（机械电子工程专业论文）三维牵引床控制系统设计.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 本文对三维牵引床计算机控制系统设计方法进行了探讨，并设计出一套简单1 的控制系统。在硬件上，由上位机和下位机两部分组成。上位机采用p c 机，主要 实现与用户交互，完成参数和命令的输入。下位机采用p 8 9 c 5 1 r d 2 单片机，并将单 片机作为控制系统的核心。下位机根据设备的实时数据和程序运行的结果发出控 制指令，实现预定的运动位移和速度。上位机采用v i s u a lb a s i c6 0 作为开发工具， 下位机采用代码效率最高的汇编语言进行开发。 三维牵引床具有主牵、倾角、旋转三个运动，这三个运动各自独立且需要对 其位移和速度进行控制。本次设计采用混合式步进电机作为动力源。单片机发出 控制指令( 计数初值) 给定时计数芯片8 2 5 4 ，8 2 5 4 在模式3 下工作时便发出与指 令值对应的一定频率的方波。方波送给步进电机驱动器时电机产生与方波频率成 正比的转动速度。为了提高位移控制的精度采用闭环控制。在设备侧安装了三个 传感器用以检测三个运动的实时位置。单片机采集到实时位置数据后，经过一系 列的运算决定下一步应发出的指令，进而将指令发送出去。为了方便操作，在上 位机用v i s u a lb a s i c6 0 开发出一套人机界面，操作人员的工作在人机界面上完成， 操作十分方便。 经过联机调试，下位机能够正确接受来自上位机的治疗参数和命令并执行上 位机发出的命令。下位机能够实现三维牵引床的预期控制功能。经过进一步完善 后该系统可以达到实用化。 关键词三维牵引床；控制系统；单片机 。，。，：，些；塞：i i 堡圭i ! 窒l l i ：。，! ，：，：! a b s t r a c t i nt l l i st h e s i s t h ed e s i g n i n gm e t h o do fc o m p u t e r - c o n t r o l l e ds y s t e r ni nt h r e e d i m e n s i o n a ld r a w i n gb e dw a sd i s c u s s e da n das i m p l ec o m p u t e r - c o n t r o l l e ds y s t e mw a s d e v e l o p e d t h eh a r d w a r ei nt h es y s t e mc o n s i s t so fa l lu p p e rp r o c e s s o ra n dal o w e r p r o c e s s o r p ci su s e da st h eu p p e rp r o c e s s o r , w h i c hi m p l e m e n t st h ei n t e r f a c eb e t w e e n u s e ra n dc o m p u t e ra n dc o m p l e t e st h ei n d u to fp a r a m e t e ra n dc o m m a n d t h el o w e r p r o c e s s o ri sap 8 9 c 5 1r d 2p r o c e s s o rw h i c ha c ta st h ec e n t e ro ft h ec o n t r o l l i n gs y s t e m t h el o w e rp r o c e s s o ro u t p u t sc o n t r o l l i n gi n s t r u c t i o n sa c c o r d i n gt or e a l t i m ed a t ao f 也e e q u i p m e n ta n dr e s u l to fp r o g r a mr u n n i n gj no r d e rt or e a l i z ed e t e r m i n e dm o v e m e n ta n d v e l o c i t y t h eu p p e rp r o c e s s o rw a sd e v e l o p e dw i t hv i s u a ib a s i c6 0 1 1 1 el o w e rp r o c e s s o r w a sd e v e l o p e dw i t ha s s e m b l el a n g u a g ew h i c hi sc h a r a c t e r i s t i co f h i g hc o d ee f f i c i e n c y t h r e e d i m e n s i o nd r a w i n gb e dh a st h r e em o t i o n si n c l u d e dm a i nd r a