專利名稱：用于動物實驗腹側脊髓損傷撞擊器的電氣控制系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種醫(yī)學動物實驗裝置，特別涉及動物實驗腹側脊髓損傷撞擊器的電氣控制系統(tǒng)。
背景技術：
傳統(tǒng)的動物脊髓損傷撞擊實驗通常采用重物墜落(Weight Dropping, WD)法撞擊脊髓背側，具體方法是對麻醉的實驗動物進行椎板后路切除，暴露但不破壞硬脊膜，然后將一個已知質量的重物塊從一定的高度處以自由落體的方式墜落，撞擊在動物脊柱背側裸露的硬脊膜上，造成背側脊髓一定程度的損傷。由于重物下落有加速度，但不撕破硬脊膜，不切割脊髓，因而屬于動態(tài)負荷挫傷型。損傷模型用重物質量、墜落高度和脊髓挫傷面積來表征。上述實驗方法造成的損傷部位是脊髓背側，然而日常生活中由于車禍等事故原因造成的脊髓損傷患者多數(shù)是腹側受損，重物墜落方法對這類情況不能進行很好的模擬。為了彌補此不足，本發(fā)明中設計的實驗裝置能夠撞擊脊髓腹側，造成腹側脊髓一定程度的損傷，損傷模型通過撞擊力度、撞擊位移、撞擊持續(xù)時間和脊髓挫傷面積來表征，并以一次撞擊過程中各時刻的位置偏移和撞擊力度的曲線關系作輔助說明。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供動物脊髓腹側損傷醫(yī)學實驗裝置的控制器，使該裝置能夠通過按鍵操作，以設定的速度在水平面上移動實驗對象，調整實驗撞擊機構的高度，使二者對準，之后以設定的參數(shù)控制撞擊實驗并記錄實驗過程數(shù)據(jù)，有效地提高實驗的科學性和精確性。為了達到上述目的，本發(fā)明的技術解決方案是提供一種用于動物實驗腹側脊髓損傷撞擊裝置的電氣控制系統(tǒng)。所述撞擊裝置包括位置調整裝置和操作頭；所述位置調整裝置包括直流電機、分別沿X、Y、Z三個軸向的三條直線滑動導軌；所述直流電機用于驅動實驗操作平臺沿X、Y兩個軸向的直線滑動導軌上的移動，以及驅動操作頭沿Z軸的直線滑動導軌移動；操作頭包括撞擊裝置、電磁鐵、位移傳感器和壓力傳感器，所述撞擊裝置在所述直流電機的驅動下沿著Z軸向的直線滑動導軌進行移動，以將撞擊裝置固定在動物脊髓實驗段，并在固定好動物脊髓實驗段后在所述電磁鐵的帶動下撞擊所述動物腹側脊髓；所述位移傳感器和壓力傳感器，用于測量撞擊過程中產(chǎn)生的位移及撞擊力度；所述電氣控制系統(tǒng)包括:上位機模塊:其與下位機模塊相連，用于控制參數(shù)的設置，并將所設置的控制參數(shù)傳送給下位機模塊；其還用于接收下位機模塊傳送的位移傳感數(shù)據(jù)和壓力傳感數(shù)據(jù)，并顯示所接收的數(shù)據(jù)； 下位機模塊:其與直流電機驅動模塊、電磁鐵驅動模塊、傳感器信號調理模塊相連，用于根據(jù)所述上位機模塊傳送的所述控制參數(shù)指示所述直流電機驅動模塊，以驅動所述直流電機的操作；還用于根據(jù)所述上位機模塊傳送的所述控制參數(shù)指示所述電磁鐵驅動模塊，以驅動所述電磁鐵的運動；還用于接收所述傳感器信號調理模塊發(fā)送的所述位移傳感數(shù)據(jù)和所述壓力傳感數(shù)據(jù)，并將其傳送給所述上位機模塊；直流電機驅動模塊:其用于根據(jù)所述下位機模塊的指示驅動所述直流電機的操作；電磁鐵驅動模塊:其用于根據(jù)所述下位機模塊的指示驅動所述電磁鐵的運動；傳感器信號調理模塊:其用于對所述位移傳感器和壓力傳感器所測量的位移和撞擊力度數(shù)據(jù)進行調理后輸出所述壓力傳感數(shù)據(jù)和所述位移傳感數(shù)據(jù)并傳送給所述下位機模塊。