基于ARM的牽引理療系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

引言

醫(yī)學(xué)上針對(duì)腰椎間盤(pán)突出癥等腰脊椎病，通常采取物理牽引的保守治療方法。本牽引床系統(tǒng)是以兩段式床體為治療平臺(tái)，采用ARM等嵌入式處理器并結(jié)合計(jì)算機(jī)對(duì)床體各自由度運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)分布式控制，并由直流電機(jī)實(shí)施外力快、慢速牽引及床體的任意角度的快慢速旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)腰脊椎病的物理治療。

1系統(tǒng)功能與總體設(shè)計(jì)

牽引床以兩段式床體為治療平臺(tái)。其床體分為前、后兩段，供病人躺臥。前段有固定帶將病人腰上部固定，利用牽引帶與活動(dòng)床頭相連。牽引運(yùn)動(dòng)是前后方向的平動(dòng)。床頭在電機(jī)驅(qū)動(dòng)下可向前牽出一定距離，而病人腰部則是被固定著，這樣牽引帶對(duì)腰椎就有了一定的作用力。床頭安裝“S”型拉力傳感器檢測(cè)牽引力。后段床體也有固定帶將病人的腰下部至胯骨處固定，并可在電機(jī)帶動(dòng)下以腰部處為軸心做水平平面的擺動(dòng)、垂直軸向的傾斜升降轉(zhuǎn)動(dòng)、以及向左右兩側(cè)的旋轉(zhuǎn)共三個(gè)自由度的轉(zhuǎn)動(dòng)。前段床體的牽引速度可調(diào)，后段床體的旋轉(zhuǎn)角度與旋轉(zhuǎn)速度也可任意設(shè)定。

牽引床為醫(yī)師提供四個(gè)自由度可調(diào)節(jié)的物理運(yùn)動(dòng)，充分滿足腰椎病物理治療的需要。實(shí)際治療中，醫(yī)生根據(jù)患者的病理情況，將后床面的左、右旋轉(zhuǎn)結(jié)合慢牽基礎(chǔ)上的快牽功能進(jìn)行合理使用能夠起到“正脊”作用。

牽引床的總體設(shè)計(jì)采取分布式控制體系，如圖1所示。計(jì)算機(jī)作為上位機(jī)通過(guò)RS-485總線與三個(gè)嵌入式控制器(下位機(jī))組成分布式總線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)床體運(yùn)動(dòng)的控制。計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)總體操作控制界面。系統(tǒng)復(fù)雜的控制任務(wù)被分解為三部分，分別由三個(gè)嵌入式控制器并行實(shí)時(shí)執(zhí)行完成。其中，牽引運(yùn)動(dòng)及牽引力的檢測(cè)與控制由一片STC89C52RD+單片機(jī)完成;三個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的角度檢測(cè)及控制由Samsong公司的32位ARM核RISC處理器S3C44B0X處理;床體上各類限位開(kāi)關(guān)等開(kāi)關(guān)量檢測(cè)及輸出則由另一片STC89C52RD+實(shí)現(xiàn)。


圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 基于STC89C52RD+的牽引控制

快慢牽引治療是通過(guò)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)床頭向前運(yùn)動(dòng)從而拉伸固定在患者腰間的固定帶，產(chǎn)生一定的牽引作用力施加在腰椎。牽引力大小及快慢由醫(yī)生設(shè)置，并保持一段時(shí)間。保持期間可配合床體旋轉(zhuǎn)等動(dòng)作進(jìn)行物理治療。

