导言
医学上针对腰椎间盘突出症等腰脊椎病，一般采纳物理牵引的保存医治办法。本牵引床体系是以两段式床体为医治渠道，选用ARM等嵌入式处理器并结合计算机对床体各自由度运动完结散布式操控，并由直流电机施行外力快、慢速牵引及床体的恣意视点的快慢速旋转，然后完结腰脊椎病的物理医治。
1体系功用与整体规划
牵引床以两段式床体为医治渠道。其床体分为前、后两段，供患者躺卧。前段有固定带将患者腰上部固定，运用牵引带与活动床头相连。牵引运动是前后方向的平动。床头在电机驱动下可向前牵出必定间隔，而患者腰部则是被固定着，这样牵引带对腰椎就有了必定的作用力。床头装置“S”型拉力传感器检测牵引力。后段床体也有固定带将患者的腰下部至胯骨处固定，并可在电机带动下以腰部处为轴心做水平平面的摇摆、笔直轴向的歪斜升降滚动、以及向左右两边的旋转共三个自由度的滚动。前段床体的牵引速度可调，后段床体的旋转视点与旋转速度也可恣意设定。
牵引床为医师供给四个自由度可调理的物理运动，充沛满意腰椎病物理医治的需求。实践医治中，医师依据患者的病理状况，将后床面的左、右旋转结合慢牵基础上的快牵功用进行合理运用可以起到“正脊”作用。
牵引床的整体规划采纳散布式操控体系，如图1所示。计算机作为上位机经过RS-485总线与三个嵌入式操控器(下位机)组成散布式总线网络完结对床体运动的操控。计算机完结体系整体操作操控界面。体系杂乱的操控使命被分解为三部分，别离由三个嵌入式操控器并行实时履行完结。其间，牵引运动及牵引力的检测与操控由一片STC89C52RD+单片机完结;三个旋转运动的视点检测及操控由Samsong公司的32位ARM核RISC处理器S3C44B0X处理;床体上各类限位开关等开关量检测及输出则由另一片STC89C52RD+完结。
图1 体系整体规划框图
2 体系硬件规划
2.1 根据STC89C52RD+的牵引操控
快慢牵引医治是经过直流电机驱动床头向前运动然后拉伸固定在患者腰间的固定带，发生必定的牵引作用力施加在腰椎。牵引力巨细及快慢由医师设置，并坚持一段时刻。坚持期间可合作床体旋转等动作进行物理医治。
牵引力可由床头的S型应变式拉力传感器转化为模拟信号。该信号巨细与加在传感器上的鼓励直流电压巨细有关。传感器灵敏度为2mV/V，若DC鼓励电压为5V，则传感器输出最大信号为10mV。假如力传感器的量程为0-200Kg，则对应传感器输出模拟信号为0-10mV。该信号经外表扩大器AD623扩大500倍后为0-5V，经“Л”型电感、%&&&&&%无源网络滤波后输入给10位A/D转化器TLC1549。牵引力信号频率很低，处理器每秒钟采样20次。选用一个专用的STC89C52RD+的片内硬件定时器，每隔50ms进入定时器中止服务程序经过SPI串行接口进行一次A/D转化，并将转化后的数据由UART经接口芯片74LBC176转化为485信号发送至上位机。由上位机判断后宣布操控指令操控牵引电机及牵引进程。
STC89C52RD+是STC公司出产的增强型51单片机，牢靠性高，抗搅扰性强。在产品注册对操控器做电磁兼容性试验时，发现选用AT89C52通不过的电源脉冲搅扰试验以及高压放电搅扰试验项目，STC89C52RD+可简略经过。STC单片机的牢靠性由此可见一斑。
2.2 根据STC89C52RD+的开关量检测与操控
床体选用行程开关为各个运动行程进行限位，防止体系失控形成牵引力过大拉伤病患，或旋转、摇摆视点过大将病患甩出床体。当呈现碰触行程限位开关的状况时，继电器操控电路将直接堵截电机电源使电机停转。操控器STC89C52RD+实时检测这些信号，并敏捷将此信息经过485串行总线传至上位机。体系软件将中止该进程并将体系复位。单片机将体系的23个输出开关量状况锁存在3片74HC377中，保证状况牢靠输出。各路输出经由光电耦合器阻隔、ULN2803扩大，驱动继电器的开关来操控各个电动机的启停及组合动作。
设置“急退”按钮，在病患自己感觉不舒适的时分可自行按下，体系将敏捷免除牵引力并将床体旋平。当患者按下“急退”按钮，单片机检测到后即经过485总线将此音讯传至上位机。体系软件接纳到后，当即中止当时的牵引进程，并宣布指令，单片机随即操控牵引电机回转免除牵引力。假如床面处于旋转歪斜状况，则操控将床体旋平。这些办法大大提高了牵引医治体系的安全性与牢靠性，关于一台医疗器械而言是必需求考虑的。
选用一片STC89C52RD+作为专用的开关量检测与操控处理器。这样可使这部分操控程序更简练、朴实，易于完结，可保证体系牢靠无误的动作。若将这部分使命合并到其他操控器中，会添加软件的编程难度，流程会更杂乱，势必将下降体系运转的牢靠性、安全性。
