一種內存交互式通信在牙科治療機中的應用

隨著(zhù)人們生活水平的不斷提高, 口腔健康越來(lái)越受到人們的關(guān)注。多功能牙科治療機也順應時(shí)代要求向著(zhù)數字化、智能化、多樣化的方向發(fā)展。牙科綜合治療機是一款綜合了氣、水、電3 種必需元素的牙科治療儀器。從電控結構上可分為：地箱控制、側箱控制、腳踏控制、器械盤(pán)控制、照明燈控制、顯示屏、左按鍵板、右按鍵板等模塊。多功能的實(shí)現離不開(kāi)多模塊的配合?；谀K化的結構特點(diǎn)，所以大部分牙科治療機都選用總線(xiàn)方式。

1   適用于牙科治療機的總線(xiàn)分析

總線(xiàn)技術(shù)發(fā)展歷史悠久，技術(shù)成熟，已經(jīng)在工業(yè)領(lǐng)域大量應用，比如汽車(chē)、計算機、PLC、自動(dòng)化工廠(chǎng)等[1]。綜合牙科治療機本身的結構和應用特點(diǎn)，可選用常用幾種總線(xiàn)，如表1 所示。

對比3 種通信方式：CAN 總線(xiàn)通信速度快，抗干擾強，但是成本較高；IIC 總線(xiàn)通信速度稍快，成本低廉，但是抗干擾性差，在實(shí)際應用中，極易受到周?chē)姶挪ǜ蓴_，引起誤動(dòng)作；RS485 通信抗干擾性強，成本低廉，但隨著(zhù)叢機增加，在一對多點(diǎn)通信時(shí)通信速度逐步降低（S/N），造成操作反應不靈活，延遲大^[1]。

綜上所述，本文提出一種內存交互的通信方式，以解決RS485 總線(xiàn)隨著(zhù)從機增加通信速度遞減的問(wèn)題。從理論上分析，其通信速度不會(huì )因為從機的增加而遞減，解決了通信速度問(wèn)題，再結合RS485 通信抗擾性強和價(jià)格低廉的特性，特別適用于牙科治療機及類(lèi)似設備。

圖1 拓撲結構

2   內存交互的通信方式

2.1 交互式通信的拓撲結構圖

通信拓撲結構設計為環(huán)形結構，每個(gè)節點(diǎn)采用雙串口設計，一進(jìn)一出。從圖1 拓撲結構可見(jiàn)，主機和模塊1、模塊1 和模塊2 等兩個(gè)模塊之間都獨占通信通道，有助于快速交互內存數據。其通信速度可以保持主機和模塊1 的速度，而不會(huì )因為增加模塊而變慢。

另外，選用環(huán)形結構可以增加通信的穩定性。因為在設備使用過(guò)程中，難免會(huì )出現模塊損壞和通信線(xiàn)損壞的情況。在非閉環(huán)結構情況下，如果某個(gè)模塊損壞或者該模塊通信線(xiàn)不正常，那么它后面的模塊都將通信失敗。環(huán)形結構可以結合程序做自適應分析，如果某個(gè)模塊通信失敗，就沒(méi)有返回成功的標志給下一個(gè)模塊和主機。那么，后面的模塊和主機則翻轉通信順序。主機通信口2 由以前的從機接收數據變成主機發(fā)送數據，逆向通信至通信失敗的模塊。這樣，主機可以因有兩個(gè)通信端口、兩條通信路徑而保證通信暢通。并且可通過(guò)顯示屏通知用戶(hù)哪個(gè)通信節點(diǎn)出現故障，在設備空閑時(shí)候進(jìn)行設備檢修。

2.2 交互式通信的協(xié)議層

通信協(xié)議主要使用內存交互的概念，主機到從機1、從機1 到從機N 之間快速交互內存數據。由于數據的快速交互，主機就可以把從機的數據看作內部數據。從機I/O 點(diǎn)也可以被看作在主機內部。根據治療機的設備特性，可以規劃為10 個(gè)節點(diǎn)，每個(gè)節點(diǎn)8 個(gè)字節，需要讀取和輸出兩組數據，再加上通信控制狀態(tài)的16 個(gè)字節，共需要176 個(gè)字節。節點(diǎn)的個(gè)數和節點(diǎn)的字節數需要根據實(shí)際情況設定。具體的模塊內數字量輸入、輸出和模擬量的個(gè)數可以根據設計需要進(jìn)行分配。數據協(xié)議如圖2，分為輸出數據和輸入數據兩個(gè)部分。

