基于Cortex-M3的电动医疗床驱动与控制系统研究

赵启纯

（深圳市通恒科技有限公司，广东 深圳 518109）

基于Cortex-M3的电动医疗床驱动与控制系统研究

赵启纯

（深圳市通恒科技有限公司，广东 深圳 518109）

由于目前我国的医疗硬件设备以及医疗设备系统方面的落后，有许多地方都需要改进，其中最重要的一个部分就是医疗病床。目前许多医院的医疗病床的系统落后，所支持的功能也少。所以，文章提出一种新的电动医疗床的驱动与控制系统。

电动医疗床；线性驱动器；同步运动控制；图形化编程

现如今，电动医疗床的适用范围很广泛，本文主要阐述一种能够多种驱动、多种功能的电动医疗驱动与控制系统。该控制系统主要以Cortex M3 SOC 芯片作为核心，能够在开发的同时，与线性驱动器共同协作，实现对整个医疗与控制系统的掌握与运行。这样能够提高整个系统的效率。所以本文将主要对该系统的结构、控制器的结构、操作器的设计等方面进行描述。

1 驱动与控制系统的结构

该系统的结构主要分为3个部分：线性驱动器、控制器、操作器。线性驱动器是整个系统的动力来源，它能使整个电动医疗床完成各种动作，比如床板的移动、床体的升降。

1.1 控制器的设计

控制器则是一个中央枢纽，负责接收来自操作器发出的信号，并且发送给线性驱动器使其完成指定命令。控制器则是整个系统的指挥官，整个系统由它来进行实际操控，通过对线性驱动器和发出指令，使其进行工作，以此来达到符合要求的医疗功能。整个系统的结构如图1所示。

图1 系统结构示意

2 线性驱动器的设计

2.1 立柱式推杆的设计

立柱式推杆对整个电动医疗床起到一个支撑的作用，并且作为主体，它能够承担很大的压力，并且除了抗压能力强之外，为了有足够的稳定性，设计者，增大了推杆与电动医疗床的接触面积，使其能够大幅度增加承受侧向力的能力，还有采用了内管与滑套相结合的方式减少了医疗床的抖动和移动位差。这样一来让电动医疗床进行工作时能够保持整个过程足够平稳，对患者来讲保证足够的舒适性。这样能够保证整个系统在运作过程当中的稳定，提高了其安全性、可靠性。

2.2 手持式推杆的设计

手推式推杆对整个系统来讲是一个应急措施，大多应用于ICU病床上。在面对多种紧急情况时能够通过手推式推杆进行快速有效的处理。比如，ICU的患者在接受治疗时发生休克，需要及时将床板放平才能够实施抢救，临时对系统进行操作已经来不及，所以根据推杆的牙型设计，扳动推杆就可以快速地将床板放平，以便于医生与护士对患者进行抢救。患者平时在床上放置物品会对病床造成一定的损坏，对推杆也会造成不小的影响。手推式推杆的新型设计让其能够在接受外力的同时，摆脱推杆内管与螺母之间的受力，当丝杆不再受力时，则推杆则取消对内管和螺母的控制，这样能够对整个床体和立柱式推杆进行保护。在不断地优化和设计之下，手动式推杆不断有新的功能应用于临床，这样既能保证为患者提供好的治疗环境，又可以提高整个系统的安全性。

3 控制器的设计

3.1 硬件设计

控制器的硬件主要由5个部分组成：控制模块、传感器信号处理模块、电机驱动模块、电源模块和通信模块。硬件主要是以SOC芯片为基础、能够通用于各个模块，其硬件的设计能够使电动医疗床更好进行医疗工作，对于每个模块的功能介绍如下：

（1）控制模块。控制模块是整个控制系统的最核心、最具有价值的部分，它通过编程来进行操控整个系统，并且对操作器发布命令。控制模块的主要功能是对系统电源动力的控制、对传感器信号的接收和处理。控制模块所使用的核心具有处理效率高、耗能低、稳定性高等优势，而且控制模块的智能也能提高医疗床的工作效率和医疗效果。

（2）传感器信号处理模块。传感器信号处理模块主要由3个部分组成：温度传感模块、电流传感模块和电机转速位置传感模块。温度传感模块利用热敏电阻，通过电阻数据的一系列变化来检测出温度的高低；电流传感模块同样采用电阻，对电压数据的一系列变化来实现对电流变化的检测；电机转速位置传感模块主要通过一种精准的线性传感器，来收集自电机所发出的信号，并且通过对信号的处理作出调整和改变。

（3）电机驱动模块。电机驱动模块主要是用来对电机进行管理。能够控制整个电机的转速和转速的方向，使电机始终保持在一个正常的工作状态，这样能够保持整个系统的稳定，并且在遇到电机故障时能够通过改变转速和方向来解决故障。此模块主要维持医疗床床板和扶手的霍尔传感器的工作，还有维持着整个电动医疗床的供能。