w i n gm o t i o n i n c l i n i n gm o t i o na n dr o t a t i n gm o t i o n e a c hm o t i o ni si n d e p e n d e n te a c ho t h e ra n di t s m o v e m e n ta n dv e l o c i t ym u s tb ec o n t r o l l e d i nt h i sp a d e r h y b r i ds t e p p e rm o t o ri su s e da s p o w e rr e s o u r c e m c us e n d si n s t r u c t i o nv a l u et oc h i p8 2 5 4 a sar e s u l tc h i p8 2 5 4 p r o d u c e st o r t e s p o n d i n gr e c t a n g u l a rw a v e sw h i c hh a v ead e f t n i t ef l e q u e n c y 黝e nt h e r e c t a n g u l a rw a v e sa r et r a n s f e r r e dt om o t o rd r i v e r , t h em o t o ri sa c t i v a t e da tad e f i n i t e r p m i no r d e rt o p r o m o t ec o n t r o l l i n ga c c u r a c y , f e e d b a c kc o n t r o l l i n gm e t h o di s a d o p t e d t h r e es e n s o r sa r em o u n t e da t 也ee q u i p m e n ts i d e i no r d e rt od e t e c tt h e r e a l t i m ep o s i t i o n so ft h r e em o t i o n s d e p e n d i n go nas e r i e so fc a l c u l a t i n g ，m c uc a n d e c i d e dw h a tt od oa f t e r w a r d sa f t e rt h et h r e er e a l t i m ep o s i t i o n sa r es a m p l e d as e to f m 0 1 2 - m a c h i n ei n t e r f a c ei s d e v e l o p e dw i t hv i s u a lb a s i c6 0t os u p p l yc o n v e n i e n c et o o p e r a t o r m o s ti o bc a nb ec o m p l e t e do nt h i sp l a t f o r i l l a f t e ral a r g eq u a n t i t yo fa d j u s t i n gw o r k ，t h el o w e rp r o c e s s o rc a l lr e c e i v et h e t r e a t m e n t p a r a m e t e r s a n dc o m m a n d ，a n de x e c u t et h ec o m m a n dc o r r e c t l y t h e e x p e r i m e n ts h o w st h a tt h et h r e e d i m e n s i o nd r a w i n gb e dc o n t r o l l i n gs y s t e mc a nr e a l i z e a l lt h ea n t i c i p a t e df u n c t i o n s t h i s s y s t e mc a nb ep u ti n t op r a c t i c ea f t e rf u r t h e r d e v e l o p m e n t k e yw o r d ：t h r e e d i m e n s i o nd r a w i n gb e d ；c o n t r o l l i n gs y s t e m ；m c u i i 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名：掣 日期：2 堡幽 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：左牲导师签名：驵日 期：幻址五 。 。一垒鐾堡些塑垡阜二一 e 目自g l 自目j - | ! l _ e 自自! 