本發(fā)明實現(xiàn)的上述撞擊器控制系統(tǒng)能夠實現(xiàn)對動物脊髓腹側的撞擊力度、撞擊持續(xù)時間、撞擊位移的控制，并使用傳感器記錄撞擊過程中位移和力度，能對撞擊操作進行定量的描述。


圖1是本發(fā)明的用于動物實驗腹側脊髓損傷撞擊器的電氣控制系統(tǒng)的結構框圖。圖2是本發(fā)明的所述電氣控制系統(tǒng)的直流電機驅動模塊的電路結構框圖。圖3是本發(fā)明的電氣控制系統(tǒng)的電磁鐵驅動模塊的電路結構框圖。圖4是本發(fā)明的電氣控制系統(tǒng)的傳感器信號調理模塊的電路結構框圖。
具體實施方式
為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。動物實驗腹側脊髓損傷撞擊器主要由位置調整裝置和操作頭組成。位置調整裝置主要包括三個24V直流微電機、相應的沿X、Y、Z三個軸向的三條直線滑動導軌。在直流微電機的驅動下，實驗操作平臺可沿X、Y兩個軸向的直線滑動導軌進行正反向移動，調節(jié)動物脊髓實驗段在XOY平面上的位置以對準操作頭。同時，操作頭可通過位置調整裝置沿著Z軸向的直線滑動導軌進行正反向移動，以達到合適的高度，所有這些位置調整都是通過實驗人員操作按鍵完成。在X、Y、Z三個軸向的直線滑動導軌上標有刻度，便于讀出當前位置和進行位置調整，另外，在X、Y、Z三個軸向的直線滑動導軌的正負極限位置處分別安裝了三組限位開關，共計六個，用來避免操作平臺和操作頭運動至極限位置產(chǎn)生機械碰撞和電機堵轉而造成的損壞。操作頭主要包括撞擊鉤、固定壓片、小型的直動推出管式電磁鐵(帶復位彈簧)、由螺旋測微頭組成的撞擊位移限位調整裝置、電位器式直線位移傳感器和壓力傳感器。撞擊鉤是一個向上彎曲的金屬鉤，用來鉤住動物脊髓的腹側，固定壓片是一個形如h的向下彎曲的操作鉤，用來按壓住脊髓的背側，二者相互配合將動物脊髓實驗段固定。撞擊鉤和固定壓片的安裝位置處均標有刻度，用以測量脊髓的矢狀徑，并且可根據(jù)不同的需要進行更換。在操作平臺和操作頭的位置調整結束后，固定安裝撞擊鉤和固定壓片的操作由實驗人員手動完成，之后，在電磁鐵的帶動下撞擊鉤對腹側脊髓產(chǎn)生撞擊。撞擊完成后撞擊鉤、固定壓片與動物脊髓的分離由實驗人員手動完成。直動推出管式電磁鐵作為撞擊脊髓執(zhí)行器，通過大彈性系數(shù)的彈簧與撞擊鉤和固定壓片相連接，在通電狀態(tài)下，電磁鐵的推出桿在電磁力的作用下推出，帶動撞擊鉤撞擊動物腹側脊髓，在斷電狀態(tài)下，電磁力消失，推出桿在復位彈簧的回復力下回到原位，相應地，撞擊鉤和脊髓隨之復位。電磁鐵的一次通斷電操作完成一次脊髓撞擊，這個操作由實驗人員通過按鍵完成。在電磁鐵選型上，遵循低電壓大電流的原則來達到功率需求，以確保實驗人員在操作過程中的安全，根據(jù)這個原則，所選電磁鐵的最大工作電壓和電流分別為19V和 4.2A。