（机械电子工程专业论文）牵引理疗仪集中控制系统开发.pdf

摘要 摘要 牵引理疗仪集中控制系统开发 姓名：夏勇指导教师：薛澄岐教授 ( 东南大学机械工程系，南京) 牵引理疗仪是医院常用设备，多台理疗仪的操作控制和相应理疗信息管理非常繁琐。本 文介绍了如何通过虚拟控制软面板结合所设计的硬件，实现计算机对多台牵引理疗仪的集中 控制，同时实现理疗仪理疗信息科学管理的技术。 本文首先在对现行系统分析的基础上，提出了控制系统的设计要求，并根据设计要求构 建了控制系统的总体框架，同时，对控制系统进行了模块划分。整个控制系统可以分为硬件 设计部分和软件设计部分。 硬件设计部分包括传感器数据采集电路设计和牵引电机控制电路设计。利用牵引电机控 制电路设计中上位机和下位机两级控制的方法实现了本课题的集中控制要求。 软件设计部分采用v i s u a lb a s i c6 0 完成，包括病历库管理信息系统设计和虚拟控制面板 设计。采用病历库信息管理系统实现了对病人病历的科学管理；利用虚拟控制面板显示理疗 仪工作状态、设置理疗仪工作参数和监控理疗仪工作过程实现了对牵引理疗仪的集中控制 关键词：牵引理疗仪虚拟控制面板集中控制 查堕奎堂堡主兰竺丝塞 a b s t r a c t d e v e l o p m e n to f t r a c t i o nt a b l e s c e n t r a l i z e dc o n t r o ls y s t e m n a m e ：x i ay o n g s u p e r v i s o r ：p r o f x u ec h e n g - q i ( s o u t h e a s t u n i v e r s i t y ，n a n j i n g ) t r a c t i o np h y s i o t h e r a p yt a b l e sa r ew i d e l yu s e di nm o s th o s p i t a l s i ti sf u s s yt oc o n t r o lt h e t a b l e s ，a n dt h eg o v e r n m e n to f t h er e c o r d si sa n o t h e rq u t i e a t h i sp a p e r i n t r o d u c e st h et e c h n i q u e w h i c hm a k e ss o m ep h y s i o t h e r a p yt a b l e sc mb ec o n u o l l e dc e n u a l l yb yac n m p u t e r , w i t ht h eh e l p o f v i r t u a lp a n e la n dt h eh a r d w a r ed e s i g n e d t h i ss y s t e mi sc o n s i s t e do ft h eh a r d w a r ep a r te n dt h es o f t w a r ep a r t a si th e l pt ot h e c e n t r a l l z e dc o n t r 0 1 t h eh a r d w a r ep a r ti s n s s t e do fu p p e r - m a c h i n ea n dl o w e r - m a c h i n e t h e u p p e r - m a c h i n e i sd e s i g n e dt om a n a g et h el o w - m a c h i n e s a si t 啪h e l pw i t ht h e s e r i a l c o m m u n i c a t i o ub e i 聊e np e r s o n a lc o m p u t e ra n di t s e i f t h el o w e r - m a c h i n ei sd e s i g n e dt oc o n u o l t h ee n g i n eo f t h eb e 正 t h es o f i w m ep a r ti sc o n s i s t e do f t h ec a s es y s t e ma n dt h es o f i p e n n e l a st h ec a s es y s t e mh e l p s t ot h eg o v e r n m e n to f t h er e c o r d s ，t h es o i = i e p m m e lb e l p st ot h ec e n t r a l i z e dc o n t r o l k e yw o r d s ：1 f d 血0 1 1t a b l e ，s o f l e p e n n e l , c e n t r a l i z e dc o n t r 0 1 - 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：蔓曼日期：兰：i ：! 