多功能拉伸訓(xùn)練器是一種具有全新設(shè)計理念的運動康復(fù)訓(xùn)練器材。 它為訓(xùn)練者提供基礎(chǔ)力量訓(xùn)練、爆發(fā)力訓(xùn)練、平衡訓(xùn)練等康復(fù)訓(xùn)練模式。 由于每位訓(xùn)練者的身體健康狀況及體能狀態(tài)都存在著一定的差別，在訓(xùn)練之前，需要在訓(xùn)練器上為每位訓(xùn)練者設(shè)定不同的康復(fù)訓(xùn)練參數(shù)。

康復(fù)訓(xùn)練參數(shù)包括訓(xùn)練時間、訓(xùn)練力度以及給定拉伸次數(shù)。訓(xùn)練時間指本次訓(xùn)練的時長；訓(xùn)練力度指本次訓(xùn)練的載荷；給定拉伸次數(shù)指訓(xùn)練者在訓(xùn)練時間內(nèi)需要完成的有效拉伸訓(xùn)練次數(shù)。 有效拉伸訓(xùn)練需要訓(xùn)練者在手柄處拉出鋼絲繩的實際長度達到鋼絲繩可被拉出最大長度的 80％以上。 鋼絲繩被拉出的實際長度通過直線位移傳感器測量。 直線位移傳感器是通過電位器元件將機械位移轉(zhuǎn)換成與之成線性關(guān)系的電壓或電流的輸出裝置，被廣泛地應(yīng)用于多種位移測量系統(tǒng)中［1－5］。

本文設(shè)計了基于 PLC、 觸摸屏以及直線位移傳感器的控制系統(tǒng)，并將其應(yīng)用于多功能拉伸訓(xùn)練器，以解決鋼絲繩長度的測量問題，并統(tǒng)計訓(xùn)練者在訓(xùn)練時間內(nèi)所做的有效拉伸次數(shù)。 訓(xùn)練結(jié)束后，通過觸摸屏顯示本次訓(xùn)練是否達到要求。

1       總體設(shè)計

為了達到康復(fù)訓(xùn)練效果， 訓(xùn)練者需要在規(guī)定的訓(xùn)練時間內(nèi)完成給定次數(shù)的有效拉伸訓(xùn)練。 訓(xùn)練結(jié)束后，如果有效拉伸訓(xùn)練次數(shù)等于給定拉伸次數(shù)，則本次訓(xùn)練達到要求， 否則， 本次訓(xùn)練未達到要求。

在訓(xùn)練之前，通過調(diào)節(jié)氣缸中的壓力， 調(diào)節(jié)訓(xùn)練力度； 通過觸摸屏設(shè)定訓(xùn)練時間與給定拉伸次數(shù)； 有效拉伸次數(shù)通過 PLC 內(nèi)部的計數(shù)器進行反饋，并同步顯示在觸摸屏上。

   訓(xùn)練者做有效拉伸訓(xùn)練，手柄處拉出鋼絲繩的實際長度要達到鋼絲繩可被拉出最大長度的 80％以上。 鋼絲繩被拉出的實際長度通過直線位移傳感器測量。 PLC 的擴展模塊采集傳感器的輸出信號，并將其按線性關(guān)系轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。 該數(shù)字量被送入PLC 的寄存器，然后由 PLC 的程序判斷， 計數(shù)器的計數(shù)條件是否滿足，如果滿足，則有效拉伸次數(shù)累計一次。 訓(xùn)練結(jié)束后，在觸摸屏上顯示本次訓(xùn)練是否達到要求。

2 ，硬件設(shè)計

本次設(shè)計所需要的主要硬件有 PLC 控制器及其擴展模塊、直線位移傳感器、觸摸屏。 控制系統(tǒng)硬件接線圖如圖 1 所示。

2．1  PLC 控制器及其擴展模塊選型

PLC 的控制器選擇信捷公司生產(chǎn)的 XC3 系列 CPU，  型號XC3－32RT－E。 該型號 PLC 提供兩個通訊口，多種類型的定時器與計數(shù)器，能夠方便地與觸摸屏通信并進行模塊擴展，滿足本次設(shè)計要求（詳見信捷公司《XC 系列可編程序控制器手冊》）。

擴展模塊選擇模擬量輸入模塊，型號為 XC－E4AD，將其配置為 0～5 V 的電壓輸入模式。 該模塊具有 4 通道、14 位高精度模擬量輸入，分辨率為 1 ／ 16 383。 利用該模塊，采集直線位移傳感器輸出的模擬量信號，并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字量， 并送入 PLC 的寄存器內(nèi)。  設(shè)置信號采集的通道為 CH0，電壓模擬量輸入的端子為 VI0，模擬量輸入的公共端為 C0（ 詳見信捷公司《XC  系列擴展模塊手冊》）。

