN总线。其他模块如显示模块,及时通过匹配地址从总线上接收信息并显示结果。
由于在AT90CAN128内部已经集成了CAN总线协议控制器,,所以在设计硬件电路时就没有必要外扩,只需添加CAN总线收发器就能完成通信[4]。CAN通信接口电路中选用ATA6660控制CAN总线通信过程的数据传输。经过实验测试,无论是稳定性还是传输的正确性方面都达到了很好的效果。
2 护理床驱动模块硬件结构
护理床驱动模块的控制芯片采用ATMEAL公司的AT90CAN128,AT90CAN128是一个高性能、低功耗的8位单片机,具有128 KB在系统可重复编程Flash,64个引脚,52个I/O口,用一个单片机完全可以同时控制5路驱动机构工作。驱动模块整体框图如图2所示。
驱动模块在运行时,一方面接收CAN总线的报文信息,经过分析处理,驱动床体运动;另一方面还加入了按键输入模块,更方便直接地实现不同位姿。运动机构所采用的是直流线性驱动器。该线性执行器将普通直流电机的转动通过适当的机械结构转化成直线推杆的伸缩运动,从而驱动起居床的各个关节运动,帮助病人实现自己无法完成的动作。当电动床运动到达极限位置时,电动床的限位传感器可以给控制提供一个卡位信号[5]。
按键输入电路
驱动模块的输入电路采用结构简单、电路配置灵活的独立按键构成。由单片机的PB0~PB7和PF1~PF2十个I/O口作为输入口,10个按键的状态分别对应护理床的十种功能。包括:(1)背部上升/下降;(2)腿部弯曲/伸展;(3)左/