在撞擊方向的上方安裝了撞擊位移限位調整裝置，主要元件是一個螺旋測微頭，通過所述螺旋測微頭可以方便地讀出當前的撞擊位移和對所述撞擊位移進行精確的定量調整。另外，在操作頭內部還分別安裝了電位器式直線位移傳感器和壓力傳感器，用來測量撞擊過程中各時刻產(chǎn)生的位移以及相應的力度，二者的曲線關系用作脊髓損傷模型的輔助說明。脊髓損傷模型通過撞擊力度、撞擊位移、撞擊持續(xù)時間和脊髓挫傷面積來表征，撞擊力度通過電磁鐵的電流大小來控制，撞擊位移由位移限位調整裝置來控制，而撞擊持續(xù)時間是指脊髓在一次撞擊中停留在最大偏移位置處的時間，因此可以通過控制電磁鐵的連續(xù)通電時間來實現(xiàn)，通過選用不同尺寸的撞擊鉤以及配套的固定壓片來實現(xiàn)脊髓挫傷面積的控制。上述動物實驗腹側脊髓損傷撞擊器的操作由電器控制系統(tǒng)來控制。圖1為本發(fā)明電氣控制系統(tǒng)的結構框圖。電氣控制系統(tǒng)主要包括上位機模塊、下位機模塊、三個直流電機驅動模塊、電磁鐵驅動模塊、傳感器信號調理模塊、按鍵模塊、限位開關模塊。上位機模塊的操作環(huán)境使用一款自帶Windows CE 5.0Core操作系統(tǒng)的嵌入式模塊，采用32位低功耗高速ARM芯片，ARM920T處理器內核，輸入輸出設備使用4.3寸的液晶觸摸屏，存儲介質包括SD卡和U盤。WinCE操作系統(tǒng)具備友好的圖形界面，支持可視化應用程序開發(fā)環(huán)境EVC和Visual Studio 2005，本發(fā)明中使用VS2005開發(fā)應用程序，存儲于SD卡。上位機模塊采用RS232接口與下位機模塊進行通訊，實驗人員可通過友好的可視化界面利用觸摸屏進行電機速度的設置、電磁鐵電流大小的設置和電磁鐵持續(xù)通電時間等控制參數(shù)的設置，設置完成后，這些控制參數(shù)會通過通訊接口發(fā)送給下位機模塊。另外，上位機模塊會接收下位機模塊發(fā)送的直線位移傳感器數(shù)據(jù)和壓力傳感器數(shù)據(jù)，以曲線方式在液晶屏上顯示，并以文本文件的方式存儲于U盤，曲線便于直觀查看，存儲的數(shù)據(jù)可用于之后的進一步處理。上位機模塊還會接收下位機模塊傳輸過來的限位開關的信息，并在液晶屏上以紅綠色進行指示，紅色表示觸發(fā)，綠色表示未觸發(fā)。下位機模塊的操作環(huán)境采用NXP公司32位的ARM7芯片LPC2132，移植了 uC/OS-1IV2.52嵌入式操作系統(tǒng)進行任務管理，uC/OS-1I是實時操作系統(tǒng)，可以保證下位機系統(tǒng)的實時性和可靠性，用來直接管理直流電機驅動模塊、電磁鐵驅動模塊、傳感器信號調理模塊、按鍵模塊以及限位開關模塊，其中，直流電機驅動模塊的接口有三個，分別對應沿X、Y、Z三個軸向的三條直線滑動導軌上的直流電機，電磁鐵驅動模塊、傳感器信號調理模塊、按鍵模塊以及限位開關模塊分別只有 一個接口。下位機模塊中共有三個任務，常態(tài)下均為掛起狀態(tài)，優(yōu)先級由高到低，分別由限位開關觸發(fā)喚起、上位機模塊發(fā)送的控制參數(shù)或握手同步信號喚起、按鍵按下喚起。將限位開關對應的任務安排在最高的優(yōu)先級有利于操作安全和機構保護，上位機發(fā)送的控制參數(shù)的優(yōu)先級高于按鍵按下喚起，可以使參數(shù)重新設置后立即生效，無需等到下次操作，在此應用中合理。