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基于多嵌入式处理器实现的牵引理疗系统

发布时间:2021-09-25 人气:

本文摘要:0章节 医学上针对腰椎间盘引人注目症等腰脊椎病,一般来说采行物理机车的激进化疗方法。本牵引床系统是以两段式床体为化疗平台,使用ARM等嵌入式处理器并融合计算机对床体各维度运动构建分布式掌控,并由直流电机实行外力慢、较慢机车及床体的给定角度的慢较慢转动,从而构建腰脊椎病的物理化疗。1系统功能与总体设计 牵引床以两段式床体为化疗平台。其床体分成前、后两段,可供病人躺在。 前段有相同带上将病人腰上部相同,利用牵引带与活动床头连接。机车运动是前后方向的平动。

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0章节  医学上针对腰椎间盘引人注目症等腰脊椎病,一般来说采行物理机车的激进化疗方法。本牵引床系统是以两段式床体为化疗平台,使用ARM等嵌入式处理器并融合计算机对床体各维度运动构建分布式掌控,并由直流电机实行外力慢、较慢机车及床体的给定角度的慢较慢转动,从而构建腰脊椎病的物理化疗。1系统功能与总体设计  牵引床以两段式床体为化疗平台。其床体分成前、后两段,可供病人躺在。

前段有相同带上将病人腰上部相同,利用牵引带与活动床头连接。机车运动是前后方向的平动。

床头在电机驱动下可向前方知一定距离,而病人腰部则是被相同着,这样牵引带对腰椎就有了一定的作用力。床头加装S型拉力传感器检测牵引力。

后段床体也有相同带上将病人的腰下部至胯骨处相同,并可在电机造就下以腰部处为轴心做到水平平面的转动、垂直轴向的弯曲乘载旋转、以及向左右两侧的转动共计三个维度的旋转。前段床体的机车速度固定式,后段床体的转动角度与转动速度也可任意原作。  牵引床为医师获取四个维度可调节的物理运动,充份符合腰椎病物理化疗的必须。实际化疗中,医生根据患者的病理情况,将后床面的左、右转动融合快踏基础上的快踏功能展开合理用于需要起着正脊起到。

  牵引床的总体设计采行分布式掌控体系,如图1右图。计算机作为上位机通过RS-485总线与三个嵌入式控制器(下位机)构成分布式总线网络构建对床体运动的掌控。计算机构建系统总体操作控制界面。

系统简单的掌控任务被分解成为三部分,分别由三个嵌入式控制器分段动态继续执行已完成。其中,机车运动及牵引力的检测与掌控由一片STC89C52RD+单片机已完成;三个转动运动的角度检测及掌控由Samsong公司的32位ARM核RISC处理器S3C44B0X处置;床体上各类限位电源等电源量检测及输入则由另一片STC89C52RD+构建。图1系统总体设计框图2系统硬件设计  2.1基于STC89C52RD+的机车掌控  高低机车化疗是通过直流电机驱动床头向前运动从而剪切相同在患者腰间的相同带上,产生一定的机车作用力产生在腰椎。牵引力大小及高低由医生设置,并维持一段时间。

维持期间可因应床体转动等动作展开物理化疗。  牵引力可由床头的S型突发事件式拉力传感器切换为模拟信号。该信号大小与加于传感器上的鼓舞直流电力大小有关。

传感器灵敏度为2mV/V,若DC鼓舞电压为5V,则传感器输入仅次于信号为10mV。如果力传感器的量程为0-200Kg,则对应传感器输入模拟信号为0-10mV。该信号经仪表放大器AD623缩放500倍后为0-5V,经Л型电感、电容无源网络滤波后输出给10位A/D转换器TLC1549。牵引力信号频率很低,处理器每秒钟取样20次。