目! 1 0 1 1 目! ! g = 目! ! | e g ! ! ! ! e ! ! ! 目l | ! ! j _ j 第1 章绪论 腰椎间盘突出症、颈椎病、胸腰椎后关节紊乱症、继发性疆椎管狭窄症及脊 柱相关疾病等脊柱椎骨问软组织损伤类疾病( 简称椎间病) 是一些常见顽症，在 人群中发病率极高，是临床上的常见病之一，治疗方法较多，但其病因病理尚未 完全阐明，疗效往往不理想田。传统中医推拿法治疗腰椎疾病技术与计算机技术相 结合产生的三维牵引床经实践证明可以有效地治疗这类疾病【3 1 。本章首先对三维牵 引床进行介绍，并讲述了牵引床控制系统的发展历史，然后讲述了牵引床控制系 统研究现状，最后对本课题研究的目的和意义进行了阐述。 1 1 课题研究背景 1 1 1 三维牵引床简介 三维牵引床是结合现代脊柱生物力学三维空间理论，引入微机控制高科技手 段，将中医的牵引、侧扳、旋转、推顶等手法融为一体，实现了三维一体的同步牵 引。纵向牵引可使椎间孔纵向拉长，其间软组织发生运动与变形，促使突出物离开 神经根【4 】；使椎管及椎间管容积增大，减轻对神经根的压迫。腰椎前屈时，椎间隙前 窄后宽，瞬间纵向牵引使纤维环受到最大张力，椎间盘内容积增大，产生负压向内 吸入突出物；同时突然拉紧后纵韧带产生回弹力，是迫使突出物还纳的第二动力。 有研究发现，摆角旋转可改变腰椎小关节病理性倾斜，前屈侧弯旋转可使腰椎小关 节间隙加大。倾角状态下的牵引更有利于增加椎间距，促进髓核移位和部分缩小， 倾角旋转复位使侧隐窝、神经根管容积扩大和小关节松动，角度的形成可对抗腰椎 的生理前凸，使牵引的力量更加集中，有利于腰椎管容积的增大，减轻腹肌抵抗力， 增加后纵韧带的张力。倾角状态下的旋转可使腰椎小关节的活动幅度达到最大，同 时以来自旋转同方向的后外侧力作用于突出的髓核使之变形。这样既可纠正小关 节紊乱，又可解除神经根的压迫与粘连通过以上的三维牵引使椎间盘内压明显减 小，使突出物部分或完全回纳。使受压的神经根移位，而化学性致痛物质浓度降低 和神经根受压接触面减少，改变了椎管的内环境，也是使症状得到改善的原因之一， 山东大学硕士学位论文 i l l l l 从而使腰腿痛症状得以缓解。 综上所述，三维牵引疗法是运用三维向量技术将突加荷载作用于病变椎间， 纠正其三维改变及解除软组织紧张关系以治疗椎间病的力学疗法。利用三维牵引 床在电脑控制下实施的三维牵引疗法，各种矢量均可精确量化在既安全又有效的 范围内。这种疗法病人无痛苦，是一种不靠药、不用刀、无毒副作用、见效快、 疗效高的符合人类生理特征的治疗方法，临床实践证明，疗效甚为理想。不但可 治疗腰椎问盘突出症，对脊椎相关疾病也有良好的治疗作用。 三维牵引疗法的理论依据是椎间病学说。椎间病学说将“椎间盘中心论”带入到 更广阔的视野，把椎间盘以外的椎间软组织在椎间病中的作用提高到应有的地位。 把治疗的着眼点放在纠正椎间三维方向的位移，这就避免了治疗上偏重于椎间盘 而忽略周围组织结构的误区。这种学说已被大量的临床实践所证实。 三维牵引疗法所应用的三维牵引床源于中医正骨手法的合理内核，同时又借 鉴现代机械牵引技术，吸收了生物力学知识，将机械、自动控制、电磁、电予计 算机等商新技术融为一体而用于治疗方法之中，使安全性和临床疗效明显提高。 恩格斯说过：数学在一门学科中的应用程度表明了这门学科的成熟程度。三维牵 引床发扬了中医正骨手法的长处，克服了动作难以量化的缺点，用微机控制的机 械力代替人力，实现了人工正骨推拿所难以达到的疗效。它的每一个动作均由电 子计算机控制，精确量化在既安全又有效的范围内。可使每一个动作单独进行， 也可使多个动作协调同时进行。人工正骨推拿是无法实现量化要求的。因为个人 不容易达到如此大的力，即使几个人的合力可达到这种力度，但牵引距离也无法 控制，更不用说同时再施行倾角、旋转了。三维牵引疗法从医生靠手法凭经验的 人工力学疗法升华到了由微机控制的完全数字化的机械三维力学疗法，是中国手 法医学和现代高科技相结合的产物，是中医治疗学向现代化发展的一项创新，是 一种理想的治疗方法。 三维牵引床由头胸床板及使头胸床板向头端移动一定距离的主牵引装置、臀 腿板及使臀腿板沿其横轴形成一定角度、沿其纵轴旋转一定角度的动力装置以及 捆绑固定装置等构成，由微机控制。治疗腰椎间盘突出症患者，患者俯卧床上， 使病变椎问位于两床板交界处，胸背部固定于头胸板上，骨盆固定于臀腿板上， 前后紧绳将胸背固定带和骨盆固定带拉紧。将主牵引距离、主牵引速度、倾角方 山东大学硕士学位论文 向、倾角大小、倾角速度和旋转方向、旋转角度大小、旋转速度等数据输入微机， 由微机控制自动完成各种动作，在瞬间定距离强力牵引与在一定倾角状态下定方 向定角度旋转同步进行的同时，医者再配合手法对病变椎间施加顶推或按压的力， 在短时间内即可完成纠正脊柱椎间三维改变。 椎间病是由于力损伤造成的椎间三维方向的位移( 中医称骨错缝、筋出槽) 和椎 间软组织正常受力的改变( 包括神经根和周围的粘连或受压，肌痉挛或挛缩，韧带、 关节等张力增加及血管受牵拉、挤压等) ，治疗应针对纠正椎间三维改变和松解紧 张的软组织进行，使之恢复正常的受力状态。首选的方法应是力学疗法。三维牵 引疗法正是如此。