圖2是直流電機驅動模塊的電路結構框圖。所述直流電機驅動模塊用于控制動物試驗腹側脊髓損傷撞擊裝置的位置調整裝置上的三個24V直流電機的操作，其與下位機模塊的接口有三根信號線，由下位機模塊分別傳輸剎車信號BRAKE_ARM、方向信號DIR_ARM和調速信號PWM_ARM，前兩者均為高低電平信號，調速使用的是PWM信號。由于剎車信號不需要頻繁變換，而方向信號的變換可能會比較頻繁，同時調速信號頻率也比較高，所以剎車信號采用普通光耦隔離，方向信號和調速信號則使用lOMBit/s高速光耦進行隔離。如附圖2所示，PWM_ARM是調速信號，DIR_ARM是方向信號，分別由下位機模塊LPC2132的PWM輸出管腳和普通IO管腳輸出。調速信號PWM_ARM和方向信號DIR_ARM輸入到雙通道10MBit/s的高速光耦芯片HCPL-2631進行隔離。BRAKE_ARM是剎車信號，由下位機模塊LPC2132的普通IO管腳輸出，其輸入到普通光耦芯片TLP281進行隔離。光耦隔離后的速度信號PWM、方向信號DIR、剎車信號BRAKE連接到直流電機驅動芯片LMD18200，經(jīng)過直流電機驅動芯片LMD18200內部的邏輯控制電路和功率器件，其輸出J2可以直接驅動直流電機。其中，直流電機驅動芯片LMD18200為專用的H橋芯片LMD18200，該芯片同時集成了邏輯控制電路和功率器件，其導通電阻低，可輸出6A的峰值電流，最大連續(xù)工作電流達3A，工作電壓高達55V，具有過熱報警功能以及過熱與短路保護功能。LED燈Dl用于指示剎車信號是否有效，LED燈D3用于驅動芯片的過熱報警，當直流電機驅動芯片LMD18200的結溫達到145°C，由直流電機驅動芯片的THERMAL9引腳發(fā)生過熱報警信號，輸出低電平，LED燈D3被點亮。圖3是本發(fā)明電磁鐵驅動模 塊的電路結構框圖。為了便于撞擊力度的控制，電磁鐵采用電流驅動的方案，因此本發(fā)明中自行設計了一種隔離的電壓控制電流源電路作為電磁鐵驅動模塊。該電磁鐵驅動模塊用于驅動所述操作頭上的直動推出管式電磁鐵的操作，其與下位機模塊的接口有兩根信號線，分別傳輸DA電壓信號和使能信號。如圖3所示，下位機模塊LPC2132內部集成的10位DA轉換器輸出用于調節(jié)輸出電流大小的電壓信號A0UT,其由下位機模塊的DA輸出管腳輸出。電壓信號AOUT被輸入到電磁鐵驅動模塊的單刀雙擲型的模擬開關NLASB3157上。AEN是電磁鐵驅動模塊的使能信號，來自下位機模塊LPC2132的普通IO管腳，所述AEN信號是高低電平信號，用來控制模擬開關的接通方式，從而控制AOUT信號的通斷。Ul是一個高精密的雙運算放大器0P213，其第一個運放用來作電壓跟隨器，以匹配AOUT信號經(jīng)模擬開關后與線性隔離電路之間的輸入輸出阻抗。Ul的第二個運放連同線形光耦HCNR201、U2的第一個運放組成線形隔離電路，用于對電壓控制電流源電路的電壓控制信號進行線性隔離；其中，U2是與Ul同型號的運算放大器芯片，線形隔離電路的放大倍數(shù)可以通過精密多圈的電位器R7進行調節(jié)。U2的第二個運放、功率MOSFET管IRF640NS以及大功率精密電阻R9構成電壓控制電流源電路，以線形隔離電路的輸出電壓(U2第一個運放的輸出信號0UT1)作為控制信號，其輸出信號0UT2用于控制所述電磁鐵的運動。