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论 文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子 文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查 阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名： 妻旦 导师签名： 学 期：塑堡! 兰3 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 随着人们生活方式的改变，颈椎病、腰椎病已经成为临床上的常见病和多发病，其发病 率逐年上升l l l 。近年来临床观察表明，颈椎病和腰椎病患者的发病年龄越来越年轻化，颈椎 病和腰椎病已经成为威胁人们健康的重要杀手。 颈椎病和腰椎病都属于脊柱疾病，其发病年龄从青少年、青壮年到老年，几乎涵盖所有 年龄段，轻者给工作、生活带来不便，重者导致瘫痪，给社会、家庭、个人造成严重危害。 其治疗方法主要有物理疗法、推拿法、针灸法、手术法和牵引理疗法等等，其中牵引理疗法 是应用机械力对颈椎或腰椎施加牵引力，使其发生一定的分离，周围软组织得到适当牵伸的 一种治疗方法。 牵引理疗法对于颈、腰椎病有良好的治疗效果，是早期的颈、腰椎病的首选治疗方法。 牵引的作用归纳起来有以下两点：能解除肌肉痉挛。使颈椎、腰椎周围的软组织增加弹性， 理顺椎骨生理曲度，使椎间隙增宽，缓解椎问盘内部压力，从而减少或消除对颈肩臂或腰部 等神经根的压迫和刺激。能使局部微循环得到改善，从而改善了局部组织的营养状况，使 局部组织的炎症、粘连得到治疗，骨质增生也会得到控制。牵引能促使椎内外新平衡的建立， 以消除平衡失调引起的各种症状。按中医的说法 2 1 ，牵引能起到舒筋活血，调理阴阳的作用 从这点意义上说，牵引理疗不但能治疗颈椎病和腰椎病，还能预防颈椎病和腰椎病的发生， 特别是对于那些整天伏案工作的科室人员，适当地做些颈椎牵引和腰椎牵引也很有好处因 此，大、中型医院都建立了牵引理疗室或者相关康复理疗室。 对于大、中型医院，由于理疗仪的数量比较多，每台理疗仪的管理、操作控制，以及就 症病人的病历管理非常麻烦。以南京中大医院为例，其康复理疗室现有k l w - a 综合理疗仪 4 台，每台理疗仪可同时有两名病人接受理疗，以平均每名病人理疗半小时为例，一天最多 可能接受1 2 8 名病人，医务人员每天最多要分别负责1 2 8 名病人理疗设备的安装、拉力的设 定和调整、理疗仪起停控制、病历的填写与整理，以及出具理疗报告等等，工作量可想而知 如果在更大规模的医院，理疗仪数量更多，就诊病人人数以及医务人员的工作量就更大了 1 2 牵引理疗仪集中控制系统简介 牵引理疗仪集中控制系统具有硬件投资小、控制可靠、软件学习容易等优点。通过物美 价廉的p c 机，并结合所开发的硬件集中控制多台牵引理疗仪，医务人员只要坐在电脑前轻 松点击鼠标，便可以通过虚拟控制面板方便地实现每台理疗仪的工作状态查询、工作参数设 置、起停控制和工作过程监控。同时，运用数据库技术，系统可以实现对每台理疗仪就症病 人的病历、就症情况的保存、查询、统计和打印等功能。 本课题实现了从p c 机虚拟控制面板输入控制命令，精确控制每台理疗仪工作，同时能 够方便地管理病人病历及理疗仪工作记录之目的。其设计由硬件和软件两大部分组成。其中， 硬件部分包括传感器数据采集和牵引电机控制系统两部分；软件部分包括数据库信息管理系 统和虚拟控制面板两大部分。 东南大学硕士学位论文 1 3 本课题研究的主要工作 本课题研究的主要工作包括以下三个方面： 1 总体设计 系统总体设计是在调查医院现行牵引理疗仪控制方法、走访医院医务人员对控制系统的 要求的基础上，提出牵引理疗仪集中控制系统的技术指标和使用功能方面的要求，包括控制 系统能控制理疗仪的数量、控制要求、操作界面的功能等等。在对控制系统的设计要求充分 研究的基础上，提出控制系统的总体结构构想；根据控制系统的设计要求，完成对控制系统 硬件和软件各个模块的划分。 2 硬件设计 根据系统总体设计的具体模块划分，硬件设计部分主要完成包括由传感器和a d 转换电 路构成的数据采集系统、上位机和下位机构成的牵引电机集中控制系统两个部分。数据采集 系统设计包括传感器选择、 d 转换器选择和a d 转换电路设计三个内容；牵引电机控制系 统设计包括下位机电路设计和上位机电路设计 3 软件设计 软件设计包括两大部分：病历库信息管理系统设计和虚拟控制面板设计。病历库信息管 理系统要求能够实现病人信息和相关医生信息的录入，查询和统计；完成病历和康复报告的 生成、查找和打印；完成理疗仪使用情况的统计和打印。虚拟控制面板设计包括各理疗仪工 作状态显示、工作参数设置和工作过程监控三个部分。 1 4 本文各章内容安排 本文各章内容安排如下： 第一章是绪论部分，讲述课题背景，并简要介绍了牵引理疗仪集中控制系统的基本功能 和本课题的主要工作； 第二章讲述系统的总体设计，主要介绍了本课题控制系统的总体框架构建和各部分模块 划分。