椎间软组织系弹性组织，当受到不同的应力时就产生不同的应 变。作用于病变椎间的力主要有牵引拉应力、扭转应力和剪切力，它们是通过三 维牵弓l 治疗时瞬间的倾角、牵引、旋转和手法顶推按压而实现的。 三维牵引床治疗椎间病有显著效果，特别是当配合手法治疗时效果更好。彭 和平用电脑多功能牵引床对2 2 例重症腰椎问盘突出症患者进行三维牵引并配合手 法治疗，优良率达8 6 4 ( 3 例治疗2 个疗程，其余治疗1 个疗程) ，差2 例，无 效1 例【5 1 。陈元伟用三维牵引治疗腰椎间盘突出症1 0 0 例，优7 3 例，良2 2 例，可 2 例，差3 例嘲。金琪等用多功能三维牵引床治疗腰椎间盘突出症4 3 1 例，用两种 不同方法进行治疗，总有效率均超过9 0 1 7 。以上资料表明，用三维牵引床对椎 间病患者进行治疗总有效率均接近或超过9 0 ，也说明三维牵引床对治疗这类疾 病有良好的效果。 1 1 2 三维牵引床控制系统的发展历史 牵引床是医院常规的物理治疗设备，在我国应用尤为普遍，使用也比较早。 牵引床从功能上划分有单功能牵引床和综合功能牵引床。单一功能牵引床只能 完成单一的牵引动作；综合功能牵引床可完成比较复杂的复合运动，如三维牵引 床。从控制方式上划分，有手动、液压、数控等类型。目前这几种类型的设备在 医院中均有使用。但由于技术含量的不同，使用性能有很大不同。手动牵引床由 人来具体操作，动力来自于人力。显然，手动牵引床操作简单、治疗成本低，但 用人手来操作很难获得准确的牵引位移和牵引速度，牵引速度的调节范围也受到 山东大学硕士学位论文 限制且运动形式单一。用这种设备对病人进行治疗，医生的治疗手段受到设备的 限制。液压牵引床在性能上较手动牵弓l 床有了很大提高，具有传动平稳、噪音小 的优点嘲，并可以实现手动牵引床完成不了的运动。同时液压牵引床具有运动位移 和速度不易控制、难以精确量化的缺点，实现较高精度的控制较为困难。 三维牵引床最早于1 9 9 0 年由张吉林教授发明，取名为“成角旋转式多功能牵 引床”。1 9 9 1 年应用于临床就取得了优于国内外各种牵引装置的明显疗效【1 】。随着 计算机技术的发展，数控技术在机械制造中得到广泛的应用。将计算机数控技术应 用于牵引床便出现了三维数控牵引床。数控牵引床可以实现手动和液压式牵引床难 以完成的功能，如：多个独立运动的灵活组合、运动参数的灵活调节及较高的控制 精度、较高的自动化水平、良好的人机界面。三维牵引床是数控牵引床的典型代表。 1 2 三维牵引床控制系统国内外研究现状 三维牵引床是传统中医学理论同现代科技相结合的产物，它的研发与使用在 我国起步不久，国外尚属空白。为了了解三维牵引床国内外发展现状，作者到省 级科技查新咨询单位一淄博市科学技术情报研究所进行了查新检索。通过检索， 发现密切相关文献1 篇，辽宁大学计算机科学系陈永禄在医用牵引床控制系统 的设计与实现一文中论述了医用多功能自动补偿牵引床控制系统的设计和实施 方法，在系统的可靠性、实时性方面进行了较详细的讨论。发现相关文献3 篇， 其中武汉化工学院研发的多功能牵引床电脑控制器摒弃了依据病人病情通过改交 铁块重量进行牵引治疗的传统做法，该控制器存储了常用的8 种牵引模式，医护 人员只需根据病人病情通过仪器面板上的按键选择治疗模式并输入相关参数值 ( 步数、时闻等) ，整个牵引过程便可在控制器管理下自动完成：中北大学机械工 程系的杨福合在多牵引床网络化控制系统设计一文中提出了一种基于网络的 智能型微电脑控制牵引床设计方案，牵引床以8 9 c 5 2 为核心，上位机基于w i n d o w s 操作系统结合数据库技术控制多台牵引床，可方便地构建医疗网络，也可单台使 用；名称为“可左右摆动的三维多功能牵引床”的专利( c n 0 3 2 3 7 4 4 0 2 ) 则对现 有三维牵引床的机械部分进行了改进。 - l 山东大学硕士学位论文 通过检索发现，有关三维牵引床控制系统研发方面的文献很少。另外，由于 三维牵引床的历史较短，目前使用效果仍有不如人意处，比如：操作界面不够好、 噪音高、功能不够完善。这说明应进一步加大三维牵引床的研发力度。 我国正处于社会主义初级阶段，生产力尚不发达，农业、工业生产方式相对 落后，因此在我国腰椎病是临床上的多发病，其发病多与外伤、劳损、退变有关。 另外，有些职业的特点决定了其从业人员易患此类疾病，如，农民、矿工、运动 员等。文献统计已经表明，以三维牵引床为主结合其它疗法对腰椎病病人有良好 的疗效。在各级医院推广使用三维牵引床必将造福于椎间病患者，提高患者的生 活质量。 1 3 本课题研究目的、意义及内容 本课题是从系统的角度研究三维牵引床控制系统的总体设计思路及实现方 法。通过课题研究，给出一种三维牵引床控制系统设计的方法并进一步进行较详 细的设计。本课题成果具有实用价值并对我国的牵引床研发具有重要的参考价值。 该系统应具有以下特点： 1 、在技术上具有先进性； 2 、硬件设计本着简单、降低成本的原则，最大限度地发挥软件的功能；擎 3 、人机界面良好，使用方便； 4 ，功能完善、灵活。 本课题研究内容如下： l 、对三维牵引床控制系统进行需求分析并提出一种设计方案。 