接口 P3接入電磁鐵，D5為肖特基二極管，與電磁鐵反向并聯(lián)，構成續(xù)流回路，作鉗位保護之用，D4為LED燈，用來指示電磁鐵的工作狀態(tài)。由于電磁鐵的選型遵循低電壓大電流原則，所以電流源的輸出電流需要足夠大，才能夠驅動電磁鐵，所以電壓控制電流源電路選用功率MOS管搭建，可實現(xiàn)O 4.2A電流的無級調節(jié)，滿足機械部分所選電磁鐵的驅動要求。由于電磁鐵屬于感性負載，使用肖特基二極管反向與其并聯(lián)構成續(xù)流回路，避免了電磁鐵在關斷瞬間產(chǎn)生大的反向電動勢而損壞驅動電路。通過控制程序延時，保證連續(xù)兩次撞擊操作的時間間隔大于等于上次撞擊持續(xù)時間的10倍，用于散熱冷卻，實現(xiàn)功率MOSFET和電磁鐵的過熱保護，同時使用自恢復保險絲作過流保護。圖4是本發(fā)明傳感器信號調理模塊的電路結構框圖。傳感器信號調理模塊，包括壓力傳感器信號調理電路和電位器式直線位移傳感器信號調理電路。傳感器信號調理模塊用于對所述電位器式直線位移傳感器和壓力傳感器所測量的在撞擊過程中各時刻產(chǎn)生的位移信號和相應的力度信號進行調理并輸出給下位機模塊。壓力傳感器信號調理電路是將壓力傳感器輸出的差分電壓信號轉換到合適范圍內的單極性電壓信號，以便下位機的AD轉換器對該信號進行AD轉換，再將其傳送到上位機。電位器式直線位移傳感器信號調理電路是將位移傳感器輸出的電阻信號轉換到合適范圍內的單極性電壓信號，之后的處理與壓力傳感器信 號類似。每一次撞擊完成后，本次撞擊過程中各時刻的位移傳感器和壓力傳感器數(shù)據(jù)經(jīng)過所述傳感器信號調理模塊調理后都會發(fā)送到上位機模塊。壓力傳感器測量的力度信號是電橋差分信號。附圖4中所示的IN+和IN-是壓力傳感器輸出的電橋差分信號，INAl 18U是精密的儀表運算放大器芯片，其內部由三個運放構成，專用于電橋差分信號的調理，最小共模抑制比高達IlOdB,差模放大系數(shù)可由精密的多圈電位器R2進行調節(jié)。FS是壓力傳感器測量的力度信號經(jīng)INA118U運算放大器調理后輸出的電壓信號，即壓力傳感器數(shù)據(jù)，該信號連接到下位機模塊的一個AD通道管腳，其中，下位機模塊LPC2132內部集成了一個10位的AD轉換器，共有8個通道的外部管腳。電位器式直線位移傳感器輸出的是電阻信號，電位器式直線位移傳感器信號調理電路需要將該電阻信號轉換為O 2.5V的電壓信號，通過高精度的運算放大器實現(xiàn)。如圖4所示，IN是電位器式直線位移傳感器輸出的電阻信號，AD8572是高精密雙運算放大器芯片，其第一個運放用作電壓跟隨器，將傳感器的電阻信號轉換成電壓信號，電阻R3和精密多圈電位器R4組成分壓電路，該分壓電路將電壓信號調節(jié)到下位機模塊LPC2132內部集成的AD轉換器的輸入信號范圍，AD8572的第二個運放也是用作電壓跟隨器，用來匹配所述分壓電路與AD轉換器之間的輸出輸入阻抗，輸出經(jīng)調理之后的位移傳感器電壓信號DS，即位移傳感器數(shù)據(jù)，并將該DS信號連接到下位機模塊LPC2132的另一個AD通道。按鍵模塊，共有八個按鍵，分別用作X軸正向運動、X軸負向運動、Y軸正向運動、Y軸負向運動、Z軸正向運動、Z軸負向運動以及電磁鐵的啟動，還有一個保留按鍵，按鍵的去抖動電路采用施密特觸發(fā)器實現(xiàn)。