基于TMS320F28335的脊柱康復(fù)控制系統(tǒng)

劉吉永，徐秀林，胡秀枋，安美君，王固兵

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基于TMS320F28335的脊柱康復(fù)控制系統(tǒng)

劉吉永1，徐秀林1，胡秀枋1，安美君2，王固兵1

（1. 上海理工大學(xué) 醫(yī)療器械與食品學(xué)院，上海 200093；2. 上海健康醫(yī)學(xué)院，上海 200093）

本研究開發(fā)了一種基于爬行運(yùn)動(dòng)的脊柱康復(fù)訓(xùn)練控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括爬行機(jī)構(gòu)，電機(jī)控制電路及控制軟件等。通過(guò)6個(gè)電機(jī)為訓(xùn)練設(shè)備的不同訓(xùn)練需要提供動(dòng)力，下位機(jī)采用TMS320F28335為控制核心，使用QT設(shè)計(jì)上位機(jī)用戶端，實(shí)現(xiàn)了爬行訓(xùn)練的同步，交替和矯正訓(xùn)練。本文實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)可靠性良好，滿足脊柱疾病患者重復(fù)性康復(fù)訓(xùn)練的需求。

脊柱康復(fù)；控制系統(tǒng)；TMS320F28335；QT

0 引言

隨著生活節(jié)奏的加快，電腦以及智能手機(jī)的廣泛應(yīng)用，使人們的頸椎及脊柱的發(fā)病率逐年增加。研究顯示，30歲以下的發(fā)病者呈快速增長(zhǎng)的趨勢(shì)，脊柱疾病不再只是中老年人的常見病，而是越來(lái)越趨于年輕化。兒童青少年中最常見的脊柱畸形，在10到16歲年齡段的發(fā)病率高達(dá)2%~3%，女生占80%[1]。脊柱具有支持軀干、保護(hù)內(nèi)臟、保護(hù)脊髓和進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的功能。因此，對(duì)脊柱的康復(fù)治療非常迫切。

脊柱康復(fù)的傳統(tǒng)方法是牽引，手術(shù)治療等。研究顯示，爬行對(duì)于脊柱疾病的康復(fù)有著很大的作用。但由于爬行對(duì)于場(chǎng)地的要求和病人的病情存在差異等因素的限制[2]。因此，采用爬行器進(jìn)行訓(xùn)練是一種良好的訓(xùn)練方法，但目前市面上的爬行訓(xùn)練器功能低下，只能實(shí)現(xiàn)單一的主動(dòng)爬行運(yùn)動(dòng)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)被動(dòng)的運(yùn)動(dòng)，更不具備對(duì)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析的功能。以前有少量的被動(dòng)訓(xùn)練裝置，大多采用固定電機(jī)的速度和運(yùn)行距離的方式，不能針對(duì)不同病情的病人提供定制化的服務(wù)[3-4]。

TMS320F28335控制芯片支持浮點(diǎn)運(yùn)算，可精確控制多路電機(jī)[5]。本研究基于其高效的性能結(jié)合QT開發(fā)用戶軟件的快捷和簡(jiǎn)潔，設(shè)計(jì)并開發(fā)出了脊柱康復(fù)訓(xùn)練的控制系統(tǒng)，用于對(duì)脊柱的康復(fù)訓(xùn)練。該系統(tǒng)克服了現(xiàn)有脊柱康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備的缺點(diǎn)，既可以實(shí)現(xiàn)爬行姿態(tài)雙側(cè)的主動(dòng)和被動(dòng)訓(xùn)練，也能用于單側(cè)的加強(qiáng)訓(xùn)練

其結(jié)構(gòu)由機(jī)械骨骼實(shí)現(xiàn)，可提供不同身高，不同體重的病人進(jìn)行訓(xùn)練。

1 功能及性能指標(biāo)

本文研制的脊柱康復(fù)訓(xùn)練儀實(shí)物如圖1所示，訓(xùn)練時(shí)，設(shè)備由電機(jī)將床體升起，患者雙手放在扶手上雙腳放在腳踏板上；根據(jù)患者的體型調(diào)節(jié)好腹部的前后位置和上下位置；使患者膝部放在合適的位置，進(jìn)行主動(dòng)或者被動(dòng)訓(xùn)練。主動(dòng)訓(xùn)練時(shí)，由患者拉動(dòng)訓(xùn)練把手進(jìn)行同步和交替運(yùn)動(dòng)。被動(dòng)訓(xùn)練時(shí)，由手部驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)把手和下肢的膝墊進(jìn)行同步和交替運(yùn)動(dòng)，矯正訓(xùn)練由安裝在尾部的步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)患者進(jìn)行側(cè)彎矯正。

