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隨著人類對健康越來越重視，醫藥行業將成為21世紀最具增長潛力的行業之一。醫藥行業的快速發展，不僅依靠于高超的醫療技術，也得益于醫療機械的快速發展。當前，隨著工業自動化技術的不斷發展，制藥企業對制藥設備制造業提出了很高的要求，對制藥生產線的裝瓶和計數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移到自動計數機上。精確計數后，藥瓶將被轉移到標簽和棉塞上，最后被送至自動封蓋過程以進行瓶蓋密封。在整條裝瓶、包裝自動化生產過程中，除了自動計數之后，其他的自動工序效率以及準確率都是比較高的，因此，自動計數數粒機是整條包裝生產過程中關鍵環節和關鍵設備。而且，對于藥品企業來說，藥品的質量至關重要，人工計數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的全面長遠發展。因此，本設計在滿足《制藥裝備》行業標準的情況下，使用單片機和FGGA構成雙核控制器技術，在達到衛生標準的前提下，提高藥品裝瓶的準確率和速度。
一、現有數粒機計數方法及關鍵技術
目前，藥品的計數方法通常采用光電計數。近幾年，隨著計算機技術與單片機、FPGA技術的融合發展，通過單片機、FPGA技術等加快藥品計數的速度，再輔助計算機觸摸屏技術對計數的數據進行分析處理，可以極大地減輕相關科研人員的工作量，提高檢測精度。MagillPJ引入了先進的小型光電計數系統，使其具有自動增益控制的優點，具有穩定的頻率調節光并能抵抗各種干擾，保證了整個系統的準確性。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分布，相比之前的方法該方法的計數準確了得到了提升。ChenY采用自調節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，達到了計數效率的提高。CooperEB用光電設備對移動的物品進行計數并根據顏色對其進行分類。曲興華等利用激光器和光電管設計了激光光電傳感器，在線式光電自動計數儀，能對激光光源進行縮束準直，解決了小工件計數的難點。綜上所述，基于光電式數粒技術目前使用研究方法教多、表達類型多，更能很好的達到計數準確和穩定，因而成為當前的研究熱點。為了提高數粒機系統的計數準確度和計數速度，本論文提出基于FPGA的雙層光電數粒機計數系統。
二、雙層光電計數數粒機的工作原理
雙層光電計數數粒機包括光電發射模塊和光電接收模塊，其中光電發射板模塊在設計上實現兩組同板，光電接收板模塊在設計上實現兩組異板。根據要檢測藥品的最小直徑，通過模擬測試調整光電發射模塊和光電接收模塊之間的聯系，最后確定每個通道電眼采集寬度。在設計上，電眼模塊中的接收模塊和控制模塊設計在一起，同時為了簡化電路的設計，節省硬件資源，并在硬件上改變以往數字電路的冗雜設計方式，改用CPLD集中處理，并行處理數據?？刂菩盘柕妮敵龊蜋z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，經過計算與整形轉換為bit的單線信號傳輸到主控制模塊，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，數量，直徑，延時插板時間進行二次數據整合，最終確定每個電眼模塊的工作狀態，記錄下落藥品的數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置所用數據。在計數中剔廢藥瓶是根據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、系統電路設計
3.1主控核心模塊。系統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據并進行處理，同時還與上位機進行通信，將所計的藥品數量結果發送到上位機中，隨時掌握藥品的數量。主控核心模塊還要能夠設定計數標準參數和設備的工作模式。經驗證分析，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。
3.2光電發射模塊。該系統共有6個通道光電發射模塊，以其中一個通道的光電發射模塊進行舉例說明。光電發射模塊的設計工作方式是動態掃描工作方式，每個通道選用四個波長為940nm的LED紅外線發射發光二極管為檢測光源，雖然每個紅外線發射發光二極管都是一個獨立的個體，但是四個紅外線發射發光二極管輪流動態掃描構成一組發射光源指令。而且在電路設計中采用6個COS/MOS反相器構成的CC4069芯片對采集到的信號進行濾波。單通道的光電發射板局部原理圖如圖1所示。其余6個通道類相同。在設計光電發射模塊時，兩兩相鄰通道的光電發射模塊是串聯連接的，例如一通道的第一號紅外線發射發光二極管與二通道的第一號紅外線發射發光二極管相連接，它們共同由一個三極管控制。這樣的硬件設計可以節約主控模塊I/O口的適應，并降低對硬件設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裝置，其采用的工作方式是數字式動態掃描。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及時的反應到主控核心模塊中，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到主控模塊FPGA中，完成對藥品顆粒的計數工作。一塊光電接收板模塊局部如圖2所示。
四、系統調試與檢測
4.1系統調試。調試雙層光電檢測系統即調試光電發射模塊和光電接收模塊，光電發射模塊和光電接收模塊要盡量對齊，如果出現偏差會造成光敏接收管無法接收到紅外光，將會造成計數不準確。為了解決此問題，在計數之前，要盡可能對齊光電發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數據，并在安裝的過程中注意電路板的安裝與焊接，避免出現短路情況。
4.2系統檢測。第一組實現用圓形鐵珠代替藥片，檢測雙層光電檢測系統計數的準確性。我們以為50粒大小相等的鐵珠隨機投入到通道中，進行6次計數實驗，記錄每次實驗數據，記錄表1中。根據表1中實驗數據，通過主控顯示板上的計數數值進行統計，將得到每次計數的結果。其中第1次與第5次計數結果不準確，其余均正確。顯然，本系統設計的雙層光電計數系統能達到較好的結果。
五、總結
光電計數模組是數粒機的核心部件，是藥品生產流程中不可分割的一部分。本論文提出的雙層光電計數模塊將兩層光電計數配合使用，運用FPGA對數據進行處理，縮小PCB板面積，節約空間。采用紅外LED發射管掃描方式檢測光源，提高了產品的使用壽命，降低了生產過程中維護成本。
作者:杜翊銘 單位:佳木斯大學