（4）电源模块。电源模块是整个系统的动力来源，通过采用三级稳压技术，使电源拥有稳定的电压和电流来保持系统工作的稳定，该模块对电机的转速和方向具有决定作用。电源还要通过调压来决定进入系统核心的输入电压，以及电路的操控。

（5）通信模块。通信模块主要是整个系统的中央枢纽的处理部位，它来保持控制器和操作器之间的通信、控制器和线性驱动器之间的通信、控制器和电机之间的通信。

3.2 控制器软件的设计

根据软件的功能不同，主要分为两个部分。（1）整个系统是具有逻辑性的控制程序。这个部分主要是能够更好地满足患者的要求和开发出电动医疗床更多的医疗工作，依据其逻辑思维的处理程序能够对各种不同的医疗设备制定相对应的控制程序，并且通过采用系统的开发技术对程序语言进行编程，然后编译出能够对相应的医疗设备作出对应的控制程序，并且能够开发出更多的医疗功能。这样来实现控制器对整个系统的一个掌控。（2）对整个系统动力设置一个驱动。依据系统的核心，通过程序编译和语言开发，来实现对整个系统的运作、系统硬件的驱动、对电机状态的调整等工作，并且通过与硬件的共同处理，能够保持整个电动医疗床的稳定运行，通过对控制器软件的开发与处理，以及图形化编程，能够更好地实现对整个系统的操控，以及系统的同步运动控制。

（1）控制逻辑程序。控制操作程序能够对不同的医疗设备，通过图形化编程后能够设计出相应的控制程序，并且能够通过编译程序对整个CPU进行一个具体的处理。通过对C代码的翻译，进行汇编，在通过图形化编程，编译成能够适应对应医疗设备系统的机器语言，并且通过对整个系统驱动的掌控，将新编辑的控制系统运用其中，整个能够构造出一个完整的系统，保障整个系统正常运行。

（2）引擎驱动程序。此模块主要是对系统整体的一个驱动，它有多个模块，主要的部分是霍尔反馈信号处理模块和电动推杆的闭环控制模块。霍尔反馈信号处理模块，主要根据信号的反馈和处理让整个电机处于一个稳定的状态，并且此处理模式的精准度高，符合医疗功能的要求。并且在操作方面，其零差误的数据计算和信号处理能够支持控制系统的稳定运行。此外，电动推杆的闭环控制模块主要是以一种二维模糊控制器为主，通过模糊推理机接收到d/dt和电源的两种信号，以及发出ΔKp，ΔKi，ΔKd3种信号，通过模糊PID的数据处理，来发给电机相应的操作指令。电动推杆的闭环控制的控制结构如图2所示。

图2 电动推杆的闭环控制的控制结构示意

3.3 对MCU的具体描述

微控制单元（MicroControllerUnit，MCU）是一种智能的电动医疗床驱动与控制系统，主要应用于当前的医疗床。它主要有4个电机，通过引擎驱动程序对电机的电路进行调控，然后作为输入端共同接入MCU处理器的输出端，这样能够简单明确地处理器的电路线路，并且方便进行开发，连接更多的线路。而且板块清晰，能够对单个模块进行调控，而且对医护人员的使用更加方便与快捷。此外，对MCU系统的研究与开发，将其在医疗技术领域的应用作为一种新型题材，能够大大提高国内的电动医疗床的智能性，这是国内在技术层面的一次突破。

4 技术领域

MCU在国内属于对医疗床技术领域的一种创新，它的实际操控更加简单快捷，对于国内大部分功能简单、系统落后的医疗床，此系统有着智能操控，能够完成更加复杂的医疗工作，但是与国外的智能控制系统相比较，在对患者生理状况的掌握方面还是有些不足。

5 背景技术

电动医疗床对于医院来讲是一种重要的医疗设备，是患者用来休养的地方。现如今，国内的大多数电动医疗床的控制结构散乱，不够集中，不能够集中操作，使用起来比较繁琐。比如，床板的头部和及腿部的升降控制，以及床板的翻转控制都有按键，这样来看需要手动操作的部位较多，电路线路增多，导致整个电路的成本增加，并且结构比较复杂。根据现有的技术水平，要减少线路的数量，则需要将各个分散的控制结构集合起来，通过一个处理器来解决，这样方便医护人员对医疗床智能控制系统的操作，并且能够给患者更好的治疗效果。所以，为了能够实现这一智能系统的操作及应用，将对该医疗床智能控制系统进行设计：

