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隨著人類對健康越來越重視，醫(yī)藥行業(yè)將成為21世紀最具增長潛力的行業(yè)之一。醫(yī)藥行業(yè)的快速發(fā)展，不僅依靠于高超的醫(yī)療技術(shù)，也得益于醫(yī)療機械的快速發(fā)展。當前，隨著工業(yè)自動化技術(shù)的不斷發(fā)展，制藥企業(yè)對制藥設(shè)備制造業(yè)提出了很高的要求，對制藥生產(chǎn)線的裝瓶和計數(shù)精度提出了嚴格的要求。自動裝瓶的工作過程是將空藥瓶轉(zhuǎn)移到自動計數(shù)機上。精確計數(shù)后，藥瓶將被轉(zhuǎn)移到標簽和棉塞上，最后被送至自動封蓋過程以進行瓶蓋密封。在整條裝瓶、包裝自動化生產(chǎn)過程中，除了自動計數(shù)之后，其他的自動工序效率以及準確率都是比較高的，因此，自動計數(shù)數(shù)粒機是整條包裝生產(chǎn)過程中關(guān)鍵環(huán)節(jié)和關(guān)鍵設(shè)備。而且，對于藥品企業(yè)來說，藥品的質(zhì)量至關(guān)重要，人工計數(shù)裝瓶的低效檢測工作不但違反了GMP標準還不利用藥品企業(yè)的全面長遠發(fā)展。因此，本設(shè)計在滿足《制藥裝備》行業(yè)標準的情況下，使用單片機和FGGA構(gòu)成雙核控制器技術(shù)，在達到衛(wèi)生標準的前提下，提高藥品裝瓶的準確率和速度。

一、現(xiàn)有數(shù)粒機計數(shù)方法及關(guān)鍵技術(shù)

目前，藥品的計數(shù)方法通常采用光電計數(shù)。近幾年，隨著計算機技術(shù)與單片機、FPGA技術(shù)的融合發(fā)展，通過單片機、FPGA技術(shù)等加快藥品計數(shù)的速度，再輔助計算機觸摸屏技術(shù)對計數(shù)的數(shù)據(jù)進行分析處理，可以極大地減輕相關(guān)科研人員的工作量，提高檢測精度。MagillPJ引入了先進的小型光電計數(shù)系統(tǒng)，使其具有自動增益控制的優(yōu)點，具有穩(wěn)定的頻率調(diào)節(jié)光并能抵抗各種干擾，保證了整個系統(tǒng)的準確性。TroupGJ在兩個獨立理想的激光模式計算其強度概率分布和聲子計數(shù)分布，相比之前的方法該方法的計數(shù)準確了得到了提升。ChenY采用自調(diào)節(jié)能力和高靈敏度的程控自動補償功能使窄脈沖間隔和雙光子峰減小，達到了計數(shù)效率的提高。CooperEB用光電設(shè)備對移動的物品進行計數(shù)并根據(jù)顏色對其進行分類。曲興華等利用激光器和光電管設(shè)計了激光光電傳感器，在線式光電自動計數(shù)儀，能對激光光源進行縮束準直，解決了小工件計數(shù)的難點。綜上所述，基于光電式數(shù)粒技術(shù)目前使用研究方法教多、表達類型多，更能很好的達到計數(shù)準確和穩(wěn)定，因而成為當前的研究熱點。為了提高數(shù)粒機系統(tǒng)的計數(shù)準確度和計數(shù)速度，本論文提出基于FPGA的雙層光電數(shù)粒機計數(shù)系統(tǒng)。

二、雙層光電計數(shù)數(shù)粒機的工作原理

雙層光電計數(shù)數(shù)粒機包括光電發(fā)射模塊和光電接收模塊，其中光電發(fā)射板模塊在設(shè)計上實現(xiàn)兩組同板，光電接收板模塊在設(shè)計上實現(xiàn)兩組異板。根據(jù)要檢測藥品的最小直徑，通過模擬測試調(diào)整光電發(fā)射模塊和光電接收模塊之間的聯(lián)系，最后確定每個通道電眼采集寬度。在設(shè)計上，電眼模塊中的接收模塊和控制模塊設(shè)計在一起，同時為了簡化電路的設(shè)計，節(jié)省硬件資源，并在硬件上改變以往數(shù)字電路的冗雜設(shè)計方式，改用CPLD集中處理，并行處理數(shù)據(jù)。控制信號的輸出和檢測信號的輸入同步進行，由電眼控制模塊上的CPLD的I/O口進行信息采集，整理，把藥粒通過上下的時間，與通過時間，經(jīng)過計算與整形轉(zhuǎn)換為bit的單線信號傳輸?shù)街骺刂颇K，由主控制模塊上的FPGA通過消隱延時進行計算，通過查表等方式計算出藥粒的狀態(tài)，數(shù)量，直徑，延時插板時間進行二次數(shù)據(jù)整合，最終確定每個電眼模塊的工作狀態(tài)，記錄下落藥品的數(shù)量同時控制插板氣缸與踢廢信號，同時負責與上位機通訊，傳出必要的上位機信號和上位機的設(shè)置所用數(shù)據(jù)。在計數(shù)中剔廢藥瓶是根據(jù)藥品通過上層光電時間、通過下層光電時間，通過上下光電之間距離的時間，先通過上下通過時間計算出初速度，再計算出上通過速度與下通過速度，速度*時間計算出上檢測藥丸直徑和下檢測藥丸直徑，在合乎標準時取平均值給出計算藥丸直徑，否擇給出踢廢信號。