将硬件设计划分为传感器数据采集电路设计、牵引电机控制电路设计：将软件设计划 分为病历库信息管理系统设计和虚拟控制面板设计同时，也把软件设计详细划分为多个设 计模块。 第三章讲述传感器数据采集电路设计，详细介绍了拉力传感器选择、信号调理电路设计、 a d 转换器选择和a d 转换电路设计 第四章讲述了电机控制电路设计，详细介绍了执行电路( 下位机) 和主控电路( 上位机) 的芯片选择、电路设计，以及串口通信的电路设计上位机和下位机的分级控制是本文集中 控制实现的基础。 第五章讲述了软件设计，详细介绍了界面设计要求、病历库信息管理系统开发和虚拟控 制面板设计三个部分的软件设计和程序编写。其中，虚拟控制面板的设计是本文集中控制实 - 2 第一章绪论 现的界面基础。 第六章是总结和展望部分，对本课题的设计工作进行了一个简单的总结。 第二章控制系统总体设计 第二章控制系统总体设计 2 1 现行系统分析 牵引理疗仪集中控制系统开发必须首先确立控制系统的设计要求，而确立控制系统的设 计要求，必须认真调查研究现行牵引理疗仪的硬件控制系统和现行病历管理系统、必须广泛 征求医务人员和患者的意见。 2 1 1 现行牵引理疗仪控制系统分析 颈椎病、腰椎病历来己久，人们一直也在探索各种治疗方法和手段，牵引理疗法作为一 种简单、有效的理疗方法，其牵引设备的牵引力实现、牵引控制都经历了一系列的发展和变 化【5 】o 目前市面上用得较多的是单片机控制的半自动牵引理疗仪 1 半自动理疗仪的拉力实现 单片机控制的半自动理疗仪加载示意图如图2 1 所示，采用交流或直流电机为动力源， 电机的旋转带动( 或者通过变速装置带动) 绞盘转动产生扭矩，绞盘带动钢丝绳经过滑轮换 向后通过吊钩实现牵引理疗。加载时，电机旋转实现牵引加载；达到预定的牵引力后，单片 机系统控制电机停转，绞盘依靠抱闸装置固定，从而实现牵引力的保持；超过预定牵引力时， 电机反转减小牵引力；到达治疗时间，单片机控制抱闸装置松开，完成治疗。电机的功率可 以在设计时选定，电机通常采用继电器控制。拉力传感器测得的数据作为单片机判帝f “加载”、 “反转”或者“保持”的依据。 1 电机2 绞盘3 吊钩4 滑轮5 拉力传感器6 弹簧 2 1 半自动理疗仪加载示意图 - 4 东南大学硕士学位论文 2 半自动理疗仪的系统构成 随着大规模及超大规模集成电路制造工艺的迅速发展，单片机的性能越来越高，价格越 来越便宜。同时，电力电子技术的发展使得大功率电子器件的性能迅速提高，因此才可能如 此普遍地应用地单片机来控制牵引电机，完成各种新颖的、高性能的控制策略，使牵引电机 的各种潜在能力得到充分地发挥，使理疗仪的性能更符合使用要求嘲。半自动牵引理疗仪控 制系统示意图如图2 - 2 所示。 l 显示部分l i t m 一茎h 帆l o 篮 l ! i 片 i 操作面板 机 厂_ 二 l 一篝h l 图2 - 2 半自动理疗仪系统示意图 图中，电路控制采取闭环负反馈的控制方式。单片机系统从操作面板输入理疗方案和相 应理疗参数，单片机按照预设的方案及参数驱动继电器，继电器控制电机运转实现牵引治疗。 牵引力的大小通过传感器信号强弱反映出来，传感器输出的模拟信号经过a 仍转换后被输 入单片机，进行分析处理得到牵引力的真实值，单片机进而决定电机下一步的工作状态。同 时，单片机控制显示部分显示理疗时的牵引力、剩余理疗时间等理疗信息在理疗仪工作过 程中，医务人员可以按照具体情况从操作面板手动控制理疗仪工作。 通过走访医务人员发现，现行半自动牵引理疗仪必须每台理疗仪配置独立的单片机控制 系统，病人接受理疗时，每台理疗仪医务人员都要手动设置理疗参数、手动启动理疗仪工作， 理疗结束后，医务人员再将理疗仪逐台停止。一个拥有多台理疗仪的理疗室，医务人员的工 作量是非常大的。同时，每个病人的病历管理，理疗信息，均必须再手动填写到计算机的病 历管理系统中。牵引理疗仪集中控制系统，可以将医务人员从这些繁重的劳动中解放出来， 这是他们非常欢迎的 3 半自动理疗仪的理疗方式 半自动理疗仪应用机械力对颈椎或腰椎施加牵引力，根据牵引时可以选择的加载方式不 同可以分为连续牵引和间歇牵引。 连续牵引是通过给患者的颈椎或腰椎施加一定的拉力，并按要求保持一段的时间的理疗 方式。连续牵引可以使椎间隙被牵开，使椎问孔增大，这就减少了对神经根的压迫和刺激。 同时，椎间隙的增加，可有效地降低椎间盘内地压力，使椎问盘对脊髓神经的压迫随之减小 此外，连续牵引治疗可使颈部肌肉解除痉挛，缓解疼痛。所以，连续牵引在临床上应用最为 广泛。 间歇牵引是给患者的颈椎或腰椎施加一定的拉力，保持一段时间后，将拉力减小再保持 一段时间，然后再将拉力加大并保持，如此循环，直到理疗时间结束。间歇牵引除具有持续 牵引的作用外，有学者认为，间歇牵引还能使肌肉有节奏地交替出现紧张和放松运动，产生 局部按摩作用闭，更有利于解除肌肉痉挛和改善血液循环。但医务人员在实践中并未能在体 验会到间歇和持续两种不同牵引方式疗效的明显差异1 4 j 。