注射泵控制系统设计

摘要：注射泵是一种数字化、智能化的医疗仪器，主要用于在临床上实现高精度的输注药液。文章描述了注射泵控制系统的设计思想、各个模块的硬件实现，以及相应的软件设计。实践运行表明该系统工作稳定、可靠。
关键词：医疗仪器；注射泵；控制系统
1、前言
随着临床医药科学技术的不断发展，监理所床医学对给药的方式要求越来越高。传统的注射方式——护士使用注射器或吊瓶注射由于无法精确地控制输液速度和输液量，在许多医护条件下都面临严峻的挑战。注射泵是用于临床高精度输注药液的医疗仪器，已经应用在输血、麻醉注射、抗生素摄入、止痛药注射等领域。注射泵由微处理器控制，具有恒定压力，完善数据显示，能按需要值精确控制输液速度和输液量；能24h维持静脉输液，保证血药有效浓度，减少输液副作用及并发症；输液堵塞或输液完毕能及时报警提示护士进行处理。注射汞的注射效果要优于传统的注射器和吊瓶输液。在欧美国家，注射泵的研制和应用都已进入一个相对成熟和稳定的阶段，而国内注射泵的研制和临床使用尚落后于欧美国家，只在中心城市的大医院才获得应用，目前仍处于推广阶段，因此注射泵的市场前景很广阔。注射泵的推广和普及，对于我国各级医院现代化水平的提高和我国卫生事业的发展具有重要的意义。
2、控制系统硬件组成
注射泵控制系统主要包括步进电机驱动模块、电源模块、多通道数据采集及处理、串行时钟、声光报警和状态指示模块、键盘和液晶显示、EEPROM和看门狗监控。其结构如图1所示。

2.1步进电机驱动器
步进电机驱动器用于驱动步进电机，推动注射器进行注射。采用AT89C2051作为涉进电机驱动电路的控制器，用于控制4相（A、B、C、D相）混合式步进电机。功率放大电路采用单极性驱动电路，共有4路控制电路，每一路分别控制步进电机的一相。步进电机采用4相8拍的工作方式，在这种工作方式下，每拍通电的相磁极和转换情况如下：

2.2电源模块
系统由外部交流电源和内部电池供电。外部交流电源采用开关电源，提供17V输入。内部电池采用10节镍氢电池，正常工作时提供12V左右电压输入。有外部交流电源时，系统由外部交流电源供电，同时对内部电池进行充电；无外部交流电源时由内部电池供电。系统工作过程中，如外部电源意外掉电，则自动切换为内部电池供电，且切换过程中不影响系统工作状态。电源切换和电池充电电路如图2所示。

电源的供电顺序和电源之间的自动切换通过二极管实现。两路电源分别通过两个二要管时产生相同的压降，利用二极管的单向导通性，两路电源同时供电时就实现了系统所需的供电顺序及电源之间的自动切换。同时由于二极管工作频率很高，导通时间非常短，因此电源切换时间非常短，不足以引起系统工作状态的改变。
电池充电电路实际上是一个恒流源，核心器件是集成三端可调稳压器LM317T。LM317T在电源电压足够的情况下可以保持其Vout端比其ADJ端电压高1.25V。如图所示，ADJ端直接与待充电池相连。但ADJ端的内阻很大，可近似看作开路，则跨接在Vout端与ADJ端的电阻R1上将有1.25/R1的电流流过。该电流便流过电池，对电池进行了恒流充电。
2.3多通道数据采集及处理
多通道数据采集及处理电路主要完成检测注射器型号、注射泵注射阻塞判断、电池充电控制、电源供电状况等任务，如图3所示。多通道数据采集采用模数转换芯片TLC1543，TLC1543采用串行控制，具有10位转换精度，11路模拟输入通道（A0-A10），芯片内部自带采样、保持功能。

