吴昆韦　喻洪流　石萍

摘要：

为帮助腰椎间盘突出症患者进行牵引治疗，设计了一款多维牵引智能康复床控制系统。以STM32F103单片机为控制核心，配合供电系统模块、液压阀驱动电路模块、电动推杆驱动电路模块、串口通信电路模块与传感器电路模块，构成了牵引床控制平台的硬件系统，并且对牵引模块、串口通信模块、传感器模块进行软件设计，构成了牵引床控制平台的软件系统。对控制系统输出的脉宽占空比PWM进行调控，实现了液压阀的比例控制，实验结果证明了该控制系统的可行性。

关键词：

腰椎间盘突出症；多维牵引；比例控制

DOIDOI：10.11907/rjdk.172697

中图分类号：TP319

文献标识码：A文章编号文章编号：16727800（2018）003012704

英文摘要Abstract：To help patients with lumbar disc herniation implement traction therapy，a control system of a multidimensional traction intelligent rehabilitation bed is designed. With the STM32F103 microcontroller as the control core， the hardware of the traction bed control platform is constituted by power supply module， hydraulic valve driving module， electric putter driving module， serial communication module and sensor module， the software of the traction bed control platform is constituted by the software design of traction module， serial communication module and sensor module. The pulse width modulation （PWM ）of the control system is controlled to achieve the proportional control of the hydraulic valve， which proves the feasibility of the control system. The control system is reasonable and feasible in design.

英文關键词Key Words：lumbar disc herniation； multidimensional traction； proportional control

0引言

腰椎间盘突出症是一种较为常见的疾病，主要发病原因是患者的腰椎间盘纤维发生了因外伤产生的裂隙或因为腰椎间盘纤维发生了环退。该病多见于青壮年，其中20～40岁之间患者约占70%，但亦可见于16岁以下年幼者及70岁以上高龄者，且高龄者多伴有椎管狭窄或神经根管狭窄。男女性别间发病率差异较大，男性多于女性，男女比例约为4∶1[1]。在对腰椎间盘突出症患者进行治疗的过程中，部分患者使用了手术治疗，但无论是常规手术还是微创手术，都会对患者身体造成一定创伤，对其术后恢复造成较大影响，导致部分患者最终治疗效果不理想。因此，对腰椎间盘突出症的非手术治疗方法进行研究显得尤为重要。目前有较多的非手术治疗腰椎间盘突出症的方法，而其中最安全、无风险且效果较好的治疗手法便是中医牵引治疗[23]。

牵引治疗是保守治疗腰椎间盘突出症的重要治疗手段，有持续牵引、间歇牵引、前屈牵引、背伸牵引、三维牵引等不同牵引方式。国内学者通过临床研究，观察得出不同牵引方法的疗效有所差异，重庆市第三人民医院康复理疗科的符晓[4]认为间歇牵引的疗效优于持续牵引；桂林医学院附属医院的杨少华等[5]认为L4～5突出患者使用前屈快速牵引方式疗效优于背伸状态的牵引，L5～S1椎间盘突出背伸状态牵引方式疗效优于前屈状态的牵引。牵引床的主要功能有：①调节小关节紊乱，松弛背颈部肌肉[6]；②改善突出物与神经根之间的关系，改善自主神经对内脏器官的支配，提高机体应激能力[78]；③延缓组织衰老，提高自身免疫力等[9]。

本研究的目标是研制一套多维牵引智能康复床（见图1）控制系统，医生可以根据患者的实际情况和需要采取相应治疗策略，修改上位机软件的治疗参数，通过计算机串口发送数据给控制系统，使多维牵引智能康复床的床体执行指定的康复治疗动作。控制系统通过串口接收上位机软件参数并解析成相应的动作命令，通过单片机和液压阀驱动电路、电动推杆驱动电路，使液压缸和电动推杆完成指定运动，通过传感器测量牵引床的拉力和旋转角度，并反馈到单片机修正床体的实际治疗量。

1控制系统总体方案设计

多维牵引智能康复床控制系统的总体设计框图如图2所示，控制系统包括嵌入式芯片、液压电磁阀驱动电路和反馈电路等。嵌入式单片机接收上位机传来的控制命令驱动液压缸执行相应命令，完成水平牵引、旋转、摆角、成角等功能。传感器采集床体的运动姿态数据，并通过反馈电路反馈给嵌入式芯片，芯片根据传感器数据修正运动参数，最终形成一个闭环反馈控制电路。上位机通过RS-232串口向嵌入式芯片传输数据，包括牵引姿态、牵引模式、牵引角度、速度、距离等变量。