当然间歇牵引与连续牵引的疗效是 第二章控制系统总体设计 否存在很大差异，这不属于本文讨论的焦点，本控制系统的设计应保证既可以连续加载又可 以间歇加载，同时，连续加载的拉力、间歇加载的最大和最小拉力以及理疗时间应该可以根 据用户需要自由设定。 2 1 2 现行病历管理系统分析 根据调查，目前国内大、中医院对病人诊疗信息采用专用数据库管理系统进行数据存储 和管理，目前尚无集多台理疗仪控制与病历数据管理为一体的管理系统。现行医院病历管理 系统可作为本系统开发中病历库信息管理部分的借鉴。 图2 - 3 病历管理系统业务流程图 现行病历管理系统业务流程图如图2 - 3 所示。信息管理系统数据库的内容主要包含病人 基本信息、病人每次治疗的治疗信息，以及治疗结束后的康复报告；信息管理系统的主要功 能模块包括病人初诊时的基本信息录入模块、病人复诊时的复诊记录模块、治疗结束后的康 复报告模块、病人或医生的相关查询模块、治理信息统计模块以及系统管理模块。这些模块 的合理划分可以成为本系统开发的借鉴。 2 2 控制系统的设计要求 控制系统的设计要求是根据系统在使用过程中功能要求、安全保护等要求提出的控制系 统所必须满足的条件。控制系统的设计要求包括控制系统的使用功能要求和其它辅助功能要 求 一6 - 东南大学硕士学位论文 2 2 1 控制系统使用功能要求 牵引理疗仪集中控制系统，作为一个集多台控制和信息管理与一体的智能化、多功能控 制系统，必须在可靠实现集中控制功能的基础上，能够自动将理疗信息录入到数据库中保存。 本课题开发的牵引理疗仪集中控制系统的使用功能要求包括： 1 集中控制要求 通过p c 机，运用控制系统能够控制8 台牵引理疗仪的各项正常工作，实现8 台理疗仪 的集中控制。 2 虚拟控制要求 每台理疗仪的理疗参数设定、启动，停止控制均通过设计的虚拟控制面板进行，实现理 疗仪的虚拟控制面板数据交换 3 控制过程监控要求 每台理疗仪的实际工作信息实时反馈给p c 机，使医务人员随时掌握理疗仪工作状况， 理疗仪工作结束后，在p c 机虚拟控制面板上以醒目的方式提醒医务人员 4 诊疗信息录入要求 病人初次接受理疗时，能方便地录入初诊信息；病人复诊时，能自动在原来的初诊信息 基础上生成复诊信息；病人结束整个理疗疗程时，能够生成康复报告。 5 诊疗信息查询要求 能够方便地查询病历库中是否已经有某个病人的信息；能够方便地查询在某台理疗仪上 接受理疗的病人信息。 2 2 2 控制系统其它辅助功能要求 牵引理疗仪集中控制系统除了能够实现其使用功能要求外，还要能够提供安全保证、信 息统计、打印和帮助等辅助功能。 本控制系统的辅助功能要求包括： 1 安全要求 牵引理疗仪集中控制系统的工作对象是人，因此应该运用多种手段保证理疗过程中的安 全、可靠。 2 统计功能要求 信息管理系统应该能够统计某个时段理疗仪的工作情况；能够统计某个时段整个理疗室 接受就诊病人的情况。 3 打印功能要求 信息管理系统应该提供病历打印、康复报告打印功能 4 帮助功能要求 系统应该通过多种途径提供有助于使用者迅速掌握系统操作步骤的帮助。 第二章控制系统总体设计 2 3 控制系统的总体框架和模块划分 本课题根据控制系统的设计要求，在对控制系统的设计任务进行充分研究的基础上r 对 整个系统设计进行了必要的划分。牵引力理疗仪集中控制系统可以从总体上划分为硬件部分 和软件部分。硬件部分是指通过控制线路设计，运用控制芯片和继电器控制牵引电机的部分； 软件部分是指运用计算机软件编写的应用程序部分。 2 3 i 硬件控制电路划分 一硬件控制电路包括传感器数据采集电路和牵引电机控制电路两大部分。其中，传感器数 据采集电路负责采集和转换理疗仪的拉力值，是牵引电机控制电路控制的依据；牵引电机控 制电路具体控制理疗仪的工作，同时负责理疗仪与p c 机的通信。 1 传感器数据采集电路 传感器数据采集电路部分主要包括：传感器，传感器信号调理电路，a d 转换电路三个 部分。其中，a d 转换电路是这部分设计的重点和难点 2 牵引电机控制电路 牵引电机控制电路包括主控电路( 上位机) 和执行电路( 下位机) 。上位机与p c 机通过 串口连接，负责与p c 机和下位机通信，实现牵引理疗仪的集中控制；下位机则从传感器数 据采集电路读入数据，处理后控制理疗仪牵引电机的具体工作 2 3 2 软件部分模块划分 本系统软件部分是在计算机上采用v i s u a lb a s i c6 0 编写的应用程序，软件部分包括 病历库信息管理系统和虚拟控制面板两大部分。其中，病历库信息管理系统是一个负责病人 病历管理的数据库管理系统：虚拟控制面板则是实现牵引理疗仪的集中控制的虚拟仪器控制 面板。 1 病历库信息管理系统 病历库信息管理系统是负责本系统中病人病历管理工作的信息管理系统。根据系统设计 要求，可以划分为用户管理模块、病历管理模块、查询统计模块和其它功能模块几个部分 用户管理模块包含用户登陆、管理员登陆，用户注册、用户密码管理和用户信息管理 五个部分； 病历管理模块包含病人基本信息管理、症疗信息管理和康复报告管理三个部分； 查询统计模块包括病人信息查询、病历查询、康复报告查询、设备使用统计和就诊病 人统计五个部分； 其它功能模块包括打印功能模块和帮助功能模块。 