基于Small RTOS51的腸營養(yǎng)液輸液系統(tǒng)

　　引言

　　隨著各種電子系統(tǒng)在各個領域中應用的不斷深入，對電子系統(tǒng)本身的要求也越來越高，尤其對于控制系統(tǒng)軟件設計的可靠性、實時響應等各個方面的性能有了更嚴格的要求。單片機的程序設計不再是前后臺的運行模式，而是采用多任務實時操作系統(tǒng)的設計思想。由于使用嵌入式操作系統(tǒng)，可以將具體應用分解成多個任務，簡化了應用系統(tǒng)軟件的設計，使控制系統(tǒng)的實時性得到保證，使其達到理想狀態(tài)。良好的多任務設計，還有助于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

　　目前，國內應用最多的是以51系列單片機為主的8位單片機。在51系列單片機系統(tǒng)中，可以進行移植的嵌入式操作系統(tǒng)為數不多。其中，Keil自帶的RTX51沒有源代碼，使用起來很不方便;uC/OSII雖然有源代碼，也有移植成的例子，但是，它對于51系列單片機系統(tǒng)的資源占用過大，需要外擴RAM，而且要保證每個函數的可重入性，使用起來比較勉強。Small RTOS51是專門為小RAM系統(tǒng)設計的占先式內核，占用資源少、實時性好，應用在本系統(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

　　對于處于昏迷狀態(tài)或食道進行手術的病人，需要一種按時、按量對病人進行腸營養(yǎng)液輸入的智能型腸營養(yǎng)液輸液泵，以達到維持病人生命的目的。本文介紹的智能型腸營養(yǎng)輸液泵(以下簡稱營養(yǎng)泵)主要實現以下功能：

　　根據要求，可以設定輸入營養(yǎng)液的總量、流速、溫度等參數，并且在運行過程中可以任意修改;

　　根據指令，自動檢測和控制營養(yǎng)液的流量和流速，并將數據反饋給主程序;

　　根據設定營養(yǎng)液的溫度，自動檢測和控制營養(yǎng)液的溫度，并將溫度數據反饋給主程序;

　　在出現營養(yǎng)液的溫度、流量和流速異常時，發(fā)出聲、光報警信號;

　　使用LCD顯示各種數據，隨時查看已經輸入營養(yǎng)液的數量、溫度、流量和流速;

　　營養(yǎng)泵主要由220VAC供電，同時備有應急充電電池，一次充電可以連續(xù)運行12小時以上，以備醫(yī)院緊急停時使用。

　　1.2 系統(tǒng)的硬件描述

　　本營養(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，實現系統(tǒng)的多任務控制;LCD采用北京青云的LCM12232B液晶模塊，顯示液體的控制參數;控制溫度的DAC采用TI公司的TLC5615，使營養(yǎng)液溫度誤差達到0.1℃以內;電池容量和溫度的反饋值均為模擬電壓，采用A/D，轉換后，送入CPU;A/D轉換器使用的是TI公司的TLC1543;應急電池充電電路，采用Linear公司的LTC4006，充電電壓為12.6V，電池容量為4000mAh;營養(yǎng)液流量反饋，采用紅外線對管，直接由CPU記數;營養(yǎng)泵電機使用直流電動機，采用控制電機運行和停止時間的方法對轉速進行閉環(huán)控制，以達到控制液體流量的目的。

　　2 Small RTOS51簡介

　　Small RTOS51是一個專門為51系列單片機設計的嵌入式實時操作內核，使用Keil編譯器可以直接使用其代碼，它有如下特點。

　　公開源代碼。只要遵循許可協議，任何人可以免費獲得源泉代碼，便于用戶的二次開發(fā)。

　　可移植性。用戶可以把與CPU有關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編寫應用程序，不僅簡化了編程手段，而且便于程序移植。

　　可固化性。Small RTOS51為嵌入式系統(tǒng)設計，可以嵌入到產品中，成為產品的一部分。

　　占先式運行。Small RTOS51可以管理16個用戶任務，每個任務可以設置不同的優(yōu)先級。Small RTOS51總是運行優(yōu)先級最高的任務。

　　中斷管理。采用中斷管理方式，當有更高級的中斷申請時，將目前正在執(zhí)行的任務掛起。如果優(yōu)先級更高的任務被中斷喚醒，則高優(yōu)先級的任務在中斷嵌套結束后立刻執(zhí)行。中斷嵌套層數可達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)設計，因而對RAM的需求只有幾百字節(jié)，相應的系統(tǒng)服務也少。