各按鍵信號接到下位機模塊LPC2132的普通IO管腳，并且相或后接到下位機模塊LPC2132的低優(yōu)先級外部中斷管腳，采用中斷-查詢的方式進行管理。任意一個按鍵按下后，都會觸發(fā)低優(yōu)先級外部中斷，中斷服務程序會喚起優(yōu)先級最低的任務，該任務負責查詢哪一個按鍵被按下，并執(zhí)行相應的操作。當運動按鍵被按下，首先查詢限位開關狀態(tài)，如果沒有限位開關被觸發(fā)或者只有反向的限位開關被觸發(fā)，則執(zhí)行相應操作，否則不執(zhí)行，運動速度來自上位機的設置。當電磁鐵啟動按鍵被按下，并且距離上次撞擊操作已經(jīng)超過散熱冷卻時間(10倍于上次撞擊持續(xù)時間)，則執(zhí)行相應操作，否則不執(zhí)行，撞擊力度和撞擊持續(xù)時間來自上位機的設置。限位開關模塊，其包括安裝在X、Y、Z三個軸向的直線滑動導軌的正負極限位置處的三組開關，共計6個，分別實現(xiàn)X軸正向限位、X軸負向限位、Y軸正向限位、Y軸負向限位、Z軸正向限位以及Z軸負向限位，上述六個限位開關的信號相或后接到了下位機模塊LPC2132的高優(yōu)先級的外部中斷管腳。任意一個限位開關被觸發(fā)后，都會引起相應的中斷，中斷服務程序會喚起優(yōu)先級最高的任務，該任務首先會終止電機運動，然后會查詢被觸發(fā)的限位開關的位置，并向上位機發(fā)送限位開關的狀態(tài)更新。以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之 內。
權利要求
1.一種用于動物實驗腹側脊髓損傷撞擊裝置的電氣控制系統(tǒng)，所述撞擊裝置包括位置調整裝置和操作頭；所述位置調整裝置包括直流電機、分別沿X、Y、Z三個軸向的三條直線滑動導軌；所述直流電機用于驅動實驗操作平臺沿X、Y兩個軸向的直線滑動導軌上的移動，以及驅動操作頭沿Z軸的直線滑動導軌移動；操作頭包括撞擊裝置、電磁鐵、位移傳感器和壓力傳感器，所述撞擊裝置在所述直流電機的驅動下沿著Z軸向的直線滑動導軌進行移動，以將撞擊裝置固定在動物脊髓實驗段，并在固定好動物脊髓實驗段后在所述電磁鐵的帶動下撞擊所述動物腹側脊髓；所述位移傳感器和壓力傳感器，用于測量撞擊過程中產(chǎn)生的位移及撞擊力度；其特征在于:該電氣控制系統(tǒng)包括: 上位機模塊:其與下位機模塊相連，用于控制參數(shù)的設置，并將所設置的控制參數(shù)傳送給下位機模塊；其還用于接收下位機模塊傳送的位移傳感數(shù)據(jù)和壓力傳感數(shù)據(jù)，并顯示所接收的數(shù)據(jù)； 下位機模塊:其與直流電機驅動模塊、電磁鐵驅動模塊、傳感器信號調理模塊相連，用于根據(jù)所述上位機模塊傳送的所述控制參數(shù)指示所述直流電機驅動模塊，以驅動所述直流電機的操作；還用于根據(jù)所述上位機模塊傳送的所述控制參數(shù)指示所述電磁鐵驅動模塊，以驅動所述電磁鐵的運動；還用于接收所述傳感器信號調理模塊發(fā)送的所述位移傳感數(shù)據(jù)和所述壓力傳感數(shù)據(jù)，并將其傳送給所述上位機模塊； 直流電機驅動模塊:其用于根據(jù)所述下位機模塊的指示驅動所述直流電機的操作； 電磁鐵驅動模塊:其用于根據(jù)所述下位機模塊的指示驅動所述電磁鐵的運動； 傳感器信號調理模塊:其用于對所述位移傳感器和壓力傳感器所測量的位移和撞擊力度數(shù)據(jù)進行調理后輸出所述壓力 傳感數(shù)據(jù)和所述位移傳感數(shù)據(jù)并傳送給所述下位機模塊。