其中，用户管理模块、病历管理模块和查询统计模块都可以通过数据库操作的方法实现， 其它功能模块可以通过函数调用、w e b 浏览的方法实现 8 东南大学硕士学位论文 2 虚拟控制面板 虚拟控制面板在本系统中实现了牵引理疗仪的集中控制。虚拟控制面板可以利用计算机 丰富的软件资源，实现部分仪器硬件的软件化，在节省物质资源的同时，可以增加系统灵活 性；可以通过软件技术和相应数值算法实时、直接地对测试数据进行各种分析与处理：可以 通过图形用户界面技术，真正做到界面友好、人机交互。 根据上述要求，本系统中虚拟控制面板的设计可以划分成理疗仪状态显示、控制参数设 置和理疗仪工作监控三大部分 状态显示部分包括8 台理疗仪的工作状态的文字显示和指示灯显示； 控制参数设置部分实现牵引理疗的各种控制参数设置，包括牵引方式选择、牵引力设 置、牵引时间设置等； 理疗仪工作监控部分采用文字显示和显示加载曲线实现理疗仪工作过程监控。 2 4 本章小结 本章主要介绍了牵引理疗仪集中控制系统的总体设计。系统总体设计必须首先明确控制 系统的设计要求，要明确控制系统的设计要求，必须认真调查研究现行牵引理疗仪的硬件控 制系统和现行病历管理系统 本章首先介绍了现行半自动理疗仪的拉力实现、系统原理和理疗方式选择，介绍了现行 病历管理系统的业务流程；在对现行半自动理疗仪控制系统和病历管理系统分析、调查的基 础上，明确了牵引理疗仪集中控制系统的系统设计要求；根据系统设计要求，构建了本系统 的整体框架，并对整个系统进行了模块划分。整个系统划分为硬件设计和软件设计两大部分， 硬件设计部分包括传感器数据采集电路和牵引电机控制电路；软件设计部分包括病历库信息 管理系统和虚拟控制面板两部分。 第三章传感器数据采集电路设计 第三章传感器数据采集电路设计 3 1 传感器选择 3 1 1 传感器的发展 传感器是能将外界信息转换成电信号的装置。它以材料的物理、化学和生物理化效应为 基础，获取被测量并输出与其有确定函数关系的电参数“日 电信号易于传输和处理，所以大多数的传感器是将物理量等信息转换成电信号输出的。 例如传声器( 话筒) 就是一种传感器，它感受声音的强弱，并转换成相应的电信号。又如电阻 式拉力传感器能感受位移量的变化，并把它转换成相应的电信号。 传感器主要用于测量和控制系统，它的性能好坏直接影响系统的性能牵引理疗仪集中 控制系统中，首先由传感器感受牵引拉力，而后把它转换成电信号，以控制执行电机和在虚 拟控制面板上显示。如果传感器不能灵敏地感受牵引拉力值，或者不能把感受到的拉力值精 确地转换成电信号，其他控制装置的精确度再高也无意义。因此，传感器是本控制系统中的 一个关键装置。 目前，传感器技术进入了高速发展的阶段，其主要发展方向为： 1 向高精度发展 随着自动化生产程度的不断提高，对传感器的要求也在不断提高，必须研制出具有灵敏 度高、精确度高、响应速度快、互换性好的新型传感器以确保生产自动化的可靠性。目前能 生产万分之一以上的传感器的厂家为数很少，其产量也远远不能满足要求。 2 向高可靠性、宽温度范围发展 传感器的可靠性直接影响到电子设备的抗干扰等性能，研制高可靠性、宽温度范围的传 感器将是永久性的方向。提高温度范围历来是大课题，大部分传感器的工作范围都在_ 2 0 7 0 1 2 ，在军用系统中要求工作温度在- 4 0 c 8 5 c 范围，而汽车锅炉等场合要求传感器的温 度要求更高，因此发展新兴材料( 如陶瓷) 的传感器将很有前途 3 向微型化发展 各种控制仪器设备的功能越来越大，要求各个部件体积所占的位置越小越好，因而传感 器本身体积也是越小越好，这就要求发展新的材料及加工技术，目前利用硅材料制作的传感 器体积已经很小。例如传统的加速度传感器是由重力块和弹簧等制成的，体积较大、稳定性 差、寿命也短，而利用激光等各种微细加工技术制成的硅加速度传感器体积非常小、互换性 可靠性都较好。 4 向微功耗及无源化发展 传感器一般都是非电量向电量的转化，工作时离不开电源，在野外现场或远离电网的地 方，往往是用电池供电或用太阳能等供电，开发微功耗的传感器及无源传感器是必然的发展 方向，这样既可以节省能源又可以提高系统寿命目前，低功耗损的芯片发展很快，如t 1 2 7 0 2 运算放大器，静态功耗只有1 5 雌，而工作电压只需2 5 v 。 1 0 东南大学硕士学位论文 5 向智能化数字化发展 随着现代化的发展，传感器的功能已突破传统的功能，其输出不再是一个单一的模拟信 号( 如0 1 0 m v ) ，而是经过微电脑处理好后的数字信号，有的甚至带有控制功能，这就是 所说的数字传感器。 3 1 2 传感器分类 传感器的种类很多，分类的方法也不同常用的分类法有两种，一种是按照传感器的用 途区分，如位移传感器、力传感器、荷重传感器、速度传感器、振动传感器、压力传感器、 温度传感器、湿度传感器和密度传感器等。另一种分类法是按传感器的工作原理分，如电阻 式传感器、电感式传感器、电容式传感器、电涡流式传感器、磁电式传感器、压电式传感器、 光电式传感器、磁弹性式传感器、振频式传感器和电化学式传感器等。有时也常把原理和用 途结合起来命名，如电感式位移传感器和电容式压力传感器等【i “ 在传统的传感器中，以把被测量转换为电路参数变化和利用磁电效应的传感器为多，如 电阻式传感器、电感式传感器、电容式传感器和磁电式传感器等。