基于89C51RD2單片機(jī)和嵌入式內(nèi)核實(shí)現(xiàn)智能型腸營(yíng)養(yǎng)輸液泵的設(shè)計(jì)

隨著各種電子系統(tǒng)在各個(gè)領(lǐng)域中應(yīng)用的不斷深入，對(duì)電子系統(tǒng)本身的要求也越來(lái)越高，尤其對(duì)于控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的可靠性、實(shí)時(shí)響應(yīng)等各個(gè)方面的性能有了更嚴(yán)格的要求。單片機(jī)的程序設(shè)計(jì)不再是前后臺(tái)的運(yùn)行模式，而是采用多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想。由于使用嵌入式操作系統(tǒng)，可以將具體應(yīng)用分解成多個(gè)任務(wù)，簡(jiǎn)化了應(yīng)用系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)，使控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性得到保證，使其達(dá)到理想狀態(tài)。良好的多任務(wù)設(shè)計(jì)，還有助于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

目前，國(guó)內(nèi)應(yīng)用最多的是以51系列單片機(jī)為主的8位單片機(jī)。在51系列單片機(jī)系統(tǒng)中，可以進(jìn)行移植的嵌入式操作系統(tǒng)為數(shù)不多。其中，Keil自帶的RTX51沒(méi)有源代碼，使用起來(lái)很不方便；uC/OSII雖然有源代碼，也有移植成的例子，但是，它對(duì)于51系列單片機(jī)系統(tǒng)的資源占用過(guò)大，需要外擴(kuò)RAM，而且要保證每個(gè)函數(shù)的可重入性，使用起來(lái)比較勉強(qiáng)。Small RTOS51是專(zhuān)門(mén)為小RAM系統(tǒng)設(shè)計(jì)的占先式內(nèi)核，占用資源少、實(shí)時(shí)性好，應(yīng)用在本系統(tǒng)上非常合適。

1 系統(tǒng)功能及硬件描述

1．1 系統(tǒng)的功能描述

對(duì)于處于昏迷狀態(tài)或食道進(jìn)行手術(shù)的病人，需要一種按時(shí)、按量對(duì)病人進(jìn)行腸營(yíng)養(yǎng)液輸入的智能型腸營(yíng)養(yǎng)液輸液泵，以達(dá)到維持病人生命的目的。本文介紹的智能型腸營(yíng)養(yǎng)輸液泵（以下簡(jiǎn)稱營(yíng)養(yǎng)泵）主要實(shí)現(xiàn)以下功能：

根據(jù)要求，可以設(shè)定輸入營(yíng)養(yǎng)液的總量、流速、溫度等參數(shù)，并且在運(yùn)行過(guò)程中可以任意修改；

根據(jù)指令，自動(dòng)檢測(cè)和控制營(yíng)養(yǎng)液的流量和流速，并將數(shù)據(jù)反饋給主程序；

根據(jù)設(shè)定營(yíng)養(yǎng)液的溫度，自動(dòng)檢測(cè)和控制營(yíng)養(yǎng)液的溫度，并將溫度數(shù)據(jù)反饋給主程序；

在出現(xiàn)營(yíng)養(yǎng)液的溫度、流量和流速異常時(shí)，發(fā)出聲、光報(bào)警信號(hào)；

使用LCD顯示各種數(shù)據(jù)，隨時(shí)查看已經(jīng)輸入營(yíng)養(yǎng)液的數(shù)量、溫度、流量和流速；

營(yíng)養(yǎng)泵主要由220VAC供電，同時(shí)備有應(yīng)急充電電池，一次充電可以連續(xù)運(yùn)行12小時(shí)以上，以備醫(yī)院緊急停時(shí)使用。

1．2 系統(tǒng)的硬件描述

本營(yíng)養(yǎng)泵的電路原理框圖如圖1所示。

系統(tǒng)的主控CPU采用Philips公司的89C51RD2，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的多任務(wù)控制；LCD采用北京青云的LCM12232B液晶模塊，顯示液體的控制參數(shù)；控制溫度的DAC采用TI公司的TLC5615，使?fàn)I養(yǎng)液溫度誤差達(dá)到0.1℃以內(nèi)；電池容量和溫度的反饋值均為模擬電壓，采用A/D，轉(zhuǎn)換后，送入CPU；A/D轉(zhuǎn)換器使用的是TI公司的TLC1543；應(yīng)急電池充電電路，采用Linear公司的LTC4006，充電電壓為12.6V，電池容量為4000mAh；營(yíng)養(yǎng)液流量反饋，采用紅外線對(duì)管，直接由CPU記數(shù)；營(yíng)養(yǎng)泵電機(jī)使用直流電動(dòng)機(jī)，采用控制電機(jī)運(yùn)行和停止時(shí)間的方法對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行閉環(huán)控制，以達(dá)到控制液體流量的目的。

