介紹了一種醫用自動輸液器的設計方案，該輸液器以德州儀器的MSO430系列單片機為控制芯片，配有顯示模塊、輸液泵驅動模塊和鍵控模塊等。該設計方案整機結構新穎，體積小，耗電少，操作方便，使用安全可靠。
１ 引言
對于需要自助式護理的病人來說，尤其是由于手術后、晚期癌癥、分娩等原因所導致的慢性疼痛的病人，往往需要一種可以由病人自己操作、自動定時、定量向病人進行輸液的智能型自動輸液器，以達到治療和鎮痛的目的。為此，筆者設計了一種便攜式醫用自動輸液器，該儀器采用電池作為供電電源，并具有功耗小、體積小、重量輕等特點，可滿足便攜式需要。此外，該儀器使用安全可靠、計量準確、自動化程度高，可適應現代醫學發展的要求。該自動輸液器的主要功能如下：
(１)可根據要求設定滴數、輸液總量及藥液總量等參數。
(２)隨時可改變原設定參數，并可以在運行時隨時暫停輸液。
(３)不同的使用者可以有自己的一套運行參數，并可通過密碼進入自己的設定環境。
(４)帶有ＬＣＤ顯示，可實時察看所用藥液及藥液剩余量。
(５)自動檢測流速，在輸液異常或輸液結束時，可自動停止輸液并進行聲光提示。
(６)藥液用完自動發出換液信號，在換液期間禁止所有操作。
(７)重要的操作均由兩個組合鍵來完成，可防止誤操作，安全可靠。
(８)在第一次使用之前能夠快速排空輸液管中的空氣。
２ 硬件設計
ＭＳＰ４３０系列單片機是ＴＩ公司近期推出的１６位系列單片機。該系列是一組超低功耗的微控制器，供電電壓范圍為１．８～３．６Ｖ，特別適用于長期使用電池工作的場合。由于其具有１６位ＲＩＳＣ結構、１６位寄存器和常數發生器，因而ＭＳＰ４３０ 系列單片機具有最大的代碼效率。考慮到本設計有低功耗、小體積的要求，所以，選用了ＭＳＰ４３０Ｆ１１２１型單片機芯片。該芯片特有的ＦＬＡＳＨ 存儲器在系統設計、開發調試及實際應用上都表現出較明顯的優點。ＭＳＰ４３０Ｆ１１２１內部有一個數控振蕩器（ＤＣＯ）和一個晶體振蕩器，帶有３個捕獲／比較寄存器的１６位定時器ＴＩＭＥＲ－Ａ、一個看門狗定時器 Ｗａｔｃｈｄｏｇ Ｔｉｍｅｒ－Ａ、一個模擬比較器 Ｃｏｍｐａｒａｔｏｒ－Ａ 和１２個Ｉ／Ｏ 口（每位均有獨立的中斷能力，可獨立控制），另外，還具有４ｋＢ＋２５６字節的ＦＬＡＳＨ ＲＯＭ和２５６字節的ＲＡＭ存儲空間，因此在整個硬件電路上無須外加程序存儲器。當單片機處于閑置狀態時，可以使其處于睡眠狀態以降低功耗，并可通過選擇４種工作模式來使其最低功耗幾乎為零。其功耗低，體積小，功能強大的特點使其特別適用于便攜式電池供電的儀器設計。
本輸液器的電路結構原理框圖如圖１所示，它由電源電路、輸液泵驅動、液晶顯示驅動、按鍵控制等電路組成。
２．１ 電源電路
整個電路由四節電池供電，除了可以用電池供電外，還可以通過直流輸入端由小型變壓器供電，以滿足在室內及走動等不同場合的需要。由于ＴＩ單片機的供電電壓比其它模塊的要低（只有３．６Ｖ），因此可選擇Ｌ３１Ａ作為ＭＳＰ４３０Ｆ１１２１的穩壓芯片。為保證輸液正常，電源電路中還配有電池電量檢測裝置，以便在電池電量比較低、可能會影響到正常輸液的情況下及時報警，以提醒更換電池。因此，利用單片機ＭＳＰ４３０Ｆ１１２１內置比較器模塊的特點，即可不用外加專門的電池檢測芯片，而只需兩個電阻就可以完成此功能。
