基于STM32微控制器的自动发药机发药装置的控制与实现

张哲　陈天鹰　陈光达

摘 要：随着工业自动化，智能化的浪潮袭来，人们的生活方式发生了巨大的变化，人们的就医环境和医疗设备也进一步实现智能化，本文主要利用STM32微控制器通过CAN总线来控制盒装自动发药机的发药装置，传统盒装发药机的发药装置主要通过PLC技术来实现控制[1]，但PLC本身的线路非常复杂，最终使得发药机显得非常庞大笨重，现场组装也耗时耗力自动化程度也不高，同时PLC控制装置的成本非常高昂，這严重制约了盒装自动发药机的市场化发展。因此本文采用的STM32微控制器可以有效解决PLC技术的相关缺点。

关键词：自动发药机；STM32微控制器；CAN总线

据统计北京大医院一天的门诊量就达到上万人，病人有时花费大量的时间在等待排队中，这样浪费了大量时间所以针对这种现象，本论文研究一种自动发药机[ 2 ]，来节省病人取药时等待排队的时间，目前国内外自动化药房的发药机主要产品分为以下四种形式：

1）散装药品自动化发药机；

2）数控回转柜式自动化药房发药机[ 2 ] ；

3）机械手式自动化药房发药机；

4）储药槽式自动化发药机。

国内的一些发药机产品一般采用的是PLC技术，而这种技术导致设备的线路非常复杂，机器显得非常庞大笨重，现场组装也耗时耗力自动化程度也不高。

综上所述，本文采用的基于STM32微控制器技术来控制盒装发药机的控制装置，可以有效克服传统PLC控制方法的缺点与不足，同时降低了盒装发药机整体的成本。

一、盒装发药机的硬件设计

盒装发药机控制发药装置的过程如下：上位机通过CAN总线向STM32微控制器发送相应的十六位控制信号。当STM32微控制器收到这些控制信号时，根据我们编写的通信协议，控制相应发药弹块装置弹出所发药盒。药盒被发出时，需要一个光电检测电路[ 6 ]，用来检测药盒是否正常发出而没有被卡住。

因此盒装发药机硬件设计最重要包含三个部分：第一部分是CAN总线收发控制电路，第二部分是盒装发药机发药弹块控制装置，第三部分是光电检测装置。因此本文实现发药机控制的核心是CAN总线电路与CAN总线协议的制定，发药控制装置的框图如下图：

（一）CAN总线收发控制电路

由上可知盒装发药机控制装置的核心是CAN总线电路，CAN总线（控制器局域网络）即控制器局域网[ 3-4 ]，是使用最广泛的国际现场总线。起初，CAN总线被设计成在汽车环境中的微控制器之间的通信，在车载电子控制单元（ECU）形成汽车电子控制网络之间的信息交换。它是一种多主方式的串行通讯总线，基本设计规范要求较高的比特率，高抗干扰，而且能够检测出产生的任何错误。信号最长传输距离为10公里，但是数据传输速率只能低至5Kbps。

基于CAN总线的分布式控制系统在以下几个方面的优势：

1）CAN具有完善的通信协议，该协议都是由硬件自动完成，因此降低了系统的开发难度，缩短了开发周期，这些是只仅仅有电气协议的RS-485所无法比拟的。

2）在CAN总线的接口电路中，有CAN-H和CAN-L与线路连接，CAN-H只能是高电平或者悬空状态，CAN-L只能是低电平或者悬空状态，这就确保了CAN总线接口电路不会像RS-485那样在总线出现问题时会损坏节点接口。而且CAN节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能，以使总线上其他节点的操作不受影响，从而保证不会出现象在网络中，因个别节点出现问题，使得总线处于“死锁”状态。

3）CAN控制器可以在多主方式下工作，网络中的每个节点都可以通过一种特殊的仲裁机制（具体参见CAN2.0协议标准）来变成主机。且CAN总线协议用通信数据编码取代了栈地址的编码，这使得每个节点都可以收到一样的数据，这样就大大增强了数据通信的实时性。

综上所述本文采用的CAN总线收发器为TJA1050，CAN总线收发控制电路如下：

二、盒装发药机的软件设计

（一）盒装发药机的控制流程图

Fig3 The control diagram of dispensing machine

（二）盒装发药机CAN总线通信子程序设计

本文采用上位机通过CAN总线与STM32微控制器通信，下面是本文CAN总线发药机控制器上、下位机通讯协议：

1.通讯要求

CAN2.0，扩展位模式，频率800M，无远程帧。

2.上位机格式（16进制）例

0x 00 00 AB CD 01 02 03 05 01 55

① ② ③ ④ ⑤ ⑥ ⑦

①：00 00 AB CD 为地址，前2位为00 00，后2位可变。

②：为执行动作标志位。取01时执行动作相应动作，取02时为通讯测试。

③：为电磁铁位置标志位：取值为01时第一个电磁铁动作，取02时第二个电磁铁动作，以此类推。

④：为通电时间标志位：取值为01时为通电10毫秒，取值为10时通电100毫秒。

⑤：为错误动作次数标志位：取值为05时动作5次，其他值时动作3次。

⑥：为发药药道检测使能标志位：取值为01时本药道参与检测，其他值时不参与检测。

⑦：CRC验证：②+③+④+⑤+⑥=⑦

3.下位机格式（16进制）

例：0x 00 00 AB CD 01 02 55

① ② ③ ④

①：本机地址。

②：发药成功标志位。取值为01时发药成功，取值为02时发药失败。

③：发药位置标志位。取值为01时发第一盒药，取值02为发第二盒药，依次类推。

④：CRC验证：②+③=④

三、结论

本文针对传统发药机采用PLC控制系统来控制发药装置，由此造成的成本高昂，设备结构复杂等缺点，提出了采用STM32微控制器的方法，该方法通过设计简单的电路图利用CAN总线通信来控制相应的发药装置，可以有效克服PLC控制系统的缺点，同时可以有效的提高控制系统的可靠性与稳定性。

但是，本文还存在一定不足。本文中的控制系统没有采用带有任务管理的操作系统，导致没有友好的人机交互界面。从而使后续系统的管理维护，以及迭代开发带来了不便。

参考文献：

[1] 王庆.基于S7-200 PLC的中药自动发药机系统的研究与实现[D].四川：中国知网，2005：2-3.

[2] 卢道兵，梁茂本.自动化发药系统在医院门诊药房中的应用效果评价[J].重庆医学，2016，45（29）：12.

[3] 刘火良，杨森.STM32库开发实战指南[M].北京：机械工业出版社，2013，06.

[4] 郑杰.ARM嵌入式系统开发与应用完全手册[M].北京：中国铁道出版社，2013，08：53.

[5] 赵齐，许彦峰，李健，曾丹红.基于STM32和多照度传感器融合照度测量系统[J].电子技术与软件工程，2014，03.

[6] 尹杰，杨宗帅，聂海，王海峰.基于红外反射式智能循迹遥控小车系统设计[J].电子设计工程，2013，12.