2 Small RTOS51簡(jiǎn)介

Small RTOS51是一個(gè)專(zhuān)門(mén)為51系列單片機(jī)設(shè)計(jì)的嵌入式實(shí)時(shí)操作內(nèi)核，使用Keil編譯器可以直接使用其代碼，它有如下特點(diǎn)。

公開(kāi)源代碼。只要遵循許可協(xié)議，任何人可以免費(fèi)獲得源泉代碼，便于用戶的二次開(kāi)發(fā)。

可移植性。用戶可以把與CPU有關(guān)的控制指令壓縮到最小，把大部分精力放在CPU的控制程序上?？梢允褂肁NSI C編寫(xiě)應(yīng)用程序，不僅簡(jiǎn)化了編程手段，而且便于程序移植。

可固化性。Small RTOS51為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可以嵌入到產(chǎn)品中，成為產(chǎn)品的一部分。

占先式運(yùn)行。Small RTOS51可以管理16個(gè)用戶任務(wù)，每個(gè)任務(wù)可以設(shè)置不同的優(yōu)先級(jí)。Small RTOS51總是運(yùn)行優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)。

中斷管理。采用中斷管理方式，當(dāng)有更高級(jí)的中斷申請(qǐng)時(shí)，將目前正在執(zhí)行的任務(wù)掛起。如果優(yōu)先級(jí)更高的任務(wù)被中斷喚醒，則高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)在中斷嵌套結(jié)束后立刻執(zhí)行。中斷嵌套層數(shù)可達(dá)255層。如果需要，還可以禁止中斷的嵌套管理。

RAM需求小。SmallRTOS51為小RAM的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，因而對(duì)RAM的需求只有幾百字節(jié)，相應(yīng)的系統(tǒng)服務(wù)也少。

3 系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)

按照系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的功能，將整個(gè)系統(tǒng)劃分為幾個(gè)并行的任務(wù)，占先式操作內(nèi)核對(duì)任務(wù)的調(diào)度是按照任務(wù)優(yōu)先權(quán)的高低進(jìn)行。本文中，將系統(tǒng)劃分為9個(gè)任務(wù)，按其優(yōu)先級(jí)從高到低的順序排列依次是：報(bào)警任務(wù)、溫控任務(wù)、按鍵輸入任務(wù)、主控制任務(wù)、電機(jī)運(yùn)行任務(wù)、流量控制任務(wù)、記時(shí)任務(wù)、液晶顯示任務(wù)和電池電量檢測(cè)任務(wù)。系統(tǒng)上電以后進(jìn)入主程序，首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行自檢并任務(wù)，啟動(dòng)9個(gè)程，此時(shí)系統(tǒng)的運(yùn)行就由Small RTOS51來(lái)接管。

3．1 報(bào)警任務(wù)

由于本文所述的營(yíng)養(yǎng)泵，主要應(yīng)用在危重病人的看護(hù)中，所以將報(bào)警任務(wù)在放在最重要的位置。報(bào)警程序由一個(gè)全局變量setbaojing來(lái)控制，其不斷檢測(cè)溫控程序、流量控制程序和電池電量檢測(cè)程序的輸出值。當(dāng)上述程序出現(xiàn)故障報(bào)警信號(hào)時(shí)，setbaojing為1，報(bào)警程序立即使蜂鳴器和報(bào)警燈工作，并在液晶屏幕上顯示出現(xiàn)故障的名稱，直到有人來(lái)清除故障后，才可以正常運(yùn)行。

3．2 溫控任務(wù)

由于人體對(duì)于溫度的變化非常敏感，而腸營(yíng)養(yǎng)液是直接輸入到人的小腸當(dāng)中，所以系統(tǒng)對(duì)溫度的要求非常高，為此，本系統(tǒng)將溫控任務(wù)放在第二位。先將設(shè)定的溫度參數(shù)輸入給CPU，經(jīng)過(guò)PI計(jì)算，發(fā)出數(shù)字信號(hào)，再用TLC5615轉(zhuǎn)換成模擬量，控制加溫電路給營(yíng)養(yǎng)液加溫。營(yíng)養(yǎng)液的實(shí)際溫度，由溫度反饋電路轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，再通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)反饋給CPU，由CPU進(jìn)行閉環(huán)控制。