2．2 直線位移傳感器選型

選擇米朗科技公司生產(chǎn)的 KTC650 型直線位移傳感器。 該傳感器為絕對位置測量型，   有效行程為 650  mm，   線性精度為±0．04％，滿足本次設(shè)計要求。該型號傳感器采用 24 V 直流電壓供電， 輸出的直流電壓信號與位移成線性關(guān)系，為 0～100％的給定直流電壓。 為了便于PLC 擴展模塊采集傳感器的輸出信號，通過外置轉(zhuǎn)換模塊，將傳感器的輸出轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的 0～5 V 電壓。

2．3 觸摸屏選型

XC3 系列的 PLC 支持多種觸摸屏。 考慮到顯示系統(tǒng)與控制系統(tǒng)的兼容性，觸摸屏選擇信捷公司生產(chǎn)的觸摸屏，型號為  TP－

760－T。  該型號觸摸屏為 7  英寸 TFT  LCD 顯示，像素為 480*234，電阻式觸摸方式，該觸摸屏優(yōu)化了通訊協(xié)議，支持自由格式通訊，可自由編寫驅(qū)動程序（詳見 TP－760－T  技術(shù)手冊）。

TP－760－T 采用 24 V 直流電壓供電， 通過下載電纜與 PC 連接，用于上傳或下載編輯的觸摸屏頁面；通過通訊電纜與 PLC 的 PORT2 端口連接，用于接收來自 PLC 的命令信號。

3      軟件設(shè)計

軟件設(shè)計分為觸摸屏界面設(shè)計與主程序設(shè)計兩部分。

3．1  觸摸屏界面設(shè)計

利用 TOUCHWIN 觸摸屏編輯軟件， 設(shè)計用于設(shè)定訓(xùn)練參數(shù)以及顯示訓(xùn)練結(jié)果的人機界面，如圖 2 所示。M10 當(dāng)中的數(shù)值，指示燈顯示不同的顏色狀態(tài)，可變字符串顯示不同的文字描述，以區(qū)分本次訓(xùn)練是否達到要求。’

3．2 主程序設(shè)計

訓(xùn)練時間與給定拉伸次數(shù)通過觸摸屏設(shè)定。 訓(xùn)練時間根據(jù)轉(zhuǎn)換關(guān)系自動轉(zhuǎn)換為 PLC 內(nèi)部定時器的定時參數(shù)。 XC3 系列的PLC 提供多種精度的定時器， 本次設(shè)計采用 100 ms 精度的定時器， 地址為 T100， 可為訓(xùn)練者提供 5  min～30  min 不等的訓(xùn)練時間。給定拉伸次數(shù)通過觸摸屏設(shè)定后，將設(shè)定值存放于 PLC 的 D 存儲區(qū)內(nèi)，地址為 D0；有效拉伸次數(shù)通過 PLC 的計數(shù)器進行累計，計數(shù)器的類型選擇 16 位的順計數(shù)器，地址為 C0。

鋼絲繩被拉出的實際長度通過 KTC650 型傳感器測量。 該傳感器將測量結(jié)果轉(zhuǎn)換為電壓信號，并通過外置轉(zhuǎn)換模塊，輸出0～5 V 的直流電壓。 利用模擬量輸入模塊 XC－E4AD 采集傳感器的輸出信號，并將其按比例關(guān)系轉(zhuǎn)換為 0～16 383 的數(shù)字量，并將轉(zhuǎn)換的數(shù)字量直接送入 PLC 的內(nèi)部寄存器內(nèi)。 PLC 通過程序判斷，計數(shù)器是否滿足計數(shù)條件，如果滿足，計數(shù)一次。    計數(shù)結(jié)果由PLC 通過 PORT2 通信端口發(fā)送給觸摸屏，同步顯示在觸摸屏上。

創(chuàng)建兩個數(shù)據(jù)輸入窗口， 用于訓(xùn)練者輸入給定拉伸次數(shù)與訓(xùn)練時間。 數(shù)據(jù)輸入窗口的數(shù)據(jù)類型設(shè)為 Word 型，對象類型設(shè)為 D，地址分別為 D0 和 D1。

創(chuàng)建一個數(shù)據(jù)顯示窗口，用于將 PLC 采集到的有效拉伸次數(shù)，同步顯示在觸摸屏上。 數(shù)據(jù)顯示窗口的數(shù)據(jù)類型設(shè)為 Word 型，對象類型設(shè)為 D，地址為 D2。

創(chuàng)建兩個功能鍵， 一個編輯為“ 開始訓(xùn)練”， 對象類型設(shè)為M，地址為 M2，當(dāng)訓(xùn)練者按下該功能鍵， 計時開始； 另一個功能鍵編輯為“清屏”，設(shè)定為事件按鈕，當(dāng)訓(xùn)練者按下該功能鍵， 可以清空本次的訓(xùn)練的所有記錄。

創(chuàng)建一個蜂鳴器，當(dāng)訓(xùn)練時間到后，蜂鳴器會自動長鳴一聲， 提示訓(xùn)練者結(jié)束訓(xùn)練。 蜂鳴器的對象類型設(shè)為 T，地址為 T100。

創(chuàng)建一個指示燈、一個可變字符串。 指示燈、可變字符串的對象類型均設(shè)為 M，地址均為 M10。  通過采集 PLC 內(nèi)部寄存器