2.3 交互式通信的速率估算

通信速率可以按照主機和模塊1 的速率估算。通信串口設定為波特率為192 00 bit/s，1 個(gè)起始位，1 個(gè)停止位，8 個(gè)數據位^[2]。那么，每秒最多傳輸的字節數為19 200/10=1 920 個(gè)。每次通信的字節數是88 個(gè)，每秒的通信次數為1 920/88=21.81。每次通信的時(shí)間是1 000/21.81=45 ms?？紤]到通信之間的必要延遲時(shí)間30 ms，1 次完整通信時(shí)間是45+30=75 ms。那么，每秒可以完整通信13.33 次，因而可以實(shí)現0.075 s 的刷新率。如果波特率設定為57 600 bit/s，則可以實(shí)現0.045 s 的刷新率，內存刷新率不到0.1 s，因此完全可以滿(mǎn)足一般設備控制需要。

2.4 交互式通信的硬件層

硬件層實(shí)現方式可以是RS485、RS232 和TTL 串口，可以根據不同的設備特點(diǎn)，要求的通信距離和抗干擾強度不同選用。

2.4.1 帶保護的RS485電路設計

如圖3 所示，V7 整流橋和V6/V8 穩壓管組成高壓吸收網(wǎng)絡(luò )，吸收通信中的高壓干擾，保護通信電路。

2.4.2 帶保護的RS232電路設計

如圖4 所示，利用V2/V3 和V4/V5 雙路共陰極穩壓管進(jìn)行ESD 保護。L3/L4/L6/L6 磁珠用來(lái)抑制信號線(xiàn)上的高頻噪聲和尖峰干擾。R55/R56/R57/R58 電阻用來(lái)限流，保護通信口免受大電流沖擊。

2.4.3 帶保護的TTL串口電路設計

如圖5 所示，利用D8/D9 雙路二極管將電壓限制在安全范圍。TX 發(fā)送端使用U9 雙路與門(mén)將電壓提升到5 V，并隔離CPU。D5 二極管也對RX 輸入進(jìn)行隔離，以阻止高壓輸入，也可將電壓降到3.3 V，起到很好的隔離保護作用。

3   軟件設計

由于物理層實(shí)現都是采用通用成熟的通信方式，并且增加了保護電路，確保了通信硬件的穩定性。所以，軟件協(xié)議層的開(kāi)發(fā)也必須要保證邏輯的嚴謹性，才能保障通信的順暢。有必要的容錯處理才能使通信擁有較強的抗干擾性。軟件分為主機和從模塊兩種。主機的主要功能是2 個(gè)串口通信，分別為主端口、從端口，數據流從主端口發(fā)送，經(jīng)各個(gè)從模塊再回到從端口。根據從模塊的狀態(tài)，主機判定從模塊是否通信故障，詳情參見(jiàn)圖6。從模塊主要通信功能也是2 個(gè)串口通信，但是和主機有所不同，它從上一個(gè)模塊得到的數據，加上從模塊自身的數據，然后送給下一個(gè)模塊。經(jīng)反復推敲的軟件流程如圖7 所示。

圖3 RS485電路設計

圖4 RS232電路設計

圖5 帶保護的TTL串口電路設計

4   結束語(yǔ)

內存交互通信方式綜合利用了RS485 通信抗干擾強、成本低廉的優(yōu)點(diǎn)，解決了一對多點(diǎn)通信時(shí)通信速率遞減的問(wèn)題。結合了多功能牙科治療機控制單元分散的特點(diǎn)，使得設計的控制系統穩定性高、成本低；也使產(chǎn)品在市場(chǎng)化競爭中擁有性能和價(jià)格的雙重優(yōu)勢。該方案實(shí)現了眾多設備長(cháng)期穩定的運行，使理論設計得到了實(shí)踐的驗證。

參考文獻：

[1] 樊昌信.通信原理[M].北京:國防工業(yè)出版社,2006.

[2] 劉軍.例說(shuō)STM32[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2011.

（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年5月期）