使用一个专用的STC89C52RD+的片内硬件定时器,间隔50ms转入定时器中断服务程序通过SPI串行接口展开一次A/D切换,并将切换后的数据由UART经模块芯片74LBC176切换为485信号发送至上位机。由上位机辨别后收到控制指令掌控机车电机及机车过程。  STC89C52RD+是STC公司生产的增强型51单片机,可靠性低,抗干扰性强劲。

在产品登记对控制器做到电磁兼容性试验时,找到使用AT89C52通不过的电源脉冲阻碍试验以及高压静电阻碍试验项目,STC89C52RD+可只能通过。STC单片机的可靠性由此可见一斑。  2.2基于STC89C52RD+的电源量检测与掌控  床体使用行程开关为各个运动行程展开限位,防止系统失控导致牵引力过大骨折病患,或转动、转动角度过军师病患甩出床体。

当经常出现触碰行程限位电源的情况时,继电器控制电路将必要截断电机电源使电机停转。控制器STC89C52RD+动态检测这些信号,并很快将此信息通过485串行总线传平等主义位机。

系统软件将暂停该进程并将系统废黜。单片机将系统的23个输入电源量状态锁住不存在3片74HC377中,保证状态可信输入。

各路输入经由光电耦合器隔绝、ULN2803缩放,驱动继电器的电源来掌控各个电动机的启停及人组动作。  设置急退按钮,在病患自己感觉不舒适度的时候可自行按下,系统将很快中止牵引力并将床体旋平。

当病人按下急退按钮,单片机检测到后即通过485总线将此消息传平等主义位机。系统软件接管到后,立刻暂停当前的机车进程,并收到命令,单片机旋即掌控机车电机翻转中止牵引力。

如果床面正处于转动弯曲状态,则掌控将床体旋平。这些措施大大提高了机车化疗系统的安全性与可靠性,对于一台医疗器械而言是必需要考虑到的。

  搭配一片STC89C52RD+作为专用的电源量检测与掌控处理器。这样可使这部分控制程序更加简练、纯粹,更容易构建,可保证系统可信正确性的动作。

若将这部分任务拆分到其他控制器中,不会减少软件的编程可玩性,流程不会更加简单,不致将减少系统运营的可靠性、安全性。  2.3基于ARM处理器S3C44B0X的转动运动控制  医疗设备的运营拒绝低噪音。系统使用高效率、低噪声的新型220V高压大功率直流电机作为床体运动的执行机构,来构建床体机械系统多维、多轴、多维度的运动。

对直流电机的掌控使用PWM方式。PWM驱动使用高效率大功率VMOS管功放电路。在嵌入式电机掌控处理器自由选择上,使用Samsong公司的32位ARM核RISC处理器S3C44B0X。

该处理器具备双串行口、5个PWM定时器、8地下通道10位ADC、最低主频66MHz,几乎胜任运动控制拒绝。  上位机经485总线收到的旋转运动指令中包括有速度参数及角度参数数据。三个维度的转动运动分别各对应一个PWM定时器的输入。

转动电机的调压由PWM频率参数调节。速度掌控是开环的。角度传感器搭配高精度单圈电位计。

电位器外接5V鼓舞,即0-360度对应0-5V。实质上,只使用了0-30度范围。这样,ARM控制器、PWM执行器与角度传感器的测量环节包含角度方位闭环调节电路,构建转动角度的调节。

考虑到目前市场上不存在欠款问题并为了更佳地重复使用资金并维护知识产权,融合S3C44B0X的内部资源设计了独有的硬件加密功能。一般来说加密是利用计算机的日历以及计算机中的硬盘序列号来构建的。计算机的运算能力强劲,算法构建也更容易,但是往往也更容易被解密。好的方法是利用电路硬件来做到加密。

首先,利用S3C44B0X内部的RTC设计日历定时器做到硬件登记时间加密。第二,利用DS18B20中全球唯一的序列号作为登记序列号来做到加密。DS18B20是DALAS公司生产的数字温度传感器,但在这里并不用其测温,而是利用其中全球唯一的序列号。它与ARM处理器的相连仅有用一根数据线不作串行数据传输。

