一种内存交互式通信在牙科治疗机中的应用

随着人们生活水平的不断提高, 口腔健康越来越受到人们的关注。多功能牙科治疗机也顺应时代要求向着数字化、智能化、多样化的方向发展。牙科综合治疗机是一款综合了气、水、电3 种必需元素的牙科治疗仪器。从电控结构上可分为：地箱控制、侧箱控制、脚踏控制、器械盘控制、照明灯控制、显示屏、左按键板、右按键板等模块。多功能的实现离不开多模块的配合。基于模块化的结构特点，所以大部分牙科治疗机都选用总线方式。

1 适用于牙科治疗机的总线分析

总线技术发展历史悠久，技术成熟，已经在工业领域大量应用，比如汽车、计算机、PLC、自动化工厂等[1]。综合牙科治疗机本身的结构和应用特点，可选用常用几种总线，如表1 所示。

对比3 种通信方式：CAN 总线通信速度快，抗干扰强，但是成本较高；IIC 总线通信速度稍快，成本低廉，但是抗干扰性差，在实际应用中，极易受到周围电磁波干扰，引起误动作；RS485 通信抗干扰性强，成本低廉，但随着丛机增加，在一对多点通信时通信速度逐步降低（S/N），造成操作反应不灵活，延迟大^[1]。

综上所述，本文提出一种内存交互的通信方式，以解决RS485 总线随着从机增加通信速度递减的问题。从理论上分析，其通信速度不会因为从机的增加而递减，解决了通信速度问题，再结合RS485 通信抗扰性强和价格低廉的特性，特别适用于牙科治疗机及类似设备。

图1 拓扑结构

2 内存交互的通信方式

2.1 交互式通信的拓扑结构图

通信拓扑结构设计为环形结构，每个节点采用双串口设计，一进一出。从图1 拓扑结构可见，主机和模块1、模块1 和模块2 等两个模块之间都独占通信通道，有助于快速交互内存数据。其通信速度可以保持主机和模块1 的速度，而不会因为增加模块而变慢。

另外，选用环形结构可以增加通信的稳定性。因为在设备使用过程中，难免会出现模块损坏和通信线损坏的情况。在非闭环结构情况下，如果某个模块损坏或者该模块通信线不正常，那么它后面的模块都将通信失败。环形结构可以结合程序做自适应分析，如果某个模块通信失败，就没有返回成功的标志给下一个模块和主机。那么，后面的模块和主机则翻转通信顺序。主机通信口2 由以前的从机接收数据变成主机发送数据，逆向通信至通信失败的模块。这样，主机可以因有两个通信端口、两条通信路径而保证通信畅通。并且可通过显示屏通知用户哪个通信节点出现故障，在设备空闲时候进行设备检修。

2.2 交互式通信的协议层

通信协议主要使用内存交互的概念，主机到从机1、从机1 到从机N 之间快速交互内存数据。由于数据的快速交互，主机就可以把从机的数据看作内部数据。从机I/O 点也可以被看作在主机内部。根据治疗机的设备特性，可以规划为10 个节点，每个节点8 个字节，需要读取和输出两组数据，再加上通信控制状态的16 个字节，共需要176 个字节。节点的个数和节点的字节数需要根据实际情况设定。具体的模块内数字量输入、输出和模拟量的个数可以根据设计需要进行分配。数据协议如图2，分为输出数据和输入数据两个部分。

2.3 交互式通信的速率估算

通信速率可以按照主机和模块1 的速率估算。通信串口设定为波特率为192 00 bit/s，1 个起始位，1 个停止位，8 个数据位^[2]。那么，每秒最多传输的字节数为19 200/10=1 920 个。每次通信的字节数是88 个，每秒的通信次数为1 920/88=21.81。每次通信的时间是1 000/21.81=45 ms。考虑到通信之间的必要延迟时间30 ms，1 次完整通信时间是45+30=75 ms。那么，每秒可以完整通信13.33 次，因而可以实现0.075 s 的刷新率。如果波特率设定为57 600 bit/s，则可以实现0.045 s 的刷新率，内存刷新率不到0.1 s，因此完全可以满足一般设备控制需要。

2.4 交互式通信的硬件层

硬件层实现方式可以是RS485、RS232 和TTL 串口，可以根据不同的设备特点，要求的通信距离和抗干扰强度不同选用。

2.4.1 带保护的RS485电路设计

如图3 所示，V7 整流桥和V6/V8 稳压管组成高压吸收网络，吸收通信中的高压干扰，保护通信电路。

2.4.2 带保护的RS232电路设计

如图4 所示，利用V2/V3 和V4/V5 双路共阴极稳压管进行ESD 保护。L3/L4/L6/L6 磁珠用来抑制信号线上的高频噪声和尖峰干扰。R55/R56/R57/R58 电阻用来限流，保护通信口免受大电流冲击。

2.4.3 带保护的TTL串口电路设计

如图5 所示，利用D8/D9 双路二极管将电压限制在安全范围。TX 发送端使用U9 双路与门将电压提升到5 V，并隔离CPU。D5 二极管也对RX 输入进行隔离，以阻止高压输入，也可将电压降到3.3 V，起到很好的隔离保护作用。

3 软件设计

由于物理层实现都是采用通用成熟的通信方式，并且增加了保护电路，确保了通信硬件的稳定性。所以，软件协议层的开发也必须要保证逻辑的严谨性，才能保障通信的顺畅。有必要的容错处理才能使通信拥有较强的抗干扰性。软件分为主机和从模块两种。主机的主要功能是2 个串口通信，分别为主端口、从端口，数据流从主端口发送，经各个从模块再回到从端口。根据从模块的状态，主机判定从模块是否通信故障，详情参见图6。从模块主要通信功能也是2 个串口通信，但是和主机有所不同，它从上一个模块得到的数据，加上从模块自身的数据，然后送给下一个模块。经反复推敲的软件流程如图7 所示。

图3 RS485电路设计

图4 RS232电路设计

图5 带保护的TTL串口电路设计

4 结束语

内存交互通信方式综合利用了RS485 通信抗干扰强、成本低廉的优点，解决了一对多点通信时通信速率递减的问题。结合了多功能牙科治疗机控制单元分散的特点，使得设计的控制系统稳定性高、成本低；也使产品在市场化竞争中拥有性能和价格的双重优势。该方案实现了众多设备长期稳定的运行，使理论设计得到了实践的验证。

参考文献：

[1] 樊昌信.通信原理[M].北京:国防工业出版社,2006.

[2] 刘军.例说STM32[M].北京:北京航空航天大学出版社,2011.

（本文来源于《电子产品世界》杂志2021年5月期）