后来直接利用各种物理效 应、化学反应的传感器逐渐增加，如压电式传感器、霍尔传感器、磁弹性传感器和电化学传 感器等 3 1 3 电阻式拉力传感器 本系统选用了n s - w l l 系列2 0 0 k g 电阻式拉力传感器。电阻式拉力传感器是利用外界的 作用力，使传感器发生一定变形，其阻值发生变化，再通过电桥反映成电信号输出的。在电 阻值计算公式 且= 户考 中，r 为导线的电阻，s 是导线的横截面积，l 是导线的长度，p 是导线材料的电阻率。当 传感器发生变形时，传感 器测量材料的长度l 以及 横截面积s 同时发生变化 ( l 变大，s 则变小；l 变 小，s 则变大) ，其改变量 通过r 反映出来。 n s 1 r l l 系列传感器采 用悬臂剪切结构，具有测 量精度高、防尘好、安装 容易、使用方便等特点。 其自带电桥电路如图3 _ 1 所示。其技术参数如表3 一l 所示。 r f 2r m 2 y 保护 电源+ 信号+ 电源一 信号一 图3 - 1n s - w l i 系列传感器电桥电路 第三章传感器数据采集电路设计 表3 - in s w l i 系列2 0 0 k g 传感器技术参数 技术参数单位技术指标 额定载荷 l 【g 2 0 0 额定输出州n 1 5 非线性e s ：+ 0 0 2 滞后e s0 0 2 重复性e s 0 0 2 零点输出e s 2 口 送出高8 位地址。而在访问8 位地址的外部数据存储器时其引脚上的内容在此期间不会改变 本系统中，p 2 口用作与a i d 转换电路高四位数据连接。 p 3 端口：p 3 p 3 o - p 3 7 】是一个带有内部上拉电阻的8 位双向i o 端口。输出时可驱 动4 个t i l 端口置i 时，内部上拉电阻将端口拉到高电平，作输入用。对f l a s h 程序存储 器编程时，接受控制信息。除此之外p 3 端口还用于一些专门功能，如表4 - 1 所示本系统 中采用的是p 3 端口的专用功能。 1 8 东南大学硕士学位论文 表4 1 p 3 端口专用功能表 p 3 引脚专用功能 p 3 o 串行输入( 础( d ) p 3 1串行输出( d ) p 3 2外部中断0 ( i n t 0 ) p 3 3外部中断1 ( i n t l ) p 3 4 定时器0 输入( t o ) p 3 5 定时器1 输入( t 1 ) p 3 6 接收 p 3 7 外部数据存储器读选通( r d ) a l e p r o c r ( 3 0 ) 访问外部存储器时，a l e ( 地址锁存允许) 的输出用于锁存地址的 低位字节。即使不访问外部存储器，a l e 端仍以不变的频率输入脉冲信号( 此频率是振荡 器频率的1 6 ) 。在访问外部数据存储器时，出现一个a l e 脉冲。对f l a s h 存储器编程时， 这个引脚用于输入编程脉冲p r o g 。 p s e n ( 2 9 ) ：该引脚是外部程序存储器的选通信号输出端当a t 8 9 c 5 1 由外部程序存 储器取指令或常数时，每个机器周期输出2 个脉冲即两次有效但访问外部数据存储器时， 将不会有脉冲输出。 e a v p p ( 3 1 ) , 外部访问允许断。当该引脚访问外部程序存储器时，应输入低电平。要 使a t 8 9 c 5 1 只访问外部程序存储器，这时该引脚必须保持低电平。对f l a s h 存储器编程时， 用于施加v p p 编程电压。 4 2 2m a x 2 3 2 芯片 串口通信采用r s 2 3 2 c 协议，选用 m a x 2 3 2 芯片可以完成电平转换工作，其引脚 如图2 5 所示。m a x 2 3 2 芯片是m a x 公司生产 的低功耗、单电源双r s 2 3 2 发送接收器。适用 于各种e i a - 2 3 2 e 和v 2 8 v 2 4 的通信接口。 m a x 2 3 2 芯片内部有一个电源电压变换器，可 以把输入的+ 5 v 电源变换成r s - 2 3 2 c 输出电平 所需士l o v 电压，所以采用此芯片接口的串行 通信系统只要单一的+ 5 v 电源就可以。其价格 低，在本系统中非常适用【2 l 】。 m a x 2 3 2 的引脚t i i n ，1 2 i n ，r 1 0 u t ， 图 m a x 2 3 2 引脚图 r 2 , 0 u t 是用于接m c m o s 电平的引脚。引脚 t 1 0 u t ，t 2 0 u t ，r i i n ，r 2 t n 为接r s - 2 3 2 c 电平的引脚。因此t l c m o s 电平的t i i n ，t 2 q 引脚应接单片机的串行发送引脚t x d ；r 1 0 u t 、r 2 0 u t 应接单片机的串行接收引脚r ) ， 与之对应的r s - 2 3 2 c 电平的t 1 0 u t ，t 2 0 u t 应接p c 机的接收端r d ( 或其它设备串行通信接 收端) ；r i i n 、r 2 1 n 应接p c 机的发送端t d ( 或其它设备串行通信发送端) 。 - 1 9 第四章牵引电机控制电路设计 4 2 3 执行电路设计 执行电路如图4 - 6 所示。