2.根據(jù)權利要求1所述的用于動物實驗腹側脊髓損傷撞擊裝置的電氣控制系統(tǒng)，其特征在于:所述對控制參數(shù)的設置包括對所述直流電機速度、電磁鐵電流大小和通電時間進行參數(shù)設置，以控制直流電機的運動速度、電磁鐵的撞擊力度和撞擊持續(xù)時間。
3.根據(jù)權利要求1所述的用于動物實驗腹側脊髓損傷撞擊裝置的電氣控制系統(tǒng)，其特征在于:所述直流電機驅動模塊包括普通光耦芯片、雙通道高速光耦芯片和直流電機驅動芯片；其中所述普通光耦芯片具有用于接收下位機模塊傳送的剎車信號BRAKE_ARM的接口，該普通光耦芯片用于將所述剎車信號BRAKE_ARM進行隔離并輸出光耦隔離后的剎車信號BRAKE ;所述雙通道高速光耦芯片用于接收所述下位機模塊傳輸?shù)姆较蛐盘朌IR_ARM和調速信號PWM_ARM，所述方向信號DIR_ARM和調速信號PWM_ARM經(jīng)所述雙通道高速光耦芯片進行隔離后輸出隔離后的方向信號DIR和速度信號PWM ;所述速度信號PWM、方向信號DIR和剎車信號BRAKE經(jīng)所述直流電機驅動芯片處理后輸出驅動信號以驅動所述直流電機。
4.根據(jù)權利要求1所述的用于動物實驗腹側脊髓損傷撞擊裝置的電氣控制系統(tǒng)，其特征在于:所述電磁鐵驅動模塊包括電壓跟隨器、線性隔離電路和電壓控制電流源電路，其中所述電壓跟隨器用于匹配下位機模塊與線性隔離電路之間的輸入輸出阻抗，并將下位機模塊輸出的電壓信號傳送到線性隔離電路；所述線形隔離電路用于將所述電壓跟隨器的輸出信號進行線性隔離，并輸出控制電壓信號；所述電壓電流源電路將該控制電壓信號作為控制信號，以輸出用于驅動電磁鐵運動的電流信號。
5.根據(jù)權利要求4所述的用于動物實驗腹側脊髓損傷撞擊裝置的電氣控制系統(tǒng)，其特征在于:所述電壓跟隨器包括第一高精密雙運算放大器中的第一運放；所述線形隔離電路包括所述第一高精密雙運算放大器的第二運放、線形光耦芯片和第二高精密雙運算放大器的第一運放；所述電壓電流源電路包括所述第二高精密雙運算放大器的第二運放、功率MOSFET管以及大功率精密電阻。
6.根據(jù)權利要求1所述的用于動物實驗腹側脊髓損傷撞擊裝置的電氣控制系統(tǒng)，其特征在于:所述傳感器信號調理模塊包括壓力傳感器信號調理電路和位移傳感器信號調理電路； 所述壓力傳感器信號調理模塊包括精密儀表運算放大器芯片，其內部包括三個運放電路，用于對壓力傳感器輸出的電橋差分信號進行調理后輸出壓力傳感數(shù)據(jù)并其傳輸給所述下位機模塊； 所述位移傳感器信號調理電路包括雙運算放大器芯片，所述位移傳感器輸出的電阻信號作為所述雙運算放大器芯片的輸入，所述雙運算放大器芯片的第一運放將所述位移傳感器輸出的電阻信號轉換成電壓信號，所述位移傳感器信號調理電路還包括構成分壓電路的電阻R3和精密多圈電位器R4，該分壓電路用于將該電壓信號調節(jié)到所述下位機模塊內部集成的AD轉換器的信號輸入范圍，所述雙運算放大器芯片的第二運放作為電壓跟隨器用來匹配所述分壓電路與所述AD轉換器之間的輸出輸入阻抗，并輸出經(jīng)調理后的位移傳感器數(shù)據(jù)，并將該位移傳感器數(shù)據(jù)發(fā)送給所述下位機模塊。
