随着人类对健康越来越重视，医药行业将成为21世纪最具增长潜力的行业之一。医药行业的快速发展，不仅依靠于高超的医疗技术，也得益于医疗机械的快速发展。当前，随着工业自动化技术的不断发展，制药企业对制药设备制造业提出了很高的要求，对制药生产线的装瓶和计数精度提出了严格的要求。自动装瓶的工作过程是将空药瓶转移到自动计数机上。精确计数后，药瓶将被转移到标签和棉塞上，最后被送至自动封盖过程以进行瓶盖密封。在整条装瓶、包装自动化生产过程中，除了自动计数之后，其他的自动工序效率以及准确率都是比较高的，因此，自动计数数粒机是整条包装生产过程中关键环节和关键设备。而且，对于药品企业来说，药品的质量至关重要，人工计数装瓶的低效检测工作不但违反了GMP标准还不利用药品企业的全面长远发展。因此，本设计在满足《制药装备》行业标准的情况下，使用单片机和FGGA构成双核控制器技术，在达到卫生标准的前提下，提高药品装瓶的准确率和速度。
一、现有数粒机计数方法及关键技术
目前，药品的计数方法通常采用光电计数。近几年，随着计算机技术与单片机、FPGA技术的融合发展，通过单片机、FPGA技术等加快药品计数的速度，再辅助计算机触摸屏技术对计数的数据进行分析处理，可以极大地减轻相关科研人员的工作量，提高检测精度。MagillPJ引入了先进的小型光电计数系统，使其具有自动增益控制的优点，具有稳定的频率调节光并能抵抗各种干扰，保证了整个系统的准确性。TroupGJ在两个独立理想的激光模式计算其强度概率分布和声子计数分布，相比之前的方法该方法的计数准确了得到了提升。ChenY采用自调节能力和高灵敏度的程控自动补偿功能使窄脉冲间隔和双光子峰减小，达到了计数效率的提高。CooperEB用光电设备对移动的物品进行计数并根据颜色对其进行分类。曲兴华等利用激光器和光电管设计了激光光电传感器，在线式光电自动计数仪，能对激光光源进行缩束准直，解决了小工件计数的难点。综上所述，基于光电式数粒技术目前使用研究方法教多、表达类型多，更能很好的达到计数准确和稳定，因而成为当前的研究热点。为了提高数粒机系统的计数准确度和计数速度，本论文提出基于FPGA的双层光电数粒机计数系统。
二、双层光电计数数粒机的工作原理
双层光电计数数粒机包括光电发射模块和光电接收模块，其中光电发射板模块在设计上实现两组同板，光电接收板模块在设计上实现两组异板。根据要检测药品的最小直径，通过模拟测试调整光电发射模块和光电接收模块之间的联系，最后确定每个通道电眼采集宽度。在设计上，电眼模块中的接收模块和控制模块设计在一起，同时为了简化电路的设计，节省硬件资源，并在硬件上改变以往数字电路的冗杂设计方式，改用CPLD集中处理，并行处理数据。控制信号的输出和检测信号的输入同步进行，由电眼控制模块上的CPLD的I/O口进行信息采集，整理，把药粒通过上下的时间，与通过时间，经过计算与整形转换为bit的单线信号传输到主控制模块，由主控制模块上的FPGA通过消隐延时进行计算，通过查表等方式计算出药粒的状态，数量，直径，延时插板时间进行二次数据整合，最终确定每个电眼模块的工作状态，记录下落药品的数量同时控制插板气缸与踢废信号，同时负责与上位机通讯，传出必要的上位机信号和上位机的设置所用数据。在计数中剔废药瓶是根据药品通过上层光电时间、通过下层光电时间，通过上下光电之间距离的时间，先通过上下通过时间计算出初速度，再计算出上通过速度与下通过速度，速度*时间计算出上检测药丸直径和下检测药丸直径，在合乎标准时取平均值给出计算药丸直径，否择给出踢废信号。
三、系统电路设计
3.1主控核心模块。系统的主控核心模块是以单片机和FPGA进行的，主要接收双层光电检测模块的数据并进行处理，同时还与上位机进行通信，将所计的药品数量结果发送到上位机中，随时掌握药品的数量。主控核心模块还要能够设定计数标准参数和设备的工作模式。经验证分析，最终选择了采用型号为STC8A8K64SA12的单片机和型号为EP3C5E144C8N的FPGA为核心，建立一个基于计算机总线的双核控制系统。
3.2光电发射模块。该系统共有6个通道光电发射模块，以其中一个通道的光电发射模块进行举例说明。光电发射模块的设计工作方式是动态扫描工作方式，每个通道选用四个波长为940nm的LED红外线发射发光二极管为检测光源，虽然每个红外线发射发光二极管都是一个独立的个体，但是四个红外线发射发光二极管轮流动态扫描构成一组发射光源指令。而且在电路设计中采用6个COS/MOS反相器构成的CC4069芯片对采集到的信号进行滤波。单通道的光电发射板局部原理图如图1所示。其余6个通道类相同。在设计光电发射模块时，两两相邻通道的光电发射模块是串联连接的，例如一通道的第一号红外线发射发光二极管与二通道的第一号红外线发射发光二极管相连接，它们共同由一个三极管控制。这样的硬件设计可以节约主控模块I/O口的适应，并降低对硬件设计的要求为制作电路板提供方便。
3.3光电接收模块。光电接收模块属于双层光电检测模块的感应装置，其采用的工作方式是数字式动态扫描。光电接收模块的作用是将每个光敏接收管接收到的工作形式与状态及时的反应到主控核心模块中，并通过触摸显示屏反馈给工作人员。光电接收模块的接收控制芯片采用CPLD，并且一块光电接收模块需要144个0603－T0.6光敏接收管。接收控制芯片直接对0603－T0.6光敏接收管接收到的信号进行采集与整理，并通过单片机的I/O接口将整理的信号传输到主控模块FPGA中，完成对药品颗粒的计数工作。一块光电接收板模块局部如图2所示。
四、系统调试与检测
4.1系统调试。调试双层光电检测系统即调试光电发射模块和光电接收模块，光电发射模块和光电接收模块要尽量对齐，如果出现偏差会造成光敏接收管无法接收到红外光，将会造成计数不准确。为了解决此问题，在计数之前，要尽可能对齐光电发射模块和光电接收模块。在每一组安装之前要重新核对程序参数数据，并在安装的过程中注意电路板的安装与焊接，避免出现短路情况。
4.2系统检测。第一组实现用圆形铁珠代替药片，检测双层光电检测系统计数的准确性。我们以为50粒大小相等的铁珠随机投入到通道中，进行6次计数实验，记录每次实验数据，记录表1中。根据表1中实验数据，通过主控显示板上的计数数值进行统计，将得到每次计数的结果。其中第1次与第5次计数结果不准确，其余均正确。显然，本系统设计的双层光电计数系统能达到较好的结果。
五、总结
光电计数模组是数粒机的核心部件，是药品生产流程中不可分割的一部分。本论文提出的双层光电计数模块将两层光电计数配合使用，运用FPGA对数据进行处理，缩小PCB板面积，节约空间。采用红外LED发射管扫描方式检测光源，提高了产品的使用寿命，降低了生产过程中维护成本。
作者:杜翊铭 单位:佳木斯大学