圖1 脊柱康復(fù)訓(xùn)練儀實(shí)物圖

本研究設(shè)計(jì)的脊柱康復(fù)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)對(duì)主動(dòng)運(yùn)動(dòng)和被動(dòng)運(yùn)動(dòng)的控制及切換。主動(dòng)訓(xùn)練主要針對(duì)患者病情較輕的情況，在訓(xùn)練時(shí)患者可以主動(dòng)拉動(dòng)訓(xùn)練把手進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練。被動(dòng)訓(xùn)練則由電機(jī)帶動(dòng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，訓(xùn)練時(shí)實(shí)現(xiàn)位置可調(diào)，速度可調(diào)，角度可調(diào)。具體實(shí)現(xiàn)如下：

（1）被動(dòng)訓(xùn)練的交替運(yùn)動(dòng)和同步運(yùn)動(dòng)均由2個(gè)直流無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)，彼此獨(dú)立實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)。每種運(yùn)動(dòng)包括跪撐爬行，攀高爬行，俯式爬行的訓(xùn)練模式。

（2）為滿足不同患者對(duì)訓(xùn)練時(shí)間的要求，每種訓(xùn)練都有10,20,30分鐘的選擇項(xiàng)，同時(shí)提供了自選時(shí)間。

（3）針對(duì)不同病人的病情設(shè)置了不同的訓(xùn)練角度，跪撐爬行角度為0度，攀高爬行角度在0-20度可選，俯式爬行角度在–15-0度可選

上述參數(shù)的設(shè)置均在上位機(jī)界面實(shí)現(xiàn)，然后由串口發(fā)送給下位機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)具體的運(yùn)動(dòng)。

2 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)由TMS320F28335控制芯片及其外圍電路組成、關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)、光柵尺等硬件及上位機(jī)控制軟件組成，系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)總體框圖

采用TMS320F28335芯片設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)是基于片上事件管理器EV(Event Manager)和串行通信接口SCI(Serial Communication Interface)等片上外設(shè)實(shí)現(xiàn)的；上下位機(jī)之間的通信使用串口通信協(xié) 議[6-7]；利用封裝好的應(yīng)用程序編程接口(Application programming interface, API),由TMS320F28335將接收到的上位機(jī)指令轉(zhuǎn)化為脈沖等信號(hào)輸入運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)器，從而實(shí)現(xiàn)各電機(jī)相應(yīng)的動(dòng)作[8]，如調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)速度、復(fù)位、停止等操作；進(jìn)而實(shí)現(xiàn)康復(fù)訓(xùn)練中的同步、交替和側(cè)彎矯正等復(fù)雜運(yùn)動(dòng)[9]。

軟件開發(fā)在Windows7系統(tǒng)下，使用QT開發(fā)工具，調(diào)用QT類庫(kù)和光柵驅(qū)動(dòng)接口API。上位機(jī)軟件通過(guò)串口通信協(xié)議向下位機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)送控制指令，對(duì)下位機(jī)控制系統(tǒng)及相應(yīng)功能進(jìn)行初始化。在單軸初始化后，可以實(shí)現(xiàn)單電機(jī)的停止和換向；通過(guò)上位機(jī)指令初始化多軸后，即可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)組的協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)多電機(jī)帶動(dòng)下的爬行運(yùn)動(dòng)控制。

3 硬件電路的設(shè)計(jì)

考慮人在爬行運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下手部、膝關(guān)節(jié)和腹部等部位的受力和機(jī)械結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，如圖3所示前端左右側(cè)采用無(wú)刷直流電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)手部和腿部的協(xié)同運(yùn)動(dòng)；腹部支撐采用兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)腹部支撐機(jī)構(gòu)的前后和上下的移動(dòng)；尾部側(cè)彎矯正采用步進(jìn)電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)矯正角度和速度的控制。在設(shè)備的前端兩側(cè)安裝有左、右光柵尺來(lái)獲得爬行位移數(shù)據(jù)，并用來(lái)確定運(yùn)動(dòng)的位置。