7.根據(jù)權利要求1所述的用于動物實驗腹側脊髓損傷撞擊裝置的電氣控制系統(tǒng)，其特征在于:所述電器控制系統(tǒng)還包括按鍵模塊；所述按鍵模塊包括多個按鍵，用于指示沿直線滑動導軌進行正負向運動和電磁鐵啟動的喚起。
8.根據(jù)權利要求7所述的用于動物實驗腹側脊髓損傷撞擊裝置的電氣控制系統(tǒng)，其特征在于:所述電氣控制系統(tǒng)還包括限位開關模塊，限位開關模塊包括安裝在X、Y、Z三個軸向的直線滑動導軌的正負極限位置處的六個限位開關，分別實現(xiàn)X軸正向限位、X軸負向限位、Y軸正向限位、Y軸負向限位、Z軸正向限位以及Z軸負向限位。
9.根據(jù)權利要求8所述的用于動物實驗腹側脊髓損傷撞擊裝置的電氣控制系統(tǒng)，其特征在于:所述按鍵模塊和所述限位開關模塊的輸出信號作為中斷信號連接至下位機模塊的外部中斷管腳，所述限位開關模塊的中斷優(yōu)先級高于所述按鍵模塊的中斷優(yōu)先級。
10.根據(jù)權利要求1所述的用于動物實驗腹側脊髓損傷撞擊裝置的電氣控制系統(tǒng)，其特征在于:所述上位機模塊使用WinCE嵌入式操作系統(tǒng)，用戶通過所述WinCE嵌入式操作系統(tǒng)自帶的圖形化用戶界面進行控制參數(shù)的設置；下位機模塊使用uC/OS-1I實時嵌入式操作系統(tǒng)，通過RS232接收所述上位機模塊發(fā)送的控制參數(shù)，并向所述上位機模塊發(fā)送限位開關的狀態(tài)、位移傳感器數(shù)據(jù)和壓力傳感器數(shù)據(jù)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于動物實驗腹側脊髓損傷撞擊裝置的電氣控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括上位機模塊、下位機模塊、三個直流電機驅動模塊、電磁鐵驅動模塊、傳感器信號調理模塊、按鍵模塊、限位開關模塊上位機模塊提供友好的圖形化用戶界面，用于控制參數(shù)的設置、限位開關狀態(tài)的指示以及傳感器數(shù)據(jù)的顯示和存儲。下位機模塊控制管理執(zhí)行層的所有模塊，接收上位機發(fā)送的控制參數(shù)，并向上位機發(fā)送限位開關狀態(tài)和傳感器數(shù)據(jù)；直流電機驅動模塊根據(jù)所述下位機模塊的指示驅動所述直流電機的操作；電磁鐵驅動模塊根據(jù)所述下位機模塊的指示驅動所述電磁鐵的運動；傳感器信號調理模塊對所述位移傳感器和壓力傳感器所測量的位移和撞擊力度數(shù)據(jù)進行調理；所述按鍵模塊用于處理按鍵輸入信號，所述限位開關模塊用于處理限位開關輸入信號。
文檔編號A61D1/00GK103142326SQ201210541529
公開日2013年6月12日 申請日期2012年12月14日 優(yōu)先權日2012年12月14日
發(fā)明者李鵬峰, 侯增廣, 胡進, 譚民, 洪毅, 姜樹東, 陳翼雄, 張峰, 王衛(wèi)群, 張軍衛(wèi) 申請人:中國科學院自動化研究所