　　3 系統(tǒng)的軟件實現

　　按照系統(tǒng)所要實現的功能，將整個系統(tǒng)劃分為幾個并行的任務，占先式操作內核對任務的調度是按照任務優(yōu)先權的高低進行。本文中，將系統(tǒng)劃分為9個任務，按其優(yōu)先級從高到低的順序排列依次是：報警任務、溫控任務、按鍵輸入任務、主控制任務、電機運行任務、流量控制任務、記時任務、液晶顯示任務和電池電量檢測任務。系統(tǒng)上電以后進入主程序，首先對系統(tǒng)進行自檢并任務，啟動9個程，此時系統(tǒng)的運行就由Small RTOS51來接管。

　　3.1 報警任務

　　由于本文所述的營養(yǎng)泵，主要應用在危重病人的看護中，所以將報警任務在放在最重要的位置。報警程序由一個全局變量setbaojing來控制，其不斷檢測溫控程序、流量控制程序和電池電量檢測程序的輸出值。當上述程序出現故障報警信號時，setbaojing為1，報警程序立即使蜂鳴器和報警燈工作，并在液晶屏幕上顯示出現故障的名稱，直到有人來清除故障后，才可以正常運行。

　　3.2 溫控任務

　　由于人體對于溫度的變化非常敏感，而腸營養(yǎng)液是直接輸入到人的小腸當中，所以系統(tǒng)對溫度的要求非常高，為此，本系統(tǒng)將溫控任務放在第二位。先將設定的溫度參數輸入給CPU，經過PI計算，發(fā)出數字信號，再用TLC5615轉換成模擬量，控制加溫電路給營養(yǎng)液加溫。營養(yǎng)液的實際溫度，由溫度反饋電路轉換成電壓信號，再通過A/D轉換成數字信號反饋給CPU，由CPU進行閉環(huán)控制。

　　3.3 控制輸入任務

　　按鍵是實現人機交互的重要設備，要求實時性較高。從系統(tǒng)軟件的設計角度，不僅要讀出按鍵的狀態(tài)，還需要具有對按鍵的抖動、連擊、串鍵等特殊情況進行處理。系統(tǒng)按鍵輸入任務流程如圖2所示，本任務使用消息隊列指令KeyReadBuf[16]，向主控制程序發(fā)送按鍵的相關信息。

　　3.4 主控制任務

　　主控制任務應用SmallRTOS51提供的系統(tǒng)函數OSQPend(KeyTemp,KeyRead Buf,0)來查錄按鍵輸入任務提供的信息，一旦發(fā)覺KeyReadBuf[16]中有了相關信息，立刻運行輸入程序。根據按鍵的命令，控制電機運行程序、流量控制程序、液晶顯示程序的運行及停止，每當有一組按鍵信息進入消息隊列中，本程序就修改一次運行指令。

　　3.5 電機運行任務

　　電機運行任務一直處于等待的狀態(tài)，當主控制程序給它發(fā)關字相應的指令才開始運行。在運行過程中，電機運行任務受到主控制程序和流量控制程序的控制，一旦有停止運行的命令，或流量有異常，就立刻停止電機的運行。

　　3.6 流量控制任務

　　液量控制任務主要由CPU來控制輸入營養(yǎng)液的流量及流速。正常運行情況下，流量控制程序會向液晶顯示程序發(fā)送流量及流速的信息，使液晶上顯示已經輸入營養(yǎng)液的數量、流量及流速。一旦發(fā)生異常情況，如流速過快、一段時間營養(yǎng)液沒有流動等故障，立刻向電機運行程序發(fā)出指令，停止電機的運行，同時將setbaojing置1，使報警程序運行。

　　3.7 記時任務

　　記時任務主要是為系統(tǒng)提供一個同步時鐘，為系統(tǒng)提供同步運行的基準。

　　3.8 液晶顯示任務

　　液晶顯示任務主要由主控制程序、報警程序、流量控制程序、電池電量檢測程序傳遞到消息隊列中的參數。通過運行顯示程序，在液晶上顯示相關的漢字和字符，本身不向其它任務發(fā)送命令。

　　3.9 電池電量檢測任務

　　一旦發(fā)生220VAC市電斷電的情況，營養(yǎng)泵會立刻自動切換到內置的鋰電池供電，電池可以連續(xù)使用12小時以上。電池電量檢測程序會自動運行，檢測電池的電量。在電量低的情況，電池電量檢測程序會發(fā)出報警信號，但不會主動停止系統(tǒng)的運行。

　　4 試驗數據

　　用本文所述的智能腸營養(yǎng)液泵對目前市場上常用的幾種營養(yǎng)袋進行實驗。

　　以上實驗數據表明，本智能腸營養(yǎng)液泵的輸液量精度遠遠高于目前市場上10%的通用標準，并且對各種品牌的營養(yǎng)液袋都能控制在足夠的精度范圍內。

　　結語

　　在腸營養(yǎng)液泵的設計中，使用了Small TROS51，大大簡化了程序設計的難度，增強了系統(tǒng)的可靠性和安全性，滿足系統(tǒng)實時性要求。本設計達到了國家標準，并且已經在臨庫中開始使用。