牽引力可由床頭的S型應(yīng)變式拉力傳感器轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)。該信號(hào)大小與加在傳感器上的激勵(lì)直流電壓大小有關(guān)。傳感器靈敏度為2mV/V，若DC激勵(lì)電壓為5V，則傳感器輸出最大信號(hào)為10mV。如果力傳感器的量程為0-200Kg，則對(duì)應(yīng)傳感器輸出模擬信號(hào)為0-10mV。該信號(hào)經(jīng)儀表放大器AD623放大500倍后為0-5V，經(jīng)“Л”型電感、電容無(wú)源網(wǎng)絡(luò)濾波后輸入給10位A/D轉(zhuǎn)換器TLC1549。牽引力信號(hào)頻率很低，處理器每秒鐘采樣20次。采用一個(gè)專用的STC89C52RD+的片內(nèi)硬件定時(shí)器，每隔50ms進(jìn)入定時(shí)器中斷服務(wù)程序通過(guò)SPI串行接口進(jìn)行一次A/D轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)由UART經(jīng)接口芯片74LBC176轉(zhuǎn)換為485信號(hào)發(fā)送至上位機(jī)。由上位機(jī)判斷后發(fā)出控制指令控制牽引電機(jī)及牽引過(guò)程。

STC89C52RD+是STC公司生產(chǎn)的增強(qiáng)型51單片機(jī)，可靠性高，抗干擾性強(qiáng)。在產(chǎn)品注冊(cè)對(duì)控制器做電磁兼容性試驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)采用AT89C52通不過(guò)的電源脈沖干擾試驗(yàn)以及高壓放電干擾試驗(yàn)項(xiàng)目，STC89C52RD+可輕易通過(guò)。STC單片機(jī)的可靠性由此可見(jiàn)一斑。

2.2 基于STC89C52RD+的開(kāi)關(guān)量檢測(cè)與控制

床體采用行程開(kāi)關(guān)為各個(gè)運(yùn)動(dòng)行程進(jìn)行限位，避免系統(tǒng)失控造成牽引力過(guò)大拉傷病患，或旋轉(zhuǎn)、擺動(dòng)角度過(guò)大將病患甩出床體。當(dāng)出現(xiàn)碰觸行程限位開(kāi)關(guān)的情況時(shí)，繼電器控制電路將直接切斷電機(jī)電源使電機(jī)停轉(zhuǎn)?？刂破鱏TC89C52RD+實(shí)時(shí)檢測(cè)這些信號(hào)，并迅速將此信息通過(guò)485串行總線傳至上位機(jī)。系統(tǒng)軟件將停止該進(jìn)程并將系統(tǒng)復(fù)位。單片機(jī)將系統(tǒng)的23個(gè)輸出開(kāi)關(guān)量狀態(tài)鎖存在3片74HC377中，確保狀態(tài)可靠輸出。各路輸出經(jīng)由光電耦合器隔離、ULN2803放大，驅(qū)動(dòng)繼電器的開(kāi)關(guān)來(lái)控制各個(gè)電動(dòng)機(jī)的啟停及組合動(dòng)作。

設(shè)置“急退”按鈕，在病患自己感覺(jué)不舒適的時(shí)候可自行按下，系統(tǒng)將迅速解除牽引力并將床體旋平。當(dāng)病人按下“急退”按鈕，單片機(jī)檢測(cè)到后即通過(guò)485總線將此消息傳至上位機(jī)。系統(tǒng)軟件接收到后，立即停止當(dāng)前的牽引進(jìn)程，并發(fā)出命令，單片機(jī)隨即控制牽引電機(jī)反轉(zhuǎn)解除牽引力。如果床面處于旋轉(zhuǎn)傾斜狀態(tài)，則控制將床體旋平。這些措施大大提高了牽引治療系統(tǒng)的安全性與可靠性，對(duì)于一臺(tái)醫(yī)療器械而言是必須要考慮的。

選用一片STC89C52RD+作為專用的開(kāi)關(guān)量檢測(cè)與控制處理器。這樣可使這部分控制程序更簡(jiǎn)潔、純粹，易于實(shí)現(xiàn)，可確保系統(tǒng)可靠無(wú)誤的動(dòng)作。若將這部分任務(wù)合并到其他控制器中，會(huì)增加軟件的編程難度，流程會(huì)更復(fù)雜，勢(shì)必將降低系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性、安全性。