图中，选用a t 8 9 c 5 1 单片机作为主控芯片，芯片选用1 2 m h z 外部晶振。 1 下位机与上位机的通信 图4 - 6 执行电路 下位机与上位机的通信通过m a x 2 3 2 芯片实现，m a x 2 3 2 采用5 个l u f 的电容，其 t 1 0 u t ( 1 4 脚) ，r i n ( 1 3 脚) 分别连接d b 连接器的2 脚( r d ) 和3 脚( 1 d ) ；r i o u t ( 1 2 脚) 、t i i n ( 1 1 脚) 分别连接下位机的1 3 3 0 ( r x d ) 引脚和p 3 1 ( t x d ) 引脚。下位 机通过中断与上位机通信 2 下位机与数据采集电路的连接 a d 芯片i c l 7 1 0 9 通过数据端b l a b l 2 传送给单片机的是1 2 位并行数据，单片机通过 p 0 o p 0 7 以及p 1 o p 1 j 3 共1 2 个端口读入。同时通过p 3 7 ( 瓜d ) 口实现对i c l 7 1 0 9 的片选；单片机通过”2 ( 玳t o ) 口查询i c l 7 1 0 9 状态输出端口( s t a t u s ) 确定传感器信 号是否转换完毕；通过p 2 5 口连接i c l 7 1 0 9 的运行保持输入端r u n h o l d ( 2 6 脚) 由于 p 0 口作为输入时，没有内部上拉电阻，所以，外接了1 0 k 的上拉电阻。 3 下位电路与电机的连接。 本系统中，牵引理疗仪的牵引电机选用过程中，考虑到直流电机的启动转矩大、价格便 宜和控制方便等优点，选用的直流电机作为牵引电机。理疗仪工作时共有四个工况：正转加 载、反转卸载、停转保持和停转不保持。其中，停转保持采用电磁线圈通电后电磁抱闸实现 牵引力的保持；停转不保持是电机停转后电磁线圈也不得电。理疗仪停止工作。经分析，直 流电机与电磁线圈在理疗仪各工况下的通电情况如表4 - 2 所示 - 2 0 - 东南大学硕士学位论文 表4 - 2直流电机与电磁线圈状态表 理疗仪直流电机电磁线圈 加载正转得电失电 保持失电得电 卸载 反转得电 失电 停止工作失电失电 由表4 - 2 可见，只要通过三个继电器分别控制电机正转得失电、电机反转得失电和电 磁线圈得失电即可实现理疗仪的加载、保持、卸载和停止工作控制。执行电路采用p 1 0 、 p 1 1 和p 1 2 三个端口输出，分别通过三极管开关电路控制三个继电器，进而控制电机正反 转和电磁线圈得失电，最终实现理疗仪的加载、保持、卸载和停止工作的控制。理疗仪的 p l 口真值表如表4 3 所示。需要说明的是，图4 - 6 中三个二极管d 1 d 3 是为了防止开关电 路断电瞬间的高压击穿三极管 表4 - 3p l 口真值表 理疗仪p 1 0 ( 正转继电器) p 1 1 ( 反转继电器)p 1 2 ( 电磁线圈继电器) 加载信号 0l1 保持信号 l1o 卸载信号 l01 停止信号 lll 4 2 4 执行电路控制芯片程序设计 图4 7 执行电路主程序流程图 执行电路单片机( 下位机) 工作过程采用程序循环查询，即单片机不断扫描a d 转换 芯片i c l 7 1 0 9 的状态输出端口s t a t u s ，直到输出为1 ，即一次a d 转换结束。单片机确认 第四章牵引电机控制电路设计 a d 转换结束后，从p o 和p 21 2 读入1 2 位数字信号，经过计算，转换为8 位数据( 1 个字 节) 。同时，单片机把转换后的数据与设定值比较，如果小于设定范围，单片机从p 1 口输 出加载信号，并把转换后的数据与上位机通信；如果在设定范围之内，p l 口输出保持信号， 并把转换后的数据与上位机通信；如果大于设定范围，p l 口输出卸载反转信号，并把转换 后的数据与上位机通信通信结束后，单片机继续循环查询。单片机主程序流程图如图4 - 7 所示。 下位机要与上位机通信，通过向上位机发送 通信请求，将传感器测得的拉力数据经过上位机 反馈给p c 机。而上位机要与下位机通信，则必 然是p c 机要求上位机与下位机通信，这有两种 情况，一是理疗仪开始工作前p c 向下位机传递 工作参数；另一种情况是在理疗仪工作过程中， 医务人员人为停止和取消理疗仪工作。在这两种 情况下，下位机同意与上位机通信( 实际上下位 机是间接与p c 机通信) 前，必须先将理疗仪卸 载；通信结束后，下位机均不需要继续原来的工 作，而是结束工作，等待命令。所以，系统设计 中，把上位机与下位机的通信要求设置成中断， 并且，在中断处理程序中不需要中断现场保护， 中断程序处理结束( 即上位机向下位机发送数据 结束) 后，单片机停止工作，等待命令。中断处 理程序如图4 - 8 所示。 4 3 主控电路设计 l 输出卸载信号 上 i 与上位机通信 图舢8 下位机中断流程图 主控电路是本系统中的上位机，其作用是传递p c 机对下位机的通信，并协调下位机对 p c 机的通行请求。其设计包括芯片选择、主控电路设计、主控芯片程序设计等几个部分 4 3 1 主控芯片选择 主控芯片既需要与p c 机进行串行通信，又 耍与下位机进行串行通信，从提高系统设计的 可靠性考虑，为了简化单片机程序部分，选用 带有两个全双工串口的w 7 7 e 5 8 单片机。