２．２ 鍵控模塊
出于對醫療儀器安全可靠的考慮，為防止按鍵的誤動帶來的不安全因素，一些主要的按鍵操作都是用組合鍵的形式完成的，即只有特定的兩個鍵被同時按下時才能生效。這樣，完成所有的操作一共只需要四個鍵。考慮到單片機的Ｉ／Ｏ口資源比較豐富，而且每個Ｉ／Ｏ口均有獨立的中斷能力，因此，４個鍵可直接接到單片機的Ｉ／Ｏ口上，并通過中斷方式由ＣＰＵ來響應。由于硬件電路比較簡單，與之對應的軟件也大大簡化。另外，為了提高整機的安全性能，該裝置還配有由于異常情況造成的流速過快而產生的壓力超標及藥液袋的外圍保護殼被打開的報警裝置，報警的同時停止輸液，禁止所有操作。
２．３ 顯示模塊
液晶顯示器采用的是ＰＨＩＬＩＰＳ公司的具有Ｉ２Ｃ總線的低功耗ＬＣＤ驅動器ＰＣＦ８５７６，該芯片有４０個段輸出和４個背極輸出，可完成１６０個段的ＬＣＤ顯示。ＰＣＦ８５７６的二總線Ｉ２Ｃ數據傳輸結構可使其與微控制器的連線減至最低，從而最大限度地減少顯示系統的開銷。ＰＣＦ８５７６的使用可參看有關資料。
２．４ 泵驅動模塊
本系統用的輸液泵驅動模塊由兩相４線式步進電機和泵體組成。由于輸液要求計量準確、可靠，因而選用步進電機作為動力裝置。步進電機是一種可以把脈沖激勵的變化轉換成精確轉子位置增量運動的執行機構，它可將脈沖信號變成電機相應角位移的機械量，從而通過控制脈沖的個數來控制電機轉動的時間，并通過改變脈沖的頻率控制電機運轉的速度。由電機驅動泵體的凸輪機構循環壓縮膠管，從而實現輸液功能。為了讓輸液泵安全、可靠地工作，并且從簡化硬件電路的角度出發，步進電機的運行并不是由單片機來驅動達林頓管直接控制的，而是通過兩根控制線對步進電機的驅動模塊進行間接控制，并分別實現啟動與控制。這里的步進電機驅動芯片選用的是ＭＯＯ８３３５。啟動信號用于啟動步進電機，而運轉時間和停止時間則由控制信號控制。本儀器輸液的速度是通過步進電機停、轉時間的不同來控制的，因為步進電機在整個運行期間，其轉速可以保持恒定。
３ 軟件設計
ＭＳＰ４３０的內核結構采用具有高透明格式的精簡指令集（ＲＩＳＣ）設計。指令分為硬件實現的內核指令和利用這一硬件結構的具有更高效率的模擬指令，使用起來非常方便。在本系統中，單片機完成初始化任務（設置標志位，設置定時器，比較器，看門狗的工作方式）后，就進入低功耗睡眠狀態，任一中斷均可將其喚醒，轉而執行相應的子程序。單片機的大多數操作都采用中斷方式。整個程序流程如圖２所示。
４ 結束語
在設計便攜式醫用自動輸液器時，由于選用了超低功耗的ＭＳＰ４３０單片機作為控制芯片而且其它的外圍芯片功耗也很低，同時在軟件設計中也充分采用了ＭＳＰ４３０的多種節能工作方式，從而使得整機在工作中的功耗很小，可完全滿足電池供電的要求。此外，由于ＭＳＰ４３０單片機功能強大，外圍芯片數目少，而且所有的元器件均選擇貼片式，從而大大地減小了儀器的體積。該設計通過單片機驅動步進電機控制藥液的輸出速度，這使得注射速度更加均勻、輸液精度更高，定時、定量準確、自動化程度也更高，因此可以達到在醫院及家庭臨床上使用的要求。目前該智能輸液器已在臨床上得到了應用。