2控制平台硬件设计

硬件系统主要包括：供电系统模块、液压阀驱动电路模块、电动推杆驱动电路模块、串口通信模块与传感器模块。

2.1供电系统模块

多维牵引智能康复床采用单相220V三线制接入，低压断路器作为第一道切断隔离开关，同时具备负荷、短路、欠压和漏电保护功能，交流接触器作为通断电源的主电器，使用保险丝作为过流保护元件，经过交流接触器之后将电源均匀分配到液压泵和电动机，并输送到开关电源部分。开关电源产生24V直流电给主控系统供电，主控系统再次进行电压变换，给各种类型的芯片供电。

2.2液压阀驱动电路模块

由于多维牵引智能康复床需要对液压系统进行精确控制，因此采用了电液比例控制技术[10]。比例电磁阀的工作原理是根据电磁开关阀的原理改进而来：电磁开关阀在断电时，阀内弹簧将阀芯顶在阀座上，阀门关闭[11]；当电磁铁线圈通电时，产生的电磁力克服弹簧力将阀芯提起，从而打开阀门。比例电磁阀对电磁开关阀的结构作了一些改进：在任何线圈电流下使弹簧力与电磁力之间产生平衡。输入线圈电流的大小或电磁力大小将影响柱塞的行程和阀门开度，而阀门开度与输入线圈的电流之间为理想的线性关系。

本系统采用脉宽调制（Pulse Width Modulation，PWM）的方法，向比例电磁铁输出脉宽可调的电脉冲，以获得确定流量的液压输出。脉宽调制是利用单片机输出的数字信号对模拟电路进行控制的简单有效的技术。PWM的原理如图3所示。

采用PWM 控制器输出的脉冲触发比例电磁铁， 比例电磁铁再去控制比例阀的通断和开口度大小，改变液压流量和时间， 液压缸按脉冲宽度的时间动作， 从而达到自动控制参数的目的[1213]。

主控芯片采用STM32F103ZET6，其采用3.3V供电，L9352B采用5V供电，因此STM32芯片与L9352B不能直接连接。本文选用四通道数字隔离器ADUM1402，它既能兼容3.3V和5V的电压，也起到了隔离作用。每片ADUM1402可以给L9352B传输两路PWM控制信号或两路开关量信号，另外L9352B的使能输入EN和漂移检测使能输入TEST也需要ADUM1402进行隔离和电压转换，因此一片L9352B需要使用三片ADUM1402。L9352B的Q3、Q4输出两路PWM信号控制一个电液比例阀，Q1、Q2输出两路开关信号控制一个电磁阀。D3、D4为续流二极管通道（Free-Wheeling Diode Channel），以保护元件不被感应电压损坏。

2.3电动推杆驱动电路模块

电动推杆的控制采用BTS7960电机驱动芯片，一个电机驱动电路采用两片BTS7960，可以构成一个全桥H型驱动系统。在任意时间，同一桥臂上的MOSSFET功率管只导通一个，用于控制电机正转和反转。

2.4串口通信电路模块

多维牵引智能康复床需要上位机向单片机发送数据，上位机串口是典型的232电平逻辑，1为-3V～-15V，0为+3V～+15V。RS232电平不能直接连接到STM32，因此需要一个电平转接芯片，本系统选择SIPEX公司的SP3232进行电平转换。在SP3232上接一个9针串口母头，通过一根公对母的9针串口线与PC机上的串口公头连接。

2.5传感器电路模块

本文采用的是S型拉压力传感器，S型拉压力传感器有四根线，包括两根电源线和两根信号线，最大输出电压为24mV，因此需要对输出电压进行放大处理。电压放大选择的是仪表放大器AD620，AD620的+IN和-IN接拉压力传感器信号，+RG和-RG跨接电阻Rg来调整放大倍率，Rg=49.9k/（G-1），G为增益，AD620的+VS、-VS接正负电源，REF接芯片基准电压，一般选择接地，6号引脚输出。

