一種內(nèi)存交互式通信在牙科治療機(jī)中的應(yīng)用

隨著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(jī)也順應(yīng)時(shí)代要求向著數(shù)字化、智能化、多樣化的方向發(fā)展。牙科綜合治療機(jī)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(jié)構(gòu)上可分為：地箱控制、側(cè)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(xiàn)離不開(kāi)多模塊的配合?；谀K化的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，所以大部分牙科治療機(jī)都選用總線方式。

1   適用于牙科治療機(jī)的總線分析

總線技術(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(yīng)用，比如汽車、計(jì)算機(jī)、PLC、自動(dòng)化工廠等[1]。綜合牙科治療機(jī)本身的結(jié)構(gòu)和應(yīng)用特點(diǎn)，可選用常用幾種總線，如表1 所示。

對(duì)比3 種通信方式：CAN 總線通信速度快，抗干擾強(qiáng)，但是成本較高；IIC 總線通信速度稍快，成本低廉，但是抗干擾性差，在實(shí)際應(yīng)用中，極易受到周圍電磁波干擾，引起誤動(dòng)作；RS485 通信抗干擾性強(qiáng)，成本低廉，但隨著叢機(jī)增加，在一對(duì)多點(diǎn)通信時(shí)通信速度逐步降低（S/N），造成操作反應(yīng)不靈活，延遲大^[1]。

綜上所述，本文提出一種內(nèi)存交互的通信方式，以解決RS485 總線隨著從機(jī)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?yàn)閺臋C(jī)的增加而遞減，解決了通信速度問(wèn)題，再結(jié)合RS485 通信抗擾性強(qiáng)和價(jià)格低廉的特性，特別適用于牙科治療機(jī)及類似設(shè)備。

圖1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2   內(nèi)存交互的通信方式

2.1 交互式通信的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

通信拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為環(huán)形結(jié)構(gòu)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)采用雙串口設(shè)計(jì)，一進(jìn)一出。從圖1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可見(jiàn)，主機(jī)和模塊1、模塊1 和模塊2 等兩個(gè)模塊之間都獨(dú)占通信通道，有助于快速交互內(nèi)存數(shù)據(jù)。其通信速度可以保持主機(jī)和模塊1 的速度，而不會(huì)因?yàn)樵黾幽K而變慢。

另外，選用環(huán)形結(jié)構(gòu)可以增加通信的穩(wěn)定性。因?yàn)樵谠O(shè)備使用過(guò)程中，難免會(huì)出現(xiàn)模塊損壞和通信線損壞的情況。在非閉環(huán)結(jié)構(gòu)情況下，如果某個(gè)模塊損壞或者該模塊通信線不正常，那么它后面的模塊都將通信失敗。環(huán)形結(jié)構(gòu)可以結(jié)合程序做自適應(yīng)分析，如果某個(gè)模塊通信失敗，就沒(méi)有返回成功的標(biāo)志給下一個(gè)模塊和主機(jī)。那么，后面的模塊和主機(jī)則翻轉(zhuǎn)通信順序。主機(jī)通信口2 由以前的從機(jī)接收數(shù)據(jù)變成主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，逆向通信至通信失敗的模塊。這樣，主機(jī)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)顯示屏通知用戶哪個(gè)通信節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障，在設(shè)備空閑時(shí)候進(jìn)行設(shè)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(nèi)存交互的概念，主機(jī)到從機(jī)1、從機(jī)1 到從機(jī)N 之間快速交互內(nèi)存數(shù)據(jù)。由于數(shù)據(jù)的快速交互，主機(jī)就可以把從機(jī)的數(shù)據(jù)看作內(nèi)部數(shù)據(jù)。從機(jī)I/O 點(diǎn)也可以被看作在主機(jī)內(nèi)部。根據(jù)治療機(jī)的設(shè)備特性，可以規(guī)劃為10 個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)8 個(gè)字節(jié)，需要讀取和輸出兩組數(shù)據(jù)，再加上通信控制狀態(tài)的16 個(gè)字節(jié)，共需要176 個(gè)字節(jié)。節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)和節(jié)點(diǎn)的字節(jié)數(shù)需要根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定。具體的模塊內(nèi)數(shù)字量輸入、輸出和模擬量的個(gè)數(shù)可以根據(jù)設(shè)計(jì)需要進(jìn)行分配。數(shù)據(jù)協(xié)議如圖2，分為輸出數(shù)據(jù)和輸入數(shù)據(jù)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(jī)和模塊1 的速率估算。通信串口設(shè)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(shù)據(jù)位^[2]。那么，每秒最多傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)為19 200/10=1 920 個(gè)。每次通信的字節(jié)數(shù)是88 個(gè)，每秒的通信次數(shù)為1 920/88=21.81。每次通信的時(shí)間是1 000/21.81=45 ms。考慮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(xiàn)0.075 s 的刷新率。如果波特率設(shè)定為57 600 bit/s，則可以實(shí)現(xiàn)0.045 s 的刷新率，內(nèi)存刷新率不到0.1 s，因此完全可以滿足一般設(shè)備控制需要。

2.4 交互式通信的硬件層

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

2.4.1 帶保護(hù)的RS485電路設(shè)計(jì)

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

2.4.2 帶保護(hù)的RS232電路設(shè)計(jì)

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

2.4.3 帶保護(hù)的TTL串口電路設(shè)計(jì)

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(duì)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(hù)作用。

3   軟件設(shè)計(jì)

由于物理層實(shí)現(xiàn)都是采用通用成熟的通信方式，并且增加了保護(hù)電路，確保了通信硬件的穩(wěn)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(yán)謹(jǐn)性，才能保障通信的順暢。有必要的容錯(cuò)處理才能使通信擁有較強(qiáng)的抗干擾性。軟件分為主機(jī)和從模塊兩種。主機(jī)的主要功能是2 個(gè)串口通信，分別為主端口、從端口，數(shù)據(jù)流從主端口發(fā)送，經(jīng)各個(gè)從模塊再回到從端口。根據(jù)從模塊的狀態(tài)，主機(jī)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(jī)有所不同，它從上一個(gè)模塊得到的數(shù)據(jù)，加上從模塊自身的數(shù)據(jù)，然后送給下一個(gè)模塊。經(jīng)反復(fù)推敲的軟件流程如圖7 所示。

圖3 RS485電路設(shè)計(jì)

圖4 RS232電路設(shè)計(jì)

圖5 帶保護(hù)的TTL串口電路設(shè)計(jì)

4   結(jié)束語(yǔ)

內(nèi)存交互通信方式綜合利用了RS485 通信抗干擾強(qiáng)、成本低廉的優(yōu)點(diǎn)，解決了一對(duì)多點(diǎn)通信時(shí)通信速率遞減的問(wèn)題。結(jié)合了多功能牙科治療機(jī)控制單元分散的特點(diǎn)，使得設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)穩(wěn)定性高、成本低；也使產(chǎn)品在市場(chǎng)化競(jìng)爭(zhēng)中擁有性能和價(jià)格的雙重優(yōu)勢(shì)。該方案實(shí)現(xiàn)了眾多設(shè)備長(zhǎng)期穩(wěn)定的運(yùn)行，使理論設(shè)計(jì)得到了實(shí)踐的驗(yàn)證。

參考文獻(xiàn)：

[1] 樊昌信.通信原理[M].北京:國(guó)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）