在设计中，通道A0用于检测注射器型号，通道A1用于检测注射器阻塞信号，通道A2用于检测电池电压，通道A3用于检测外部开关电源电压。
串行时钟提供时间信息，主要用于确定注射泵已经注射的时间，并在液晶上显示。时钟芯片采用Dallas半导体公司生产的DS1302芯片。DS1302是实时时钟，可对秒、分、小时、日、周、月及带闰年补偿的年进行计数。
2.5键盘、液晶及报警电路
键盘电路主要完成监控软件各种功能的控制，包括流向预输量和注射速度等参数的输入、启动/停止的控制、快排控制、报警消除、输入模式的选择、报警声音大小的选择，液晶是否需要背光的选择以及键盘锁定的选择。键盘采用4×5防水薄膜触摸键盘，键盘扫描电路由74LS373和74LS245构成。
液晶用于实时显示注射泵的各种参数和运行状态，如预输量、注射速度、累计量、已经注射时间、注射运行标志、电池的电量、使用的注射器型号等，使操作者能够实时掌握注射泵工作状态，同时为人工控制注射泵提供良好的控制界面的特殊性，采用定制的液晶，预先把要显示的参数、字符定制到液晶里面。液晶显示采用芯片HT1621控制，HT1621直接与微控制器4线串行接口，控制简单。
报警电路用于当注射泵工作过程中出现电池电量不足、注射完毕、注射器阻塞等影响注射泵正常工作的情况时提供声光报警功能。报警声音由蜂鸣器提供，有两组蜂鸣器，提供高和低两种报警声音。发光二极管提供报警功能。
2.6看门狗监控及EEPROM
看门狗电路提供系统的可靠复位和系统运行出错死机时的自动恢复，EEPROM用于存储一些掉电应当存贮的重要参数，以便使前一次修改的参数设置能保存下来，以备下一次使用。芯片X5045就完成上述两项能。X5045具有可编程看门狗定时器，内部EEPROM可存储512个字节的数据，可重复擦写100，000次，数据保存100年不丢失，完全满足上述要求。
3、系统软件设计
注射泵控制系统软件包括主控程序和步进电机驱动程序。主控程序用于控制整个系统，步进电机驱动程序诊断模块、调试模块、键盘处理模块、液晶显示模块、多路数据采集模块、报警处理模块和电源处理模块，其流程如图4所示。
初始化模块包括液晶初始化、串行时钟初始化、看门狗初始化和全局参数初始化。自诊断模块完成判断注射泵是否能运行正常，诊断的内容有步进电机厂能否转动、数据采集模块能否正确采集、压力传感器是否已经安装。调试模块用于系统工作在调试模式而非用户模式时调试整个系统，主要包括关键数据的测量、显示、设置和系统的运行测试。键盘处理模块完成各种输入参数的处理和相应的控制命令的执行。液晶显示用于用于实时显示注射泵的各种流向参数和运行状态以及控制不同显示界面之间的切换。多路数据采集模块定时采集多路模拟信号和数字信号，并对采集结果进行相应的处理。报警处理模块实现对不同报警信号进行相应的处理，并进行声光报警以提醒用户。电源处理模块主要实现对电池充电进行控制，并对电源供电状况进行指示。

4、系统抗干扰措施
由于该系统直接应用于医疗卫生部门，可靠性问题尢为重要。保证系统可靠性的措施主要包括硬件方面和软件方面。
4.1硬件方面主要措施
（1）在系统外围设施加入浪涌吸收器、电源滤波器；
（2）模拟地、数字地、屏蔽地正确连接；
（3）步进电机电源加滤波电路、步进电机驱动电路和控制电路光耦隔离；
（4）电路板上每个芯片并接一个0.01-0.1μF高频电容；
（5）电路板合理分区和布线。
4.2软件方面主要措施
（1）对采集的数据进行软件滤波，保证数据采集可靠性；
（2）加强键盘操作的安全性和容错性；
（3）在程序适当的地方加背地单字节的空操作NOP指令；
（4）不断地更新关键的I/O端口和一些重要的寄存器。
5、结束语
文章讨论了注射泵控制系统的设计，提出了一套可实现的注射泵控制系统的硬件和软件方案实现了对输注药液的注射速度和注射量进行高精度的控制。自从成功研制以来，该系统一直工作稳定、可靠，经测试表明注射精度在±3%之内，满足了国家医疗卫生部门对注射泵的精度要求，现正在进行临床测试。