其引 脚如图4 - 9 所示。 w 7 7 e 5 8 是台湾华邦公司生产的与m c s s l 系列单片机兼容的可多次编程快速微处理器， 在它内部集成有3 2 k 的可重复编程的f l a s h r o m 、2 5 6 字节的片内存储器、1 k 的用m o v x 指令访问的s r a m 、可编程的看门狗定时器、3 个1 6 位定时器、2 个增强型的全双工串行口、 - 2 2 1 鞠h 。p 1 j 疆f t 瘴 - * 1 3 p 缁 辩h 嘲 j 荐毫纠玉 断 翻嗽 德j 汀 丽瑚崖 抽盯t 艄器 阻哪 - t 1 p 矗 搬嘲 嗣晚p 3 彳 翟f 魁罩 * 姒 鞲 矬 b 藏潮 毗捌蝻 瞅， a 2 f 丑湖 阳弭再d 薯 p 0 5 m p t 磊棚 鼬盂瑚 髓 胜 藤 p 2 z 郴 眦 l p 2 矗禽熄 p 乏生 i 菩 f 髓 p 2 删 p 蜘瑚 只鞠潍： 图4 - 9w 7 7 e 5 8 引脚图 睫嚣盏眦 东南大学硕士学位论文 片内r c 振荡器、双1 6 位数据指针等诸多功能。在本系统中，不用扩展外围芯片就能够满 足系统要求，而且，由于它采用了全新设计的微处理器内核，去除多余的时钟和存储周期， 因此，在相同的晶振频率下，根据不同的指令类型，其运行速度一般比传统8 0 5 1 系列快1 5 到3 倍，一般情况下，平均可达2 5 倍以上另外，由于w 7 7 e 5 8 采用全静态c m o s 设计， 能工作在低速晶振频率下，因此，和普通的8 0 5 1 相比，若w 7 7 e 5 8 采用低速工作频率，在 相同的指令吞吐量下，w 7 7 e 5 8 的节电性能也将大大提高。 w 7 7 e 5 8 的特点及功能： 1 兼容性 7 7 e 5 8 的指令功能完全兼容于8 0 c 5 2 ( 包括对状态位和标志位的影响) ，只有一点不同 的就是在普通8 0 c 5 2 的指令系统中。没有操作指令( o p - c o d e ) a 5 h ，而在w 7 7 e 5 8 的指令 系统中，增加了一条指令d e cd p t r ( 数据指针d p t r 减一) ，其操作指令( o p - c o d e ) 为 a 5 h 。而且，w 7 7 e 5 8 也具有8 0 1 2 5 2 的全部资源和功能，包括4 个8 位i o 口，3 个1 6 位 定时器，全双工串口，中断源等。w t e 5 8 的增加的新功能都是用普通8 0 5 2 所保留的特殊 功能寄存器实现的，不与普通8 0 c 5 2 的资源产生任何冲突，因此，w 7 7 e 5 8 可以直接用在已 设计好的8 0 c 5 2 系统中使用，而为原有系统编写的程序几乎不做任何改动，系统就可正常 工作，需要注意的只是由于新的高速内核所造成的指令执行时间的改变及访闯外部存储器的 读写速度的限制。w 7 7 e 5 8 的封装也完全兼容于8 0 c 5 2 ，它所增加的与硬件有关的功能都是 复用8 0 c 5 2 的p l 口。 2 高速性 7 7 e 5 8 的外部工作时钟频率可达4 0 m h z 而且，由于w 7 7 e 5 8 采用了重新设计的微处 理器内核，去除了多余的时钟和存储周期，运行速度大大提高，这不仅仅是运行晶振频率的 提高，而是将普通8 0 5 1 的每个机器周期( m a c h i n ec y c l e ) 包含1 2 个时钟周期( c 1 0 c k p e r i o d ) 缩减到每个机器周期包含4 个时钟周期，这样，即使在相同的时钟频率下，根据不同的指令 类型，其运行速度一般比传统8 0 5 1 提高1 5 到3 倍。因此，若程序中需要软件定时，其执 行时间须根据w 7 7 e 5 8 的指令的执行时间应重新计算，一般情况下，每一个机器周期有一 次取址( 包括操作码和操作数) 操作，由于在w 7 7 e 5 8 的2 5 6 个操作码指令中，有1 2 8 个 是单字节指令，因此，w 7 7 e 5 8 的指令有一半的执行时间只须一个机器周期，即4 个时钟周 期。 3 中断源 7 7 e 5 8 除了具有8 0 c 5 2 的6 个中断源外，又另外增加了6 个中断源，共有1 2 个可定义 两种优先级的中断源，每个中断源都有独立的中断使能位、中断优先权位、中断标志位和中 断向量。但是，为了同8 0 c 5 2 兼容，所有新增加的中断的优先级都在原有中断的优先级之 后，除了同8 0 ( 2 5 2 有相同的两个外部中断i n t 0 和i n t i 外，w 7 7 e 5 8 又增加了4 个外部中 断i n t 2 、i n l 3 、n t 4 ，n t 5 。同8 0 c 5 2 一样，外部中断i n t 0 和i n t i 有边沿触发和电平 触发两种触发方式，当中断被响应后，其中断标志位由硬件自动清除；而外部中断i n t 2 到 i n t 5 只有边沿触发方式，其中断标志位可被独立设为由硬件或软件清除，缺省设置为由软 件清除，当然，用户可根据需要通过修改相对应的特殊寄存器，将外部中断i n t 2 到i n t 5 设