3.1 控制系統(tǒng)電路

本研究中TMS320F28335控制芯片的引腳與電機(jī)驅(qū)動(dòng)器連接如圖4所示，無(wú)刷直流電機(jī)由四個(gè)控制信號(hào)來(lái)控制，驅(qū)動(dòng)器使能EN（Enable），制動(dòng)BK（Break），轉(zhuǎn)向FR（Force Reverse），調(diào)速AS（Adjust Speed）；步進(jìn)電機(jī)使用脈沖方向信號(hào)作為驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入；外接24V直流電源。

下位機(jī)控制系統(tǒng)的核心芯片采用的TMS320F28335擁有ADC，PWM，SCI等豐富的外設(shè)，支持浮點(diǎn)運(yùn)算，尋址空間多達(dá)4M[10]。本設(shè)計(jì)中主要使用TMS320F28335的通用引腳功能，SCI實(shí)現(xiàn)上下位機(jī)的通信和事件管理器產(chǎn)生PWM波形來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)[11]。在圖中可以看出，GPIO（General-purpose input/output）12~19控制前部的直流無(wú)刷電機(jī)，通過(guò)改變引腳的高低電平狀態(tài)來(lái)控制電機(jī)的不同狀態(tài)；GPIO0~3控制兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)，同時(shí)通過(guò)脈沖和電平控制引腳來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。

TMS320F28335芯片輸出PWM波形的峰值為3.3 V，尾部和腹部支撐使用步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)采用5 V的峰值，如圖5所示使用SN74ALVC245芯片實(shí)現(xiàn)端口電平的轉(zhuǎn)換。同時(shí)為了增強(qiáng)電路板的抗干擾能力，在輸入端接入了下拉電阻。使用74HC245芯片增強(qiáng)PWM的驅(qū)動(dòng)能力[12]。OE是輸出使能引腳，低電平有效；DIR方向控制，控制輸入輸出。當(dāng)OE= GND, DIR=VCC時(shí)An=輸入，Bn=輸入的值。

上位機(jī)和下位機(jī)控制系統(tǒng)之間的通信使用串口協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)，TMS320F28335有SCIA，SCIB和SCIC三組串行通信外設(shè)。SCI（Serial communication Interface），是通過(guò)接受和發(fā)送的信號(hào)線來(lái)實(shí)現(xiàn)通信的異步串行通信方式，RS232，RS422和RS485的通信協(xié)議是相同的，僅傳輸介質(zhì)和收發(fā)電平不同[13]。根據(jù)片上外設(shè)的特點(diǎn)，采用MAX3232芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)串口通信的電路。串口通信電路圖如圖6所示，MAX3232主要是用來(lái)實(shí)現(xiàn)電腦主機(jī)RS-232電平和TMS320F28335的TX/RX引腳TTL電平之間的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)通信的協(xié)調(diào)一致。

圖4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器連接圖

(a) 前部右無(wú)刷直流驅(qū)動(dòng)器；(b) 前部左無(wú)刷直流驅(qū)動(dòng)器；(c) 腹部步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器；(d) 尾部步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器

圖5 PWM電路

3.2 光柵電路

為了保證爬行運(yùn)動(dòng)能按照設(shè)定的速度（3 m/s~ 5 m/s）和末端精度定位（1mm –10mm）。本研究使用增量式光柵尺JCXFS5（量程600 mm，精度5mm，工作電壓5 V）作為位移反饋裝置，光柵測(cè)距系統(tǒng)采用透射式紅外光測(cè)量模式，紅外波長(zhǎng)為800 nm，輸出電平為TTL信號(hào)。光柵尺頭和手部運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)固定，在執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，光柵尺可以實(shí)時(shí)的獲得執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)位移。