3控制平台软件设计

多维牵引智能康复床的设计需要软件和硬件基础，下位机软件主要执行以下几个任务：①执行牵引控制，包括液压系统控制和电动推杆控制；②与上位机进行串口通信；③传感器信号采集处理。软件系统运行的总体流程如图4所示。

3.1牵引模块软件设计

牵引模块实现了通过单片机控制液压系统和电动推杆。对于比例阀，需要通过PWM波改变比例阀的开口度，从而实现液压压力流量控制。以定时器3的通道2产生PWM波为例，主要使用了捕获比较模式寄存器TIMx_CCMR1/2，捕获比较使能寄存器TIMx_CCER，捕获比较寄存器TIMx_CCR1～4。捕获比较模式寄存器TIMx_CCMR1控制定时器通道1和通道2，TIMx_CCMR2控制定时器通道3和通道4。该寄存器第12～14位的模式设置位OCxM设置为110PWM模式。捕获比较使能寄存器TIMx_CCER的第4位CC2E置1，使能通道2的输入捕获。捕获比较寄存器TIMx_CCR1～4对应定时器的4个通道，通过修改该寄存器的值与定时器的计数值CNT相比较，即可控制PWM输出的占空比。这里TIMx_CCR寄存器的值不是固定的，根据上位机软件传输的治疗参数，改变TIMx_CCR寄存器的值，从而可通过硬件电路改变液压系统的流量，达到治疗要求。

3.2串口通信模块软件设计

STM32的串口使用比较简单，只需开启串口时钟，配置好相应的IO口，设置波特率、数据位長度、校验位等即可使用。每个串口都有一个波特率寄存器USART_BRR，用来存放分数波特率的值。寄存器的低四位用于存放小数部分DIV_Fraction，4～15位用于存放整数部分DIV_Mantissa。

STM32波特率值=Fpclk16USARTDIV

其中，Fpclk是串口的时钟。因此，在知道Fpclk和波特率的情况下，则可以求出USARTDIV的值，将USARTDIV的值转换为十六进制，分别将整数和小数部分赋值给DIV_Mantissa和DIV_Fraction，从而将BRR寄存器写入波特率的值。

3.3传感器模块软件设计

S型拉压力传感器产生的模拟电压信号通过AD620放大，放大倍数通过一个电位器调节，使最大的输出电压小于stm32单片机ADC模块引脚所能承受的最大电压3.3V。stm32的模数转换器（ADC）具有12位采样精度，参考电压VREF+接3.3V。因此，ADC的电压值=ADC的转换值*（3.3V/4096）。将ADC的电压值与拉压力传感器理论上拉力对应的电压值相比较（此处理论电压值是指经过AD620放大后的电压值），当ADC的电压值等于理论上的电压值，则液压系统保压；当ADC的电压值大于理论上的电压值，则液压系统减压；当ADC的电压值小于理论上的电压值，则液压系统增压，可以通过修改比例溢流阀PWM波的占空比实现。拉压力传感器模块的输出接到PA0/ADC123_CH1。

4PWM占空比实验

本实验通过基于Visual Basic的多维牵引智能康复床软件将治疗参数通过串口发送给控制系统。因为比例电磁溢流阀的开口度大小是根据输入电压信号的大小控制的，因此通过改变PWM的占空比，可以调节比例电磁阀的开口度，从而改变液压系统的压力。因此，本实验的目的是通过示波器观察控制板输出的PWM波形是否可以根据上位机软件治疗参数的改变而改变。本实验中使用牵引力这个治疗参数，在上位机发送的字符串中，取出相应的位，将其转换成PWM的占空比，从而调节液压系统压力，改变实际牵引力大小。改变软件中牵引力的参数大小，观察PWM波形变化如图5所示。由图可知，可通过改变上位机的牵引力大小来改变PWM波占空比，从而改变比例阀开口度，达到了改变液压系统工作压力流量的目的。

5总结与展望

本文设计了一款多维牵引智能康复床控制系统，以STM32F103单片机为控制核心，配合供电系统模块、液压阀驱动电路模块、电动推杆驱动电路模块、串口通信电路模块与传感器电路模块，构成了牵引床控制平台的硬件系统，同时对牵引模块、串口通信模块、传感器模块进行软件设计，构成了牵引床控制平台的软件系统，并且对控制系统输出的脉宽占空比PWM进行调控，以实现液压阀的比例控制。实验证明了该控制系统的可行性。

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责任编辑（责任编辑：黄健）