3．3 控制輸入任務(wù)

按鍵是實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的重要設(shè)備，要求實(shí)時(shí)性較高。從系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)角度，不僅要讀出按鍵的狀態(tài)，還需要具有對(duì)按鍵的抖動(dòng)、連擊、串鍵等特殊情況進(jìn)行處理。系統(tǒng)按鍵輸入任務(wù)流程如圖2所示，本任務(wù)使用消息隊(duì)列指令KeyReadBuf［16］，向主控制程序發(fā)送按鍵的相關(guān)信息。

3．4 主控制任務(wù)

主控制任務(wù)應(yīng)用SmallRTOS51提供的系統(tǒng)函數(shù)OSQPend（KeyTemp，KeyRead Buf，0）來(lái)查錄按鍵輸入任務(wù)提供的信息，一旦發(fā)覺(jué)KeyReadBuf［16］中有了相關(guān)信息，立刻運(yùn)行輸入程序。根據(jù)按鍵的命令，控制電機(jī)運(yùn)行程序、流量控制程序、液晶顯示程序的運(yùn)行及停止，每當(dāng)有一組按鍵信息進(jìn)入消息隊(duì)列中，本程序就修改一次運(yùn)行指令。

3.5 電機(jī)運(yùn)行任務(wù)

電機(jī)運(yùn)行任務(wù)一直處于等待的狀態(tài)，當(dāng)主控制程序給它發(fā)關(guān)字相應(yīng)的指令才開(kāi)始運(yùn)行。在運(yùn)行過(guò)程中，電機(jī)運(yùn)行任務(wù)受到主控制程序和流量控制程序的控制，一旦有停止運(yùn)行的命令，或流量有異常，就立刻停止電機(jī)的運(yùn)行。

3．6 流量控制任務(wù)

液量控制任務(wù)主要由CPU來(lái)控制輸入營(yíng)養(yǎng)液的流量及流速。正常運(yùn)行情況下，流量控制程序會(huì)向液晶顯示程序發(fā)送流量及流速的信息，使液晶上顯示已經(jīng)輸入營(yíng)養(yǎng)液的數(shù)量、流量及流速。一旦發(fā)生異常情況，如流速過(guò)快、一段時(shí)間營(yíng)養(yǎng)液沒(méi)有流動(dòng)等故障，立刻向電機(jī)運(yùn)行程序發(fā)出指令，停止電機(jī)的運(yùn)行，同時(shí)將setbaojing置1，使報(bào)警程序運(yùn)行。

3．7 記時(shí)任務(wù)

記時(shí)任務(wù)主要是為系統(tǒng)提供一個(gè)同步時(shí)鐘，為系統(tǒng)提供同步運(yùn)行的基準(zhǔn)。

3．8 液晶顯示任務(wù)

液晶顯示任務(wù)主要由主控制程序、報(bào)警程序、流量控制程序、電池電量檢測(cè)程序傳遞到消息隊(duì)列中的參數(shù)。通過(guò)運(yùn)行顯示程序，在液晶上顯示相關(guān)的漢字和字符，本身不向其它任務(wù)發(fā)送命令。

3．9 電池電量檢測(cè)任務(wù)

一旦發(fā)生220VAC市電斷電的情況，營(yíng)養(yǎng)泵會(huì)立刻自動(dòng)切換到內(nèi)置的鋰電池供電，電池可以連續(xù)使用12小時(shí)以上。電池電量檢測(cè)程序會(huì)自動(dòng)運(yùn)行，檢測(cè)電池的電量。在電量低的情況，電池電量檢測(cè)程序會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，但不會(huì)主動(dòng)停止系統(tǒng)的運(yùn)行。

4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

用本文所述的智能腸營(yíng)養(yǎng)液泵對(duì)目前市場(chǎng)上常用的幾種營(yíng)養(yǎng)袋進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，本智能腸營(yíng)養(yǎng)液泵的輸液量精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于目前市場(chǎng)上10%的通用標(biāo)準(zhǔn)，并且對(duì)各種品牌的營(yíng)養(yǎng)液袋都能控制在足夠的精度范圍內(nèi)。

結(jié)語(yǔ)

在腸營(yíng)養(yǎng)液泵的設(shè)計(jì)中，使用了Small TROS51，大大簡(jiǎn)化了程序設(shè)計(jì)的難度，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性和安全性，滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求。本設(shè)計(jì)達(dá)到了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，并且已經(jīng)在臨庫(kù)中開(kāi)始使用。

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