光柵數(shù)據(jù)采集圖如圖7所示，使用光柵尺測(cè)量病人在訓(xùn)練過(guò)程中運(yùn)動(dòng)的位置，同時(shí)根據(jù)運(yùn)動(dòng)位置來(lái)計(jì)算運(yùn)動(dòng)的距離。在運(yùn)動(dòng)控制算法中根據(jù)光柵讀數(shù)計(jì)算出轉(zhuǎn)向位置和時(shí)間，同時(shí)光柵位置數(shù)據(jù)作為虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中的控制信號(hào)對(duì)游戲中的人物進(jìn)行控制。測(cè)量端選用蘇州澤升精密機(jī)械儀器有限公司的JCXE5光柵尺，數(shù)據(jù)采集端使用基于PCI協(xié)議的光柵數(shù)據(jù)采集卡，其核心芯片采用EP1C3T144C8。光柵尺和采集卡之間通過(guò)串口通訊協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。

圖7 光柵數(shù)據(jù)采集框圖

3.3 控制系統(tǒng)安全電路設(shè)計(jì)

為了保證機(jī)器工作中的安全性，設(shè)計(jì)了包括硬件電路、軟件程序和機(jī)械限位等保護(hù)措施。硬件電路的保護(hù)措施主要是電磁兼容和急停開關(guān)電路的設(shè)計(jì)。在靠近驅(qū)動(dòng)器的屏蔽線上添加磁環(huán)，以減少電機(jī)控制器電源線上可能發(fā)出的電磁發(fā)射能量。根據(jù)先防護(hù)電路然后放置濾波電路的原則，調(diào)整電源輸入端電器件的連接順序[14]。

硬件急停開關(guān)電路如圖8所示，急停開關(guān)位于電路箱的外側(cè)。交流接觸器使用施耐德的LC1E2510M5N（額定電壓250 V，50 HZ）；濾波器選用泰科20EK1電源濾波器（額定電壓250 V，額定電流20A）；斷路器使用施耐德IC65N（絕緣電壓500 V，電流25 A）；經(jīng)過(guò)計(jì)算，熔斷器選用32 A保險(xiǎn)絲。

圖8 急停開關(guān)電路

4 軟件設(shè)計(jì)

TMS320F28335芯片的串口通信和電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序的編寫使用CCS V8來(lái)實(shí)現(xiàn)，可以實(shí)現(xiàn)上下位機(jī)的通訊和電機(jī)的控制。上位機(jī)軟件的開發(fā)使用了QT平臺(tái)的QSerialPort，QPainter，Qwt等類庫(kù)進(jìn)行用戶界面的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了爬行訓(xùn)練、矯正訓(xùn)練等訓(xùn)練方式的控制。

4.1 光柵位移計(jì)算

光柵尺測(cè)量位移主要是根據(jù)光柵編碼實(shí)現(xiàn)的，SGC-PCI3.1光柵數(shù)據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn)對(duì)光柵尺數(shù)據(jù)的讀取，并使用光柵數(shù)據(jù)采集卡的用戶接口程序庫(kù)來(lái)開發(fā)應(yīng)用軟件，一個(gè)數(shù)據(jù)采集卡可以實(shí)現(xiàn)X，Y，Z軸光柵數(shù)據(jù)的讀取，每軸均具有24位高速計(jì)數(shù)器，具有斷電保存數(shù)據(jù)的功能。采集卡輸入電路采用了RS-422差動(dòng)線路接收器MC3486，故編碼器輸出電路采用了RS-422差動(dòng)驅(qū)動(dòng)器MC3487。

圖9 光柵采集距離流程圖

光柵位移的讀取是在QT開發(fā)環(huán)境中通過(guò)C++編程實(shí)現(xiàn)的，實(shí)現(xiàn)了光柵采集卡的打開，檢測(cè)光柵和采集卡的工作狀態(tài)、設(shè)置分辨率等工作。如圖9所示流程圖描述了應(yīng)用采集卡來(lái)讀取光柵位移數(shù)據(jù)的過(guò)程，采集卡的設(shè)置主要包括分辨率和分辨率倍數(shù)的設(shè)置，利用設(shè)置好的分辨率和分辨率倍數(shù)讀取出光柵尺頭的實(shí)際位置。分辨率和分辨率倍數(shù)和實(shí)際位移之間的關(guān)系如下：實(shí)際尺寸＝位置編碼×分辨率×分辨率倍數(shù)[15]。光柵位移設(shè)置和讀取的核心代碼如下：

//打開采集卡并對(duì)采集卡的工作狀態(tài)進(jìn)行判斷，故障時(shí)彈窗提示

if(!OpenPCICard(mIndex))