2 、进行控制系统的硬件设计。 3 、进行控制系统的软件设计。 4 、系统联调，使控制系统实现对三维牵引床的控制功能并具有良好的人机界 面。 山东大学硕士学位论文 本章小结 目前很多专业人员对三维牵引床治疗椎间病的机理进行了不少研究，初步建 立起来一系列理论，这些理论将随着研究的深入不断完善。实践证明，三维牵引 床治疗椎问病有显著疗效，三维牵引床在医院进行的推广在我国极有意义。研制 高性能的三维牵弓l 床在我国起步不久，需进一步加大研发力度。本课题将从系统 的角度研究三维牵引床控制系统的设计方法，并进行较详细的软硬件设计。 山东大学硕士学位论文 第2 章控制系统总体分析与设计 三维牵引床控制系统设计的主要任务是实现主牵、旋转、倾角三个运动并加以 控制，这三个运动相互独立并能根据治疗需要灵活组合，为此需要一个能实现该功 能的控制系统。 2 1 三维牵引床工作方式和运动参数需求分析 进行控制系统设计之前应对三维牵引床的工作方式进行研究，以此为基础进 行总体设计。三维牵引床的结构示意图见图2 一l 。三维牵引床要求实现三个运动， 包括主牵运动、旋转运动和倾角运动，这三个运动要求具有独立性。在进行牵引 治疗时可以根据病人的病情选择一种运动也可以对这三种运动进行组合。为了给 医生提供更大的治疗空间，控制系统应设计一种自动运行工作方式，在这一工作 方式中医生可以将牵引床的运动通过几个步骤实现，所有步骤的完成是自动实现 的，从而可以因人而异地为患者设计治疗方案。另外为了提高操作的灵活性还需 设计几种工作方式，分别为主牵正向点动、主牵反向点动、倾角正向点动、倾角 反向点动、旋转正向点动、旋转反向点动、主牵复位、旋转复位、倾角复位、急 停和软件复位。为此控制系统应有1 2 种工作方式，这1 2 种工作方式应通过操作 图2 1 三维牵引床结构示意图 人员以命令的形式发送给控制系统，控制系统收到后执行每一种工作方式对应的 山东大学硕士学位论文 子程序。 三维牵引床运动参数分为主牵运动、倾角运动和旋转运动三类。与自动运行工 作方式有关的参数包括主牵距离、主牵速度、上倾角角度、下倾角角度、倾角速度、 左旋转角度、右旋转角度、旋转速度。另外还包括主牵、倾角、旋转三个运动的点 动速度和复位速度。以上运动学参数均需一定的控制精度，主牵位移误差应在 0 5 r a m 之内，倾角和旋转位移误差应在o 5 。以内，速度控制精度应在设定值1 0 范围内。为了获得足够的控制精度，控制系统中使用三个位移传感器对三个运动参 数进行实时检测以形成闭环位移控制。速度控制通过给步进电机发送一定频率的脉 冲实现，精度容易实现。 根据三维牵引床的要求，三个运动的设计参数如下： 1 、旋转、倾角最大角度：2 0 。 2 、最大旋转、倾角速度：2 0 。s 。 3 、旋转、倾角复位速度：3 。s 。 4 、旋转、倾角点动速度：3 。s 。 5 、主牵最大距离；8 0 帆。 6 、主牵最大速度：1 0 0 m m s 。 7 、主牵点动速度：3 m m s 。 8 、主牵复位速度：3 m m s 。 2 2 控制系统总体分析 三维牵引床控制系统硬件总体设计一般有两种选则，一种是单级控制，一种是 二级控制。单级控制以具有丰富软件资源并可根据需要进行硬件配置的计算机作为 控制系统的核心，以工控机为代表。二级控制采用下位机作为控制系统的核心，完 成实时控制，上位机完成参数的输入、指令的发出、数据库的建立、设备状态的监 控等。二级控制一般选用p c 作为上位机，选用单片机作为下位机。在软件设计上， 为了给设备使用者提供方便，应建立良好的人机界面，通过人机界面完成工作参数 和命令的输入并显示设备的实际运行状态。对于单级控制的计算机和二级控制上位 山东大学硕士学位论文 _ 目! g 目i l ! 目! _ lj ee ! ! ! ! ! ! 自! ! ! ! 自! ! ! ! e ! ! j ! 自自目! ! 自! g ! ! ! e ! ! 目 机的p c ，宜选用面向对象的编程语言作为开发语言，比如：v b 、v c 等。下位机 根据需要可选用汇编语言或c 语言进行软件开发。 本课题采用二级控制方式，选用单片机作为下位机，p c 作为上位机。这样既 可以利用上位机丰富的软件资源，又可以利用单片机在实时控制方面的优点。三维 牵引要求主牵、倾角、旋转三个运动具有独立性，因此最简捷的办法就是用三个电 机实现三个运动，控制系统对三个电机分别加以控制。电机驱动方式可选用交流电 机伺服驱动或步进电机伺服驱动。为了实现对电机的控制应设计电机驱动接口。 由于上位机和下位机要建立通信，应进行通信接口电路的设计和通信软件的设计。 上位机要建立人机界面，为此选用、，b 作为开发语言。 2 3 控制系统硬件总体设计 本系统以单片机为核心控制部件，外加外围电路来完成控制任务嘲【1 0 】【。选 用单片机作为控制系统核心是因为单片机具有强实时控制功能，使用安全。上位 p c 机与单片机之间进行串行通信，完成信息的双向传送。