2.3 基于ARM處理器S3C44B0X的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)控制

醫(yī)療設(shè)備的運(yùn)行要求低噪音。系統(tǒng)采用高效率、低噪聲的新型220V高壓大功率直流電機(jī)作為床體運(yùn)動(dòng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，來(lái)實(shí)現(xiàn)床體機(jī)械系統(tǒng)多維、多軸、多自由度的運(yùn)動(dòng)。對(duì)直流電機(jī)的控制采用PWM方式。PWM驅(qū)動(dòng)采用高效率大功率VMOS管功放電路。在嵌入式電機(jī)控制處理器選擇上，采用Samsong公司的32位ARM核RISC處理器S3C44B0X。該處理器具有雙串行口、5個(gè)PWM定時(shí)器、8通道10位ADC、最高主頻66MHz，完全勝任運(yùn)動(dòng)控制要求。

上位機(jī)經(jīng)485總線發(fā)出的轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)指令中包含有速度參數(shù)及角度參數(shù)數(shù)據(jù)。三個(gè)自由度的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)分別各對(duì)應(yīng)一個(gè)PWM定時(shí)器的輸出。旋轉(zhuǎn)電機(jī)的調(diào)速由PWM占空比參數(shù)調(diào)節(jié)。速度控制是開(kāi)環(huán)的。角度傳感器選用高精度單圈電位計(jì)。電位器外接5V激勵(lì)，即0-360度對(duì)應(yīng)0-5V。實(shí)際上，只采用了0-30度范圍。這樣，ARM控制器、PWM執(zhí)行器與角度傳感器的測(cè)量環(huán)節(jié)構(gòu)成角度位置閉環(huán)調(diào)節(jié)回路，實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)角度的調(diào)節(jié)。

考慮到目前市場(chǎng)上存在欠款問(wèn)題并為了更好地回收資金并保護(hù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)，結(jié)合S3C44B0X的內(nèi)部資源設(shè)計(jì)了獨(dú)特的硬件加密功能。通常加密是利用計(jì)算機(jī)的日歷以及計(jì)算機(jī)中的硬盤(pán)序列號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力強(qiáng)，算法實(shí)現(xiàn)也容易，但是往往也容易被解密。好的方法是利用電路硬件來(lái)做加密。首先，利用S3C44B0X內(nèi)部的RTC設(shè)計(jì)日歷定時(shí)器做硬件注冊(cè)時(shí)間加密。第二，利用DS18B20中全球唯一的序列號(hào)作為注冊(cè)序列號(hào)來(lái)做加密。DS18B20是DALAS公司生產(chǎn)的數(shù)字溫度傳感器，但在這里并不用其測(cè)溫，而是利用其中全球唯一的序列號(hào)。它與ARM處理器的連接僅用一根數(shù)據(jù)線作串行數(shù)據(jù)傳輸。


圖2 旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)控制框圖
3軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)控制任務(wù)與算法按照二級(jí)拓?fù)浞植荚诟鱾€(gè)嵌入式控制器以及上位機(jī)的軟件中。STC89C52RD+單片機(jī)采用匯編語(yǔ)言編程，效率高，可靠性高。S3C44B0X為ARM7內(nèi)核，采用C語(yǔ)言加匯編語(yǔ)言進(jìn)行混合編程。上位機(jī)軟件則采用功能強(qiáng)大的DELPHI6.0Windows應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)工具開(kāi)發(fā)，運(yùn)用Object Pascal語(yǔ)言編寫(xiě)程序代碼。這使得軟件對(duì)床體的控制更加靈活、可靠和高效，界面簡(jiǎn)潔友好，操作方便、可靠性高。在開(kāi)發(fā)過(guò)程中采用了一些新的技術(shù)，最主要的是控件技術(shù)，特別是在串行通信中采用了控件技術(shù)，大大提高了串行通信的可靠性，保障了系統(tǒng)的可靠性。其軟件結(jié)構(gòu)功能總體框圖如圖3所示。