QMessageBox::warning(this, "光柵采集卡打開失敗！");

if(!CardReady(mIndex))

QMessageBox::warning(this, "光柵采集卡故障！");

//設(shè)置分辨率為0.005mm

set_disp_resolution(mIndex, (float)0.005);

//分辨率倍數(shù)

set_mul_factor(mIndex, (float)1);

//將X,Y軸的位置編碼設(shè)置為掉電前的位置編碼

XPositionRecall(mIndex);

YPositionRecall(mIndex);

//將當(dāng)前位置設(shè)置為0，該點(diǎn)作為運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的基準(zhǔn)參考點(diǎn)

YRefZero(0);

4.2 上下位機(jī)通訊的實(shí)現(xiàn)

上下位機(jī)之間的通信主要包括兩部分：下位機(jī)串口收發(fā)程序和上位機(jī)控制指令的發(fā)送。下位機(jī)程序的編寫主要是使用TMS320F28335芯片的SCIA外設(shè)模塊實(shí)現(xiàn)FIFO的通信指令的接受，該通信方式可以減少中斷和查詢方式的CPU占用。上位機(jī)主要是使用QT的QSerialPort類來(lái)實(shí)現(xiàn)串口程序的編寫。

串口通訊通過(guò)設(shè)置相應(yīng)的寄存器實(shí)現(xiàn)初始化，如圖10所示初始化包括系統(tǒng)初始化、端口初始化和SCIA模塊的初始化。首先系統(tǒng)初始化高速外設(shè)時(shí)鐘頻率為75 MHz，低速外設(shè)時(shí)鐘頻率為37.5 MHz，禁止看門狗電路，其次初始化GPIOF4和GPIOF5分別為SCIA的發(fā)送和接受引腳，最后設(shè)置SCIA的通信波特率為19200,1位停止位，8位數(shù)據(jù)位，使能FIFO中斷接受級(jí)別為8。

在圖10中，QT5的QSerialPort類提供了訪問(wèn)串口的功能，包括打開相應(yīng)的串口，設(shè)置波特率，設(shè)置校驗(yàn)格式等[14]。每次串口接受到數(shù)據(jù)后都會(huì)發(fā)送QIODevice::readyRead()的信號(hào)，使用與該信號(hào)綁定的槽函數(shù)可以讀出串口緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)。當(dāng)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，首先開啟發(fā)送線程并把待發(fā)送數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成字節(jié)數(shù)組，然后使用QIODevice::write(const QByteArray &byteArray)函數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送，發(fā)送后檢查函數(shù)的返回值以確定寫操作是否成功執(zhí)行，代碼如下：

QSerialPort *serial = new QtserialPort;

serial->setPortName((QString)"COM13"); // 指定端口

serial->setBaudRate(QSerialPort::Baud19200); // 設(shè)置波特率

serial->setDataBits(QSerialPort::Data8); // 設(shè)置位數(shù)

serial->setParity(QSerialPort::EvenParity); // 設(shè)置偶校驗(yàn)

serial->setStopBits(QSerialPort::OneStop); // 設(shè)置一個(gè)停止位

serial->setFlowControl(QSerialPort::NoFlowControl); // 設(shè)置無(wú)流控制

serial->open(QIODevice::ReadWrite); // 讀寫模式打開串口

connect(serial,SIGNAL(readyRead()),this,SLOT (readData())); // 連接串口的信號(hào)和槽函數(shù)

QByteArray buf = serial->readAll();//利用槽函數(shù)讀取串口數(shù)據(jù)

//通過(guò)線程安全的串口寫函數(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送

QString command=data;

QByteArray sendData =command.toLocal8Bit();

serial.write(sendData);

圖10 串口通信流程圖

4.3 交替和同步運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)

交替運(yùn)動(dòng)和同步運(yùn)動(dòng)主要使用TMS320F28335芯片的GPIOA口的通用數(shù)字I/O口功能，通過(guò)對(duì)GPIOA組控制寄存器和數(shù)據(jù)寄存器的設(shè)置，實(shí)現(xiàn)不同時(shí)刻端口狀態(tài)的轉(zhuǎn)換[16-18]。控制寄存器需要設(shè)置功能選擇控制寄存器GPAMUX和方向控制寄存器GPADIR，端口電平的轉(zhuǎn)換僅需要對(duì)各端口的數(shù)據(jù)寄存器GPADAT寫入數(shù)據(jù)即可。

