脊髓打击系统中移动平台的位移测量与定位设计

葛霜　崔鑫

摘 要：近年来，脊髓损伤的发病率逐年上升，受病人群越来越年轻化，且难以治愈，需要进行大量的临床试验对脊髓损伤的药物进行研究和测试，所以如何制备大量的，标准化的脊髓损伤模型就显得尤为重要。本文针对脊髓打击器中的脊髓打击平台，设计了一种移动平台及其定位方法，利用绝对编码器每一个位置都对应唯一的格雷码输出和断电记忆等功能，通过PLC编程技术，实现了移动平台位置的定位和测量并通过触摸屏实时显示。

关键词：绝对编码器；触摸屏；定位；脊髓打击装置

中图分类号：TP311.52

近年来，脊髓损伤由于受病面广，难以治愈而受到医学界的广泛关注[1]，由于市面上大部分脊髓打击器只能一维移动，即打击锤的上下移动，在制备动物脊髓损伤模型时，经常会出现由于打击锤难以精准的打击在暴露的脊髓部分，而造成大量脊髓损伤模型废弃的现象，这给实验研究和资源利用造成了巨大的损失和浪费。本文介绍了一种打击平台可移动，可定位的设计方法，通过触摸屏对移动平台位置的设定和实时显示，使脊髓打击更加精准化。

1 系统工作原理及硬件设计

该平台移动系统主要包括一个二维移动平台，平台采用钢制材料，总长29cm，宽33.7cm，高52cm[1]，在两台步进电机的带动下，可左右（X方向）和前后（Y方向）两个方向移动，分别由两台128A高细分步进电机驱动器驱动。系统中采用Proface的AST3501W-T1-D24触摸屏，在触摸屏上绘制相应按钮和输入框，可输入平台将要移动的位移和方向，同时也可以实时显示平台当前的位置信息（相对于坐标原点的位移和方向）。传感器选择光洋TRD-NA1024NW-2302型10位数字量输出绝对编码器，具有位置唯一，断电记忆，干扰小等功能，X、Y两个方向都使用编码器的高8位，通过上拉电阻接入PLC的数字量输入模块，图1所示为X方向绝对编码器与PLC的硬件接线图。

系统中两台电机和触摸屏均由西门子S7-300控制。通过对S7-300的编程，利用程序块SFB3发出脉冲，同时利用绝对编码器做成闭环系统，达到位移定位和实时显示的目的。图2为PLC通过步进电机驱动器对X，Y两个方向的步进电机控制的原理图。

2 软件设计

本系统采用Simatic Manager软件对西门子PLC S7-300进行编程，整个程序主要包含一个主程序和三个子程序。主程序即PLC对两台步进电机，编码器和触摸屏的控制；子程序分别为：编码器格雷码和二进制码的转换；步进电机转动方向的判别和相应位移下SFB3所需要发出的脉冲数量；编码器转动圈数和平台移动位移的计算。

2.1 主程序设计

按下系统总开关并选择运动方式（同步或分步）后，在触摸屏相应的位移框内输入需要移动的位移和方向，点击“运动执行”按钮后，PLC迅速运算行至相应位置所需发射的脉冲数，然后步进电机带动平台移动，同时绝对编码器实时监测位置信息并反馈到触摸屏上，当编码器检测到平台到达设定的位移后，PLC停止发射脉冲，电机停止运动，平台定位成功。

2.2 子程序设计

2.2.1 格雷码到二进制码的转换

本系统中所使用的绝对编码器输出的信号为格雷码，难以被控制器读取和控制，需要将格雷码转化为二进制码。程序中，首先将通过上拉电阻进入PLC S7-300的格雷码作取反处理，第一位保持不变，之后的每一位格雷码与上一位得出的二进制码抑或，即得到转化后的二进制码。

2.2.2 在不同的运动方式中，对输入的方向和位移进行判断和计算

系统中所使用的两台步进电机的步距角都为1.8度，丝杠导程都为2毫米，即步进电机每转动一圈需要SFB3发出200个脉冲，从而得出X、Y两轴SFB3发出的脉冲数和平台移动位移的比为100，将设定的位移乘以100，就可以得到PLC的SFB3程序快需要发出的脉冲的数量。

2.2.3 反馈环节中，编码器对位置信息的实时监测

系统中所使用的光洋TRD-NA1024NW-2302型10位数字量输出绝对编码器为单圈绝对编码器，并不具备多圈绝对编码器的功能，无法仅仅依靠机械结构实现较长距离的绝对位置测量，所以此处利用了西门子S7-300中具有记忆存储功能的寄存器，对编码器旋转的圈数n按照正向旋转加1，反向旋转减1进行记忆，把累计的位移值作为平台的当前值并显示在触摸屏上。选择具有存储记忆功能的寄存器主要是防止系统断电后，位置信息的丢失和错乱。

3 结束语

根据医学研究中脊髓打击器当前面临的打击精度不准确现象，设计的可定位和进行当前位置检测的移动平台，采用西门子S7-300作為主控制器，通过单圈绝对值编码器检测技术和S7-300具有记忆存储功能的寄存器的联合应用，辅以友好的人机界面——Proface触摸屏，实现打击平台的准确定位和位置信息的实时显示。实验证明，该系统可以应用于脊髓打击器中，以提高打击标本的合格率。

参考文献：

[1]张倩，脊髓致伤力测量系统的研制[D].北方工业大学，2012.

[2]Allen AR. Surgery of experimental lesions of spinal cord equivalent to crush injury of fracture dislocation. Preliminary Report . JAMA， 1911（57）：878-880.

[3]赵建滨，魏玉屏.一种致动物脊髓损伤模型的简易装置[J].山西医学院学报，1995（01）：72-73.

[4]夏永智，林江凯，冯华.啮齿类动物脊髓损伤模型的研究现状[J].创伤外科杂志，2006（02）：189-191.

作者简介：葛霜（1989.12-），女，北京人，硕士研究生，研究方向：脊髓打击器设计；崔鑫（1990.02-），男，北京人，工程师，助理工程师，本科，研究方向：工程控制。

作者单位：北方工业大学 电气与控制工程学院，北京 100144；北京七星华创电子股份有限公司，北京 100016

基金项目：学科建设—国家特殊需求—城市道路交通智能控制人才培养项目（市级）（项目编号：PXM2015_014212_000023）；研究生培养-产学研联合培养研究生基地（市级），（项目编号：PXM2015_014212_000018）。