基于Small RTOS51的腸營(yíng)養液輸液系統

　　引言

　　隨著(zhù)各種電子系統在各個(gè)領(lǐng)域中應用的不斷深入，對電子系統本身的要求也越來(lái)越高，尤其對于控制系統軟件設計的可靠性、實(shí)時(shí)響應等各個(gè)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(wù)實(shí)時(shí)操作系統的設計思想。由于使用嵌入式操作系統，可以將具體應用分解成多個(gè)任務(wù)，簡(jiǎn)化了應用系統軟件的設計，使控制系統的實(shí)時(shí)性得到保證，使其達到理想狀態(tài)。良好的多任務(wù)設計，還有助于提高系統的穩定性和可靠性。

　　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系列單片機系統中，可以進(jìn)行移植的嵌入式操作系統為數不多。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，它對于51系列單片機系統的資源占用過(guò)大，需要外擴RAM，而且要保證每個(gè)函數的可重入性，使用起來(lái)比較勉強。Small RTOS51是專(zhuān)門(mén)為小RAM系統設計的占先式內核，占用資源少、實(shí)時(shí)性好，應用在本系統上非常合適。

　　1 系統功能及硬件描述

　　1.1 系統的功能描述

　　對于處于昏迷狀態(tài)或食道進(jìn)行手術(shù)的病人，需要一種按時(shí)、按量對病人進(jìn)行腸營(yíng)養液輸入的智能型腸營(yíng)養液輸液泵，以達到維持病人生命的目的。本文介紹的智能型腸營(yíng)養輸液泵(以下簡(jiǎn)稱(chēng)營(yíng)養泵)主要實(shí)現以下功能：

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

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

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

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

　　使用LCD顯示各種數據，隨時(shí)查看已經(jīng)輸入營(yíng)養液的數量、溫度、流量和流速;

　　營(yíng)養泵主要由220VAC供電，同時(shí)備有應急充電電池，一次充電可以連續運行12小時(shí)以上，以備醫院緊急停時(shí)使用。

　　1.2 系統的硬件描述

　　本營(yíng)養泵的電路原理框圖如圖1所示。

　　系統的主控CPU采用Philips公司的89C51RD2，實(shí)現系統的多任務(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;控制溫度的DAC采用TI公司的TLC5615，使營(yíng)養液溫度誤差達到0.1℃以?xún)?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(yíng)養液流量反饋，采用紅外線(xiàn)對管，直接由CPU記數;營(yíng)養泵電機使用直流電動(dòng)機，采用控制電機運行和停止時(shí)間的方法對轉速進(jìn)行閉環(huán)控制，以達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系列單片機設計的嵌入式實(shí)時(shí)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(diǎn)。

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

　　可移植性。用戶(hù)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為嵌入式系統設計，可以嵌入到產(chǎn)品中，成為產(chǎn)品的一部分。

　　占先式運行。Small RTOS51可以管理16個(gè)用戶(hù)任務(wù)，每個(gè)任務(wù)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(wù)。

　　中斷管理。采用中斷管理方式，當有更高級的中斷申請時(shí)，將目前正在執行的任務(wù)掛起。如果優(yōu)先級更高的任務(wù)被中斷喚醒，則高優(yōu)先級的任務(wù)在中斷嵌套結束后立刻執行。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的系統設計，因而對RAM的需求只有幾百字節，相應的系統服務(wù)也少。

　　3 系統的軟件實(shí)現

　　按照系統所要實(shí)現的功能，將整個(gè)系統劃分為幾個(gè)并行的任務(wù)，占先式操作內核對任務(wù)的調度是按照任務(wù)優(yōu)先權的高低進(jìn)行。本文中，將系統劃分為9個(gè)任務(wù)，按其優(yōu)先級從高到低的順序排列依次是：報警任務(wù)、溫控任務(wù)、按鍵輸入任務(wù)、主控制任務(wù)、電機運行任務(wù)、流量控制任務(wù)、記時(shí)任務(wù)、液晶顯示任務(wù)和電池電量檢測任務(wù)。系統上電以后進(jìn)入主程序，首先對系統進(jìn)行自檢并任務(wù)，啟動(dòng)9個(gè)程，此時(shí)系統的運行就由Small RTOS51來(lái)接管。

　　3.1 報警任務(wù)

　　由于本文所述的營(yíng)養泵，主要應用在危重病人的看護中，所以將報警任務(wù)在放在最重要的位置。報警程序由一個(gè)全局變量setbaojing來(lái)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(shí)，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(chēng)，直到有人來(lái)清除故障后，才可以正常運行。

　　3.2 溫控任務(wù)

　　由于人體對于溫度的變化非常敏感，而腸營(yíng)養液是直接輸入到人的小腸當中，所以系統對溫度的要求非常高，為此，本系統將溫控任務(wù)放在第二位。先將設定的溫度參數輸入給CPU，經(jīng)過(guò)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(yíng)養液加溫。營(yíng)養液的實(shí)際溫度，由溫度反饋電路轉換成電壓信號，再通過(guò)A/D轉換成數字信號反饋給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)現人機交互的重要設備，要求實(shí)時(shí)性較高。從系統軟件的設計角度，不僅要讀出按鍵的狀態(tài)，還需要具有對按鍵的抖動(dòng)、連擊、串鍵等特殊情況進(jìn)行處理。系統按鍵輸入任務(wù)流程如圖2所示，本任務(wù)使用消息隊列指令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)應用SmallRTOS51提供的系統函數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(jìn)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(wù)

　　電機運行任務(wù)一直處于等待的狀態(tài)，當主控制程序給它發(fā)關(guān)字相應的指令才開(kāi)始運行。在運行過(guò)程中，電機運行任務(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(wù)

　　液量控制任務(wù)主要由CPU來(lái)控制輸入營(yíng)養液的流量及流速。正常運行情況下，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)養液的數量、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)養液沒(méi)有流動(dòng)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(shí)將setbaojing置1，使報警程序運行。

　　3.7 記時(shí)任務(wù)

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

　　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(guò)運行顯示程序，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 電池電量檢測任務(wù)

　　一旦發(fā)生220VAC市電斷電的情況，營(yíng)養泵會(huì )立刻自動(dòng)切換到內置的鋰電池供電，電池可以連續使用12小時(shí)以上。電池電量檢測程序會(huì )自動(dòng)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(huì )發(fā)出報警信號，但不會(huì )主動(dòng)停止系統的運行。

　　4 試驗數據

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

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

　　結語(yǔ)

　　在腸營(yíng)養液泵的設計中，使用了Small TROS51，大大簡(jiǎn)化了程序設計的難度，增強了系統的可靠性和安全性，滿(mǎn)足系統實(shí)時(shí)性要求。本設計達到了國家標準，并且已經(jīng)在臨庫中開(kāi)始使用。