交替和同步運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)根據(jù)光柵測(cè)得的不同距離值來(lái)實(shí)現(xiàn)起始位置和終止位置的轉(zhuǎn)換。前部左右兩個(gè)運(yùn)動(dòng)把手由兩個(gè)直流無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)，在控制過(guò)程中僅需要在轉(zhuǎn)向時(shí)先給電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的/BK端口發(fā)送低電平停止，然后給F/R發(fā)送低電平轉(zhuǎn)向即可。

核心代碼如下：

GpioDataRegs.GPADIR.bit.GPIOA12=1; //設(shè)置GPIOA12引腳為輸出引腳

GpioMuxRegs.GPAMUX.bit.GPIOA12=1; //設(shè)置GPIOA12引腳為通用數(shù)字引腳

GpioDataRegs.GPADAT.bit.GPIOA12=0;

4.4 矯正和腹部支撐上下移動(dòng)的實(shí)現(xiàn)

腹部支撐電機(jī)的運(yùn)動(dòng)由TMS320F28335芯片連接在驅(qū)動(dòng)器的GPIO0來(lái)產(chǎn)生脈沖和連接在DIR+的GPIO1產(chǎn)生高低電平控制方向來(lái)實(shí)現(xiàn)的。側(cè)彎矯正電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)由GPIO2產(chǎn)生脈沖，GPIO3產(chǎn)生方向控制電平，同時(shí)讀取3個(gè)電磁限位器的值實(shí)現(xiàn)左右方向的極限限位。

TMS320F28335控制腹部和尾部步進(jìn)電機(jī)是通過(guò)通用定時(shí)器和比較單元產(chǎn)生PWM波形來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)的。產(chǎn)生頻率為1 KHz，占空比為50%的PWM波形。產(chǎn)生PWM波的軟件實(shí)現(xiàn)包括初始化系統(tǒng)時(shí)鐘，初始化GPIO，初始化事件管理器。首先把TMS320F28335外部30 MHz的晶振，經(jīng)過(guò)PLL鎖相環(huán)倍頻至150 MHz并使能EVA和EVB；其次初始化GPIO0，GPIO1，GPIO2，GPIO3端口為PWM功能端口；最后設(shè)置事件管理器的通用定時(shí)器周 期寄存器的值為0′927B，比較寄存器的值為0′3A98[19-22]。

核心代碼如下：

//EVA模塊

EvaRegs.T1CON.bit.TMODE=2; //連續(xù)增模式

EvaRegs.T1CON.bit.TPS=1; //T1CLK=HSPCLK/2=37.5M

EvaRegs.T1PR=0x927B; //1 KHz的PWM，周期為1 ms

EvaRegs.T1CMPR=0x3A98; //占空比為50%，低電平有效

//死區(qū)時(shí)間為：4.27 us

EvaRegs.DBTCONA.bit.DBT=10; //死區(qū)定時(shí)器周期，m=10

EvaRegs.DBTCONA.bit.EDBT1=1; //死區(qū)定時(shí)器1使能位

EvaRegs.DBTCONA.bit.DBTPS=4, //死區(qū)定時(shí)器預(yù)定標(biāo)因子

EvaRegs.ACTR.all=0x0999; //設(shè)定引腳PWM1-PWM6的動(dòng)作屬性

5 可靠性測(cè)試分析

對(duì)8名志愿者進(jìn)行測(cè)試，均為健康受試者，年齡為（24.7±1.62）歲，身高為（174.50±6.55）cm，體重為（67.50±9.45）kg。實(shí)驗(yàn)前，分別調(diào)整好受試者的腹部位置，并設(shè)置起始位置和終止位置。每個(gè)測(cè)試者測(cè)試兩次，每次間隔一天，在室內(nèi)進(jìn)行，無(wú)環(huán)境影響。

對(duì)交替訓(xùn)練，同步訓(xùn)練和矯正訓(xùn)練進(jìn)行重復(fù)性測(cè)試，每次訓(xùn)練時(shí)間選擇20分鐘。在測(cè)試過(guò)程中，記錄運(yùn)動(dòng)的位移，計(jì)算兩次測(cè)量數(shù)據(jù)的組內(nèi)相關(guān)系數(shù)（ICC）如表1所示。