2.3 根据ARM处理器S3C44B0X的旋转运动操控
医疗设备的运转要求低噪音。体系选用高效率、低噪声的新式220V高压大功率直流电机作为床体运动的履行机构，来完结床体机械体系多维、多轴、多自由度的运动。对直流电机的操控选用PWM办法。PWM驱动选用高效率大功率VMOS管功放电路。在嵌入式电机操控处理器挑选上，选用Samsong公司的32位ARM核RISC处理器S3C44B0X。该处理器具有双串行口、5个PWM定时器、8通道10位ADC、最高主频66MHz，彻底担任运动操控要求。
上位机经485总线宣布的滚动运动指令中包含有速度参数及视点参数数据。三个自由度的旋转运动别离各对应一个PWM定时器的输出。旋转电机的调速由PWM占空比参数调理。速度操控是开环的。视点传感器选用高精度单圈电位计。电位器外接5V鼓励，即0-360度对应0-5V。实践上，只选用了0-30度规模。这样，ARM操控器、PWM履行器与视点传感器的丈量环节构成视点方位闭环调理回路，完结旋转视点的调理。
考虑到现在市场上存在欠款问题并为了更好地收回资金并维护知识产权，结合S3C44B0X的内部资源规划了共同的硬件加密功用。一般加密是运用计算机的日历以及计算机中的硬盘序列号来完结的。计算机的运算能力强，算法完结也简略，可是往往也简略被解密。好的办法是运用电路硬件来做加密。首要，运用S3C44B0X内部的RTC规划日历定时器做硬件注册时刻加密。第二，运用DS18B20中全球仅有的序列号作为注册序列号来做加密。DS18B20是DALAS公司出产的数字温度传感器，但在这儿并不必其测温，而是运用其间全球仅有的序列号。它与ARM处理器的衔接仅用一根数据线作串行数据传输。
图2 旋转运动操控框图
3软件规划
体系操控使命与算法按照二级拓扑散布在各个嵌入式操控器以及上位机的软件中。STC89C52RD+单片机选用汇编言语编程，效率高，牢靠性高。S3C44B0X为ARM7内核，选用C言语加汇编言语进行混合编程。上位机软件则选用功用强大的DELPHI6.0Windows应用程序开发工具开发，运用Object Pascal言语编写程序代码。这使得软件对床体的操控愈加灵敏、牢靠和高效，界面简练友爱，操作便利、牢靠性高。在开发进程中选用了一些新的技能，最主要的是控件技能，特别是在串行通讯中选用了控件技能，大大提高了串行通讯的牢靠性，保证了体系的牢靠性。其软件结构功用整体框图如图3所示。
3.1 通讯协议
上位机对牵引运动、旋转运动与开关量动作的操控与和谐指挥是经过必定协议的数据通讯传达至各嵌入式处理器履行的。通讯指令按照异步串行数据通讯格局拟定，包含字头、下位机地址、指令数据和结束符三部分。字头与结束符用于数据同步。指令、数据传达参数设置与操控等信息。
上位机经过485总线自动宣布问询指令来获取数据并进行操控。各下位机嵌入式操控器平常处于被迫接纳状况，当承认查询地址是自己时，即上传数据或履行指令。实践中发现因为信道的问题，首要及最终发送的字符往往会呈现过错，然后形成必定的误码。这会影响到体系的牢靠性。为了处理这一问题，在字头发送前及结束符发送后，多发送几个无关的字节“0xFF”。试验证明，大大下降了误码率。
3.2 根据Spcomm控件的串口通讯完结
用Delphi 完结串口通讯，常用的办法有：榜首，运用控件。如Mscomm和Spcomm控件等。第二，运用API函数在Delphi 中调用其它串口通讯程序。运用API办法的长处是合适编写较为杂乱的低层次通讯程序，但缺陷是编写串口通讯程序较为杂乱。本体系选用Spcomm。它是Small-Pig Team开发的一个第三方Delphi串口控件，该控件具有丰厚的与串口通讯密切相关的特点及事情，供给了对串口的各种操作，且编程简略、通用性强、可移植性好。在Delphi软件开发中成为一个被广泛应用的串口通讯开发控件。Spcomm串行通讯控件为多线程。接纳和发送数据别离在两个线程内完结，接纳线程担任收到数据时触发OnReceiveData事情。WriteCommData()函数将待发送的数据写入输出缓冲器，发送线程在后台完结数据发送。在接纳和发送数据前需求初始化串口，用StartComm翻开串口，退出程序时用StopComm封闭串口。
4 总结
本体系已交给厂家(河南腾远医疗设备有限公司)出产，并已在多家医院投入医治，反映作用杰出,并已发生约一百万元经济效益。现已专家会议判定评定为河南省科技成果。
立异点：在杂乱的嵌入式体系中选用多个嵌入式处理器结合上位计算机来并行分管体系的杂乱使命与算法，为医疗设备的研发获得了可贵的牢靠性