之所以选用上位p c 机， 是因为p c 机有庞大的软件工具为后援，包括各种操作系统、器件驱动程序、程序 主牵位移传感器卜_ + | 二五亟委i 一 照 十一上位机 i 旋转位移传感器卜+ 互三蔓i i 啼 倾角位移传感器卜_ 歪三垂i i - + 片 匡三亟h 主牵速度、方向指令卜 卜一设备侧信号 机 区亘酬旋转速敷方向指令卜 控制7 i 饭向备i 堡鱼皇垫h 倾角速度、方向指令i 卜 图2 2 控制系统硬件原理图 山东大学硕士学位论文 库、设计语言及调试、除错工具等，使用面向对象的程序设计语言可以设计出良 好的人机界面。三维牵引床的运动包括主牵运动、旋转运动和倾角运动，这三个 运动要求具有独立性，并可以根据牵引治疗要求进行组合。为了实现较高的位置 控制精度及实时检测，外围电路设置了位移检测电路，以便检测三个运动的实际 位移，单片机根据实际位移和设定位移之间关系的变化及时作出反应以控制牵引 床的运动。控制系统硬件原理图见图2 2 【1 2 】【1 3 。 本章小结 本章对三维牵引床的工作方式和运动参数进行了需求分析并对控制系统进行 了初步分析和总体设计。以此为基础，就可以进行硬件、软件设计研究。 山东大学硕士学位论文 第3 章控制系统硬件电路的设计 3 1 单片机的选择及性能要求 在通用微机中央处理器基础上，将输入输出( ) 接口电路、时钟电路以及 一定容量的存储器等部件集成在同一芯片上，再加上必要的外围器件，如晶体振 荡器，就构成了一个完整的计算机硬件系统，该芯片即单片微控制器 ( s i n g l e - c h i p - m i c r oc o n t r o l l e r , 简称单片机) 或微控制单元( m i c r o c o n t r o l l e r , 简称 m c u ) 。与通用微处理器不同，单片机主要面向工业控制”l 。正因为如此，单片机 除了应具备通用c p u 的数值计算功能外，还必须具有灵活、强大的控制功能，以 便实时监控系统的输出量、输入量，实现自动控制。由于单片机面向工业控制， 工作环境往往比较恶劣，如高温、强电磁干扰、甚至含腐蚀性气体，在太空中工 作的单片机控制系统，还必须具有抗辐射能力，因而决定了单片机c p u 与通用微 机用c p u 具有不同的技术特征和发展方向【1 6 1 ： 抗干扰性强，工作温度范围宽。而通用微机c p u 一般要求在室温下工作。 可靠性高。在工业控制中，任何差错都可能造成极其严重的后果。可靠性 的提高很大程度上得益于单片机采用哈佛结构。 控制功能很强，但数值计算能力相对较差。 指令系统比通用微机系统简单。 根据本系统特点，待选用单片机应具有以下性能： 运行速度快。这是因为本系统的软件代码较长且大部分控制功能在定时中 断中完成。 程序存储容量大。本控制系统的软件代码多，需较大的存储空间。 根据以上分析，本次设计采用p i l l i p s 公司的p 8 9 c 5 1 r d 2 单片机“7 1 ，这是因为 这一型号的单片机具有以下特点： 6 4 kf l a s hr o m ，无需扩展片外程序存储器。 具有内部r a m2 5 6 b ，内部扩展r a m7 6 8 b ，无需扩展片外r a m 。 运行速度快，6 时钟模式下最高工作频率达2 0 m h z ，1 2 时钟模式下最高 工作频率达3 3 m h z 。本系统使用1 2 时钟模式，工作频率为2 2 1 1 8 4 m h z 3 2 电机与电机驱动器的选择 步进电机是数字控制电机，它将脉冲信号转变成角位移，即给一个脉冲信号， 步进电机就转动一个角度，因此非常适合于单片机控制。步进电机可分为反应式 步进电机( 简称v r ) 、永磁式步进电机( 简称p m ) 和混合式步进电机( 简称l i b ) 。 步进电机区别于其他控制电机的最大特点是，它是通过输入脉冲信号来进行控制 的，即电机的总转动角度由输入脉冲数决定，而电机的转速由脉冲信号频率决定。 步迸电机的驱动电路根据控制信号工作，控制信号由单片机产生。其基本原理作 用如下： ( 1 ) 控制换相顺序 通电换相这一过程称为脉冲分配。例如：三相步进电机的三拍工作方式，其各 相通电顺序为a b c ，通电控制脉冲必须严格按照这一顺序分别控制a ，b ，c 相的通 断。 ( 2 ) 控制步进电机的转向 如果给定工作方式正序换相通电，步进电机正转，如果按反序换相通电，则电 机就反转。 ( 3 ) 控制步进电机的速度 如果给步进电机发一个控制脉冲，它就转一步，再发一个脉冲，它会再转一步。 两个脉冲的间隔越短，步进电机就转得越快。调整单片机发出的脉冲频率，就可 以对步进电机进行调速。 本次设计选用北京凯恩帝数控技术有限责任公司生产的混合式步进电机作为 主牵、倾角、旋转运动的动力源，并选用该公司生产的与之配套的k n d - b d 3 h 系 列三相混合伺服式步进电机驱动器，原因如下： 混合式步进电机采用稀土永磁材料制造，与反映式步进电机相比具有电磁损耗 小、转换频率高、动态性能好等优点。运行肘相对平稳、噪音小、输出转矩大。 作者所在单位的实验室有一台教学用数控车床配有该电机和驱动器，可以减少研 究成本。 b d 3 h 系列步进电机驱动器与三维牵引床控制系统的连接见图3 - 1 。 