三、系統(tǒng)電路設(shè)計

3.1主控核心模塊。系統(tǒng)的主控核心模塊是以單片機和FPGA進行的，主要接收雙層光電檢測模塊的數(shù)據(jù)并進行處理，同時還與上位機進行通信，將所計的藥品數(shù)量結(jié)果發(fā)送到上位機中，隨時掌握藥品的數(shù)量。主控核心模塊還要能夠設(shè)定計數(shù)標準參數(shù)和設(shè)備的工作模式。經(jīng)驗證分析，最終選擇了采用型號為STC8A8K64SA12的單片機和型號為EP3C5E144C8N的FPGA為核心，建立一個基于計算機總線的雙核控制系統(tǒng)。

3.2光電發(fā)射模塊。該系統(tǒng)共有6個通道光電發(fā)射模塊，以其中一個通道的光電發(fā)射模塊進行舉例說明。光電發(fā)射模塊的設(shè)計工作方式是動態(tài)掃描工作方式，每個通道選用四個波長為940nm的LED紅外線發(fā)射發(fā)光二極管為檢測光源，雖然每個紅外線發(fā)射發(fā)光二極管都是一個獨立的個體，但是四個紅外線發(fā)射發(fā)光二極管輪流動態(tài)掃描構(gòu)成一組發(fā)射光源指令。而且在電路設(shè)計中采用6個COS/MOS反相器構(gòu)成的CC4069芯片對采集到的信號進行濾波。單通道的光電發(fā)射板局部原理圖如圖1所示。其余6個通道類相同。在設(shè)計光電發(fā)射模塊時，兩兩相鄰?fù)ǖ赖墓怆姲l(fā)射模塊是串聯(lián)連接的，例如一通道的第一號紅外線發(fā)射發(fā)光二極管與二通道的第一號紅外線發(fā)射發(fā)光二極管相連接，它們共同由一個三極管控制。這樣的硬件設(shè)計可以節(jié)約主控模塊I/O口的適應(yīng)，并降低對硬件設(shè)計的要求為制作電路板提供方便。

3.3光電接收模塊。光電接收模塊屬于雙層光電檢測模塊的感應(yīng)裝置，其采用的工作方式是數(shù)字式動態(tài)掃描。光電接收模塊的作用是將每個光敏接收管接收到的工作形式與狀態(tài)及時的反應(yīng)到主控核心模塊中，并通過觸摸顯示屏反饋給工作人員。光電接收模塊的接收控制芯片采用CPLD，并且一塊光電接收模塊需要144個0603－T0.6光敏接收管。接收控制芯片直接對0603－T0.6光敏接收管接收到的信號進行采集與整理，并通過單片機的I/O接口將整理的信號傳輸?shù)街骺啬KFPGA中，完成對藥品顆粒的計數(shù)工作。一塊光電接收板模塊局部如圖2所示。

四、系統(tǒng)調(diào)試與檢測

4.1系統(tǒng)調(diào)試。調(diào)試雙層光電檢測系統(tǒng)即調(diào)試光電發(fā)射模塊和光電接收模塊，光電發(fā)射模塊和光電接收模塊要盡量對齊，如果出現(xiàn)偏差會造成光敏接收管無法接收到紅外光，將會造成計數(shù)不準確。為了解決此問題，在計數(shù)之前，要盡可能對齊光電發(fā)射模塊和光電接收模塊。在每一組安裝之前要重新核對程序參數(shù)數(shù)據(jù)，并在安裝的過程中注意電路板的安裝與焊接，避免出現(xiàn)短路情況。

4.2系統(tǒng)檢測。第一組實現(xiàn)用圓形鐵珠代替藥片，檢測雙層光電檢測系統(tǒng)計數(shù)的準確性。我們以為50粒大小相等的鐵珠隨機投入到通道中，進行6次計數(shù)實驗，記錄每次實驗數(shù)據(jù)，記錄表1中。根據(jù)表1中實驗數(shù)據(jù)，通過主控顯示板上的計數(shù)數(shù)值進行統(tǒng)計，將得到每次計數(shù)的結(jié)果。其中第1次與第5次計數(shù)結(jié)果不準確，其余均正確。顯然，本系統(tǒng)設(shè)計的雙層光電計數(shù)系統(tǒng)能達到較好的結(jié)果。

五、總結(jié)

光電計數(shù)模組是數(shù)粒機的核心部件，是藥品生產(chǎn)流程中不可分割的一部分。本論文提出的雙層光電計數(shù)模塊將兩層光電計數(shù)配合使用，運用FPGA對數(shù)據(jù)進行處理，縮小PCB板面積，節(jié)約空間。采用紅外LED發(fā)射管掃描方式檢測光源，提高了產(chǎn)品的使用壽命，降低了生產(chǎn)過程中維護成本。

作者:杜翊銘 單位:佳木斯大學