图2转动运动控制框图3软件设计  系统控制任务与算法按照二级流形产于在各个嵌入式控制器以及上位机的软件中。STC89C52RD+单片机使用汇编语言编程,效率高,可靠性低。S3C44B0X为ARM7内核,使用C语言特汇编语言展开混合编程。上位机软件则使用功能强大的DELPHI6.0Windows应用程序开发工具研发,运用ObjectPascal语言撰写程序代码。

这使得软件对床体的掌控更为灵活性、可信和高效,界面简练友好关系,操作者便利、可靠性低。在研发过程中使用了一些新的技术,最主要的是控件技术,特别是在串行通信中使用了控件技术,大大提高了串行通信的可靠性,确保了系统的可靠性。其软件结构功能总体框图如图3右图。

3.1通讯协议  上位机对机车运动、转动运动与电源量动作的掌控与协商指挥官是通过一定协议的数据通讯表达至各嵌入式处理器继续执行的。通讯指令依照异步串行数据通讯格式制订,还包括字头、下位机地址、指令数据和结束符三部分。

字头与结束符用作数据实时。指令、数据表达参数设置与掌控等信息。  上位机通过485总线主动收到告知指令来获取数据并展开掌控。

各下位机嵌入式控制器平时正处于被动接管状态,当证实查找地址是自己时,即上载数据或执行命令。实践中找到由于信道的问题,首先及最后发送到的字符往往不会经常出现错误,从而导致一定的误码。

这不会影响到系统的可靠性。为了解决问题这一问题,在字头发送到前及结束符发送到后,多发送到几个牵涉到的字节0xFF。

实验证明,大大降低了误码率。  3.2基于Spcomm控件的串口通信构建  用Delphi构建串口通信,常用的方法有:第一,用于控件。

如Mscomm和Spcomm控件等。第二,用于API函数在Delphi中调用其它串口通信程序。

用于API方法的优点是合适撰写更为简单的低层次通信程序,但缺点是撰写串口通信程序更为简单。本系统搭配Spcomm。

它是Small-PigTeam研发的一个第三方Delphi串口控件,该控件具备非常丰富的与串口通信密切相关的属性及事件,获取了对串口的各种操作者,且编程非常简单、通用性强劲、可移植性好。在Delphi软件开发中沦为一个被广泛应用的串口通信研发控件。Spcomm串行通信控件为多线程。接管和发送数据分别在两个线程内已完成,接管线程负责管理接到数据时启动时OnReceiveData事件。

WriteCommData()函数将待发送到的数据载入输入缓冲器,发送到线程在后台已完成数据发送到。在接管和发送数据前必须初始化串口,用StartComm关上串口,退出程序时用StopComm重开串口。4总结  医疗设备产品尤其是理疗设备必要起到于病人身体,可靠性是第一位,无法出差错。

因此,系统的优化设计是关键。将掌控任务与算法产于在有所不同的嵌入式处理器中分段运营,可使每个处理器的程序都具体、明晰,并且便利上位机展开掌控。

本系统已交付给厂家(河南腾近医疗设备有限公司)生产,并已在多家医院投放化疗,体现效果较好,并已产生大约一百万元经济效益。早已专家会议检验评审为河南省科技成果。

创意点:在简单的嵌入式系统中使用多个嵌入式处理器融合上位计算机来分段承担系统的简单任务与算法,为医疗设备的研制取得了绝佳的可靠性。  参考文献:  [1].江申陈首先王子健孙盾.基于S3C44B0X的嵌入式温度湿度动态监控系统[J].微计算机信息,2006,6-2:207-208.  [2].马鹏阁.一种用作颈、脊、腰椎机车化疗的理疗仪器[J].电子工程师,2004,05  [3].李岩荣盘祥.基于S3C44B0X嵌入式CLinux系统原理及应用于[M].北京:清华大学出版社,2005.  [4].田泽.嵌入式系统研发与应用于教程[M].北京:北京航空航天大学出版社,2005.。


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