山东大学硕士学位论文 牵引床控制系统b d 3 h 驱动器 d b 1 5 针插座 d b 1 5 针插座 信号管脚 管脚信号 c p + 11c p + c p 99c p d i r +22d 己+ d i r ， 1 01 0d 0 d a l m66r d y l 0 v1 41 4r d y 2 + 5 v33e n + 0 v 1 11 l e n 图3 - 1 步进电机驱动器与控制系统接1 2 1 接口信号说明： c p + - ( 脉冲信号) ：每个脉冲上升沿使电机转动一步。最小脉宽2 5 “s ， 最” 高接收频率2 0 0 k h z 。 d i p + - ( 方向信号) ：若“d i p ”为低电平，电机顺时针旋转；反之，逆时针旋 转。 、 e n ：将拨码开关s w l - 4 置为“o f f ”时为使能信号，当输入信号接通时， 大约1 0 0 毫秒，r d y 灯亮且继电器触点闭合。若无信号输入时，继电器触点断开， 且a l m 3 a l m 4 灯点亮。 r d y l 2 ( 准备好信号) ：驱动器正常工作时继电器触点接通，当驱动器有故障 时触点断开。该信号用于通知系统驱动器报警。 其他内容见产品说明书，不再赘述。 3 3 位移检测电路的设计 位移检测传感器均采用新型的导电塑料电位计。主牵运动是牵引床三个运动 中的主要运动，为了提高位移分辨率，采用了1 2 位的模数转换器a d 5 7 4 a 完成 些堕丝些兰墅鎏一 a d 转换，倾角运动和旋转运动采用8 位的模数转换器a d c 8 0 8 4 完成a d 转换。 主牵最大距离设计为8 0 m m ，选用1 0 0 r a m 的导电塑料电位计，若选用8 位的 a d 转换器，则分辨率为0 4 r n m ，分辨率偏低。选用1 2 位的a d 转换器，分辨率 为0 , 0 2 4 m m ，较为合理。 倾角上下限角度和旋转左右限角度均设计为2 0 。，选用5 0 。导电塑料电位计， 若选用8 位a d 转换器，分辨率为o 2 。，精度较为合理。 a d c 0 8 0 4 是8 位全m o sa d 转换器，是当前最流行的中速廉价型产品之一。 a d c 0 8 0 4 内部有时钟电路，只要在c l k r 和c l k i n 两端外接一对电阻电容即可 p o o p o l 如2 p 0 3 p 0 4 p o j p 0 6 p o t 抛0 p 3 ， p 3 6 图3 2a d c 0 8 0 4 接口电路 产生a d 转换所需时钟，其振荡频率约为i 1 1 r c ，本次设计选用典型参数r = 1 0 k ， c = 1 5 0 p f ，振荡频率约为6 4 0 k h z ，转换时间约1 0 0 “s 。读写控制端r d 和w r 分别与单片机的读写控制端相接。为了节省端口，旋转位移检测用a d c 0 8 0 4 和倾 角位移检测用a d c 0 8 0 4 的转换结束信号“i n t r 未用，而是用延时的方法等待转 换结束。参考电压v p , x , r ：2 由外电路提供，从 v r e v 2 ”端送入。片选地址分别为1 1 1 1 1 1 1 0x x x xx x x x 和1 1 1 11 1 0 1x x x xx x x x ，即f e f f h 和f d f f h 1 8 1 。旋转角度检测硬 件连接见图3 2 【1 9 1 。 a d 5 7 4 a 是常用的综合性能比较高的逐次比较式模数转换器，转换时间为2 5 - - 3 5 i s 。片内有数据输出寄存器，并有三态输出的控制逻辑。其运行方式灵活，可 山东大学硕士学位论文 进行1 2 位转换，也可作为8 位转换；转换结果可以直接1 2 位输出，也可先输出8 位，后输出低4 位；可直接与8 位、1 2 位、1 6 位的c p u 接口；输入可以设置成单 极性，也可设成双极性；片内有时钟电路，无需外加时钟。 。 a d 5 7 4 a 与单片机接口简单。本次设计硬件连接见图3 3 。高8 位d b n _ d b 4 分别与单片机的p 0 7 一p 0 0 相连，低四位d b 3 - d b o 分别于单片机的p o 7 - p o 4 相连。 无论是启动、转换还是结果输出，都要保证c e 为高电平，故单片机的读写控制端通 过与非门与a d 5 7 4 a 的c e 相连。因转换结果为8 位双字节输出，故1 2 8 端子数字 接 p o o p o j 珊， p 0 3 p d p o j p 0 6 珊， 虑d ，呱 p 2 ， p l d ，l j 。 图3 - - 3a d 5 7 4 a 接1 ：3 电路 地【2 0 】。片选端接单片机的p 2 2 ，片选地址为i i i i1 0 1 1x x x xx x x x ，即f b f f h 。a o 和r c 分别与单片机的p i 0 和p i 1 相连，r c = a o = o 时启动转换；数据输出时，令 r c = l ，a o = o 时高8 位并行输出，a o = i 时低4 位加上尾随4 个0 输出。 3 4 电机驱动电路设计 3 4 1 主要芯片介绍 3 4 1 18 2 5 4 芯片 可编程定时器8 2 5 4 是2 4 脚双列直插芯片，具有以下功能： 三个独立的1 6 位计数器。 