表1 交替訓(xùn)練時(shí)啟始和停止位置

Tab.1 Start and stop positions during alternate training

使用統(tǒng)計(jì)分析軟件SPSS對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行可靠性分析，交替訓(xùn)練和同步訓(xùn)練起始位置的ICC值分別為0.96,0.93，終止位置的ICC值分別為0.87,0.98；矯正訓(xùn)練擺動(dòng)8°和16°的ICC值分別為0.91和0.93。以上數(shù)據(jù)的組內(nèi)相關(guān)系數(shù)均大于0.75，說(shuō)明設(shè)備具有良好的可靠性，能夠保證訓(xùn)練達(dá)到可靠的精度。

表2 同步訓(xùn)練時(shí)啟始和停止位置

Tab.2 Start and stop positions during synchronized training

表3 矯正訓(xùn)練時(shí)啟始和停止位置

Tab.3 Start and stop position during corrective training

6 結(jié)論

本研究設(shè)計(jì)的脊柱康復(fù)訓(xùn)練儀控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)脊柱康復(fù)爬行運(yùn)動(dòng)的交替運(yùn)動(dòng)，同步運(yùn)動(dòng)和側(cè)彎矯正訓(xùn)練的控制，其中每種訓(xùn)練模式都運(yùn)動(dòng)時(shí)間、運(yùn)動(dòng)距離可調(diào)。使用QT開發(fā)了配套的人機(jī)交互界面控制軟件，該軟件簡(jiǎn)化了使用者的操作。通過(guò)8名受試者對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，并對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)分析可知系統(tǒng)具有良好的可靠性。

針對(duì)脊柱康復(fù)訓(xùn)練，本文設(shè)計(jì)了基于TMS320F28335芯片的下位機(jī)和基于QT開發(fā)的上位機(jī)控制軟件。TMS320F28335芯片在電機(jī)的控制中體現(xiàn)了具有精度高，穩(wěn)定好的顯著特點(diǎn)。同時(shí)采用QT開發(fā)平臺(tái)在桌面應(yīng)用程序的開發(fā)中具有可跨平臺(tái)，開發(fā)便捷等諸多優(yōu)點(diǎn)。本研究為后續(xù)醫(yī)療設(shè)備的開發(fā)提供了上下位機(jī)聯(lián)合開發(fā)的先進(jìn)方法，使得上下位機(jī)的開發(fā)高效穩(wěn)定。

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Spinal Rehabilitation Control System Based on TMS320F28335

LIU Ji-yong1, XU Xiu-lin1, HU Xiu-fang1, AN Mei-jun2, WANG Gu-bing1

(1. School of Medical Instrument and Food Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China; 2. Shanghai University of Medicine & Health Sciences, Shanghai 200093, P.R. China)

This study developed a spine rehabilitation training control system based on crawling movements. The system includes a crawling mechanism, a motor control circuit, and control software. Through 6 motors, the training equipment is provided with the power needed for different training. The embedded systems adopts TMS320F28335 as the control core, and the QT is used to design the software to realize the synchronization, alternating and corrective training of crawling training. The experimental results in this paper show that the motion control system has good reliability and meets the needs of repeated rehabilitation training for patients with spinal diseases.

Spinal rehabilitation; Control system; TMS320F28335; QT

TP273+.5

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2018.08.007

上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)科研計(jì)劃項(xiàng)目(15441906200)

劉吉永(1990-)，男，研究生，主要研究方向：精密醫(yī)療器械與醫(yī)用軟件開發(fā)；胡秀枋(1962-)，女，副教授，主要研究方向：康復(fù)設(shè)備與骨科器械；安美君(1965-)，男，副教授，主要研究方向：醫(yī)學(xué)信息處理與醫(yī)用軟件開發(fā)；王固兵(1993-)，男，研究生，主要研究方向：康復(fù)設(shè)備與醫(yī)用軟件開發(fā)。

徐秀林(1957-)，女，教授，主要研究方向：康復(fù)設(shè)備與骨科器械。

本文著錄格式：劉吉永，徐秀林，胡秀枋，等. 基于TMS320F28335的脊柱康復(fù)控制系統(tǒng)[J]. 軟件，2018，39（8）：27-34