3.1 通訊協(xié)議

上位機(jī)對(duì)牽引運(yùn)動(dòng)、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與開(kāi)關(guān)量動(dòng)作的控制與協(xié)調(diào)指揮是通過(guò)一定協(xié)議的數(shù)據(jù)通訊傳達(dá)至各嵌入式處理器執(zhí)行的。通訊指令依照異步串行數(shù)據(jù)通訊格式制定，包括字頭、下位機(jī)地址、指令數(shù)據(jù)和結(jié)束符三部分。字頭與結(jié)束符用于數(shù)據(jù)同步。指令、數(shù)據(jù)傳達(dá)參數(shù)設(shè)置與控制等信息。

上位機(jī)通過(guò)485總線主動(dòng)發(fā)出詢問(wèn)指令來(lái)獲取數(shù)據(jù)并進(jìn)行控制。各下位機(jī)嵌入式控制器平時(shí)處于被動(dòng)接收狀態(tài)，當(dāng)確認(rèn)查詢地址是自己時(shí)，即上傳數(shù)據(jù)或執(zhí)行命令。實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)由于信道的問(wèn)題，首先及最后發(fā)送的字符往往會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤，從而造成一定的誤碼。這會(huì)影響到系統(tǒng)的可靠性。為了解決這一問(wèn)題，在字頭發(fā)送前及結(jié)束符發(fā)送后，多發(fā)送幾個(gè)無(wú)關(guān)的字節(jié)“0xFF”。實(shí)驗(yàn)證明，大大降低了誤碼率。

3.2 基于Spcomm控件的串口通信實(shí)現(xiàn)

用Delphi 實(shí)現(xiàn)串口通信，常用的方法有：第一，使用控件。如Mscomm和Spcomm控件等。第二，使用API函數(shù)在Delphi 中調(diào)用其它串口通信程序。使用API方法的優(yōu)點(diǎn)是適合編寫(xiě)較為復(fù)雜的低層次通信程序，但缺點(diǎn)是編寫(xiě)串口通信程序較為復(fù)雜。本系統(tǒng)選用Spcomm。它是Small-Pig Team開(kāi)發(fā)的一個(gè)第三方Delphi串口控件，該控件具有豐富的與串口通信密切相關(guān)的屬性及事件，提供了對(duì)串口的各種操作，且編程簡(jiǎn)單、通用性強(qiáng)、可移植性好。在Delphi軟件開(kāi)發(fā)中成為一個(gè)被廣泛應(yīng)用的串口通信開(kāi)發(fā)控件。Spcomm串行通信控件為多線程。接收和發(fā)送數(shù)據(jù)分別在兩個(gè)線程內(nèi)完成，接收線程負(fù)責(zé)收到數(shù)據(jù)時(shí)觸發(fā)OnReceiveData事件。WriteCommData()函數(shù)將待發(fā)送的數(shù)據(jù)寫(xiě)入輸出緩沖器，發(fā)送線程在后臺(tái)完成數(shù)據(jù)發(fā)送。在接收和發(fā)送數(shù)據(jù)前需要初始化串口，用StartComm打開(kāi)串口，退出程序時(shí)用StopComm關(guān)閉串口。

4 總結(jié)

本系統(tǒng)已交付廠家(河南騰遠(yuǎn)醫(yī)療設(shè)備有限公司)生產(chǎn)，并已在多家醫(yī)院投入治療，反映效果良好,并已產(chǎn)生約一百萬(wàn)元經(jīng)濟(jì)效益。已經(jīng)專家會(huì)議鑒定評(píng)審為河南省科技成果。

創(chuàng)新點(diǎn)：在復(fù)雜的嵌入式系統(tǒng)中采用多個(gè)嵌入式處理器結(jié)合上位計(jì)算機(jī)來(lái)并行分擔(dān)系統(tǒng)的復(fù)雜任務(wù)與算法，為醫(yī)療設(shè)備的研制獲得了難得的可靠性。