每个计数器可按二进制或十进制编程。 每个计数器可编程以6 种不同方式工作： 方式0 ：计数结束中断 方式1 ：可编程单稳 、 方式2 ：频率发生器 方式3 ：方波频率发生器 方式4 ：用软件“触发”产生选通信号 方式5 ：用硬件触发产生选通信号 每个计数器计数频率最高为1 0 m h z 。 可读回状态。 定时器占用4 个u o 地址。 本设计中8 2 5 4 芯片工作于方式3 ，即作为方波频率发生器使用。 3 4 1 28 2 5 5 芯片 8 2 5 5 为可编程三端口并行f o 接口芯片，是单片机应用系统中较常见的并行 i o 扩展芯片之一。它具有4 0 个引脚，双列直插封装，+ 5 v 供电。8 位数据线双 向三态，接至系统数据总线，在内部经数据总线缓冲电路后和各组控制寄存器及 各端口数据寄存器连接；c s 为片选信号，低电平有效；地址信号a 1 、a 0 经片内 译码产生四个有效地址分别对应a 、b 、c 三个独立的数据端口及一个公共的控制 端口；两个低电平有效信号r d 和w r 决定了c p u 和8 2 5 5 之间信息的流向：r d = 0 时从8 2 5 5 读至c p u ，w r - - 0 时由c p u 写入8 2 5 5 ；r e s e t 为复位信号，高电平有效； a 、b 、c 三个端口各有8 条端口u o 线，a 口和b 口具有u o 锁存器和缓冲器， 但b 口输入时可以不锁存，c 口输出具有锁存和缓冲功能，输入只有缓冲功能。 3 4 2 电机驱动电路设计 为了减轻单片机的负担，步进电机驱动器所需指令脉冲由定时计数器8 2 5 4 提 供，单片机定时给8 2 5 4 提供计数初值，8 2 5 4 根据计数初值产生相应频率的脉冲， 山东大学硕士学位论文 从而使步进电机产生一定的转速。 图3 4 电机驱动接口电路 电机驱动电路见图3 4 2 1 1 1 2 2 1 。单片机根据主牵、旋转、倾角三种运动的实际 位置经过运算得到各种输出指令，包括三个电机的转向指令、脉冲输出启停指令和 运动速度指令。三个电机的转向指令由p 1 5 、p 1 6 和p 1 7 输出，“0 ”和“1 ” 分别对应电机的反转和正转；8 2 5 4 接受来自单片机的速度指令和启停指令，速度 指令值作为8 2 5 4 计数器的初值由p 0 口送至8 2 5 4 的d 7 - d 0 ，脉冲输出启停指令来 自单片机的p 1 2 、p 1 3 和p 1 4 ，经反相后送至8 2 5 4 的g a t e 0 、g a t e l 和g a t e 2 ， p 1 2 、p 1 3 、p i 4 置“l ”和“0 ”分别控制指令脉冲输出的“停止”和“启动”。 本次设计8 2 5 4 的时钟频率确定为2 g d z ，太高则计数初值将超过f f f f h ，太低则速 度指令分辨率降低。8 2 5 4 将来自单片机的速度指令作为计数初值并在工作方式3 下工作例，产生一定频率的脉冲，经由a m 2 6 l s 3 1 差分驱动分别送至三个电机驱动 器。 图3 - 4 中8 2 5 4 的c l k 0 、c l k i 和c l k 2 接收来自2 m h z 有源晶振的时钟信号。 由于单片机采用地址，数据复用技术，低8 位地址a 7 - a 0 与数据总线d 7 d o 分时使 山东大学硕士学位论文 用p 0 口引脚，因此8 2 5 4 的a 0 和a l 通过地址锁存器7 4 l s 3 7 3 与单片机的p 0 0 和p o 1 相连；c p i + - 为旋转脉冲信号，送至旋转电机驱动器；c p 2 + - 为倾角脉冲 信号，送至电机驱动器；c p 3 + - 为主牵脉冲信号，送至主牵电机驱动器；p 1 5 ， p 1 6 、p 1 7 分别为旋转倾角、主牵的方向信号，送2 6 l s 3 1 后差动输出。d i r i + - 为差动输出后的旋转方向信号，送至旋转电机驱动器；d i r 2 + - 为差动输出后的倾 角方向信号，送至倾角电机驱动器；d i r 3 + - 为差动输出后的主牵方向信号，送至 主牵电机驱动器。 3 4 3 设备状态检测电路设计 m 1 m ! 圭竺瑶写i 一 生 卫 # 世坠蚓 _ | l - 一 强；瓜p l l 4卫 j l j | l p 姐l l x 2 黜 7 i 图3 5 设备状态检测电路 8 2 5 5 并行接口芯片完成设备侧状态信号的输入，设计时只用了其中的4 个引 脚，其余的空余引脚供系统扩展用。“d a l m l ”、“d a l m 2 ”和“d a l m 3 ”分别为 三个步进电机驱动器的报警信号，以通知单片机是否有驱动器报警，单片机接到 报警信号后进行相应处理。状态检测电路见图3 5 【2 4 1 。 3 5 串行通信接口电路的设计 随着计算机及工业用p c 的普及，串口通信成为上位机与下位机通信的主要方 法。随着计算机网络的不断发展，串口通信将发挥越来越大的作用。本系统采用 山东大学硕士学位论文 皇皇曹皇皇詈詈詈置鼍! 篁0 量詈詈皇! 篁量詈詈詈墨墨! 置! 曼詈