（1）微处理器。MCU是整个智能控制系统的核心，也是处理和控制中心。

（2）电源转换电路。电源主要来自MCU和霍尔传感器，通过霍尔传感器的输出，经过电机驱动电路来进行电路的输入，将电路输入到MCU的一输出端。并且与备用电源连接使其能够在断电的时候保持工作，另外与定位检测电路相连接来检测电路是否正常。

（3）备用电源。备用电源通常是指市电，或者是蓄电池蓄电，备用电源通过电电源转换电路，进行变压后能够对微处理器和定位检测电路进行供电，同时也能够为自身供电，通常采用集合电路进行对电压进行改变，并且能够通过备用电源的输出电压来检测定位检测电路，输入电压和电压检测电路都与MCU相连接。

（4）定位检测电路。定位检测电路主要是对电动医疗床上的各个霍尔传感器进行检测，检测其是否能够正常运作。如果当指定的医疗工作未能完成时，定位检测电路将对MCU发出信号，经过MCU的处理，连接报警电路，来提醒医护人员电动医疗床的医疗工作尚未完成。

（5）电机驱动电路。电机驱动电路主要有4个部位，分别分布在床的头、躯干、腿和床板。电机驱动电路通过对电机的驱动，来使电动医疗床完成相应的医疗工作，并且直接执行来自于MCU的指令。

（6）称重传感器。此传感器安装在电动医疗床的床板上，能够时刻检测患者的体重，并且能够通过体重的不同，发信号给MCU，使其对推杆发出相应指令，来改变推杆所承受的侧向力，既能够保护床板，也能增加电动医疗床的舒适性。

（7）触控屏。更加方便医护人员对医疗工作的操作，而且能够反映患者及电动医疗床的情况。

（8）报警电路。通过接收到来自MCU的信号，能够及时提醒医护人员，对患者进行医疗工作，或者对电动医疗床进行调整。

（9）数据采集电路。主要采集智能控制系统中的各种信息，比如电源转换电路和备用电源中的电压变化情况，无线收发电路的数据接收等，对整个智能控制系统的实时运行起到一个数据总结以及监控作用，能够通过采集的数据总结整个系统的运行情况。

（10）呼叫电路。当患者需要医护人员或者突发情况时，能够连通呼叫电路，使医护人员能够及时接到消息。

（11）无线收发电路。无线收发电路主要是接收和转发电路信号给MCU，并且能够接收到MCU发出的电路信号。

（12）按键。按键主要用于整个床板上4个电机的控制操作，按键可以采用薄膜键盘，或者与触控屏组合，这样能够方便医护人员医疗工作的进行，对电动医疗床的结构进行了集中处理，提高了医疗效果。

6 结语

目前我国的电动医疗床的实际水平还较低。在面临着国内电动医疗床功能简单、低智能，国外电动医疗床占据国内大部分市场的处境下，本文提出一种基于Cortex-M3的电动医疗床驱动与控制系统，此系统能够基本满足当下国内医疗水平的需求。其多个线性驱动器同时运行的效率高、对于模糊PID的同步运动控制和控制程序的图形化编程特点，使其系统的性能得到很大的提升。并且，MCU这种微处理器的独特设计，能够将系统的工作电路进行集中，统一管理，减少电路的数量，使电动医疗床的管理变得简单便捷。并且增加像触控屏、体重传感器等新的功能，方便医护人员能够及时了解和掌握患者的实时情况，并且进行相应的操作，而且也能够提高电动医疗床的工作效率和治疗效果。但是，这项系统与国外的先进设备相比较还是有许多地方存在不足，所以应该提高电动医疗床驱动与控制系统的开发效率，在控制系统之中加入更多的摩尔传感器，开发更多可以监测患者身体状况的功能。

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[2]曹爱萍，刘卫国，韩英桃.电动医疗床用无刷自流电机控制系统[J].微电机，2014（12）：56-58.

[3]胡士强，张小英.Windows环境下医疗床的计算机检测与控制[J].电子仪器仪表用户，2000（12）：10-13.

[4]王白石，赵启纯.一种医疗床智能控制系统[P].专利号：ZL 201620515988.X，2016.

Research on drive and control system of electric medical bed based on Cortex-M3

Zhao Qichun
（Shenzhen Tongheng Technology Co., Ltd., Shenzhen 518109, China）

Due to the falling behind of current medical hardware equipment and medical equipment system in China, there are many places need to be improved, in which the most important is the medical bed. The hospital beds in many hospitals are now systematically lagging behind, and the function it supported is less, therefore, this paper puts forward a novel drive and control system for electric medical bed.

electric medical bed; linear actuator; synchronous motion control; graphical programming

赵启纯（1965— ），男，四川两充，硕士，高级技师，工程师；研究方向：电源与电子技术，自动化控制，人工智能。