多功能拉伸訓(xùn)練器是一種具有全新設(shè)計(jì)理念的運(yùn)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(shí)間、訓(xùn)練力度以及給定拉伸次數(shù)。訓(xùn)練時(shí)間指本次訓(xùn)練的時(shí)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(shí)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(shí)際長度達(dá)到鋼絲繩可被拉出最大長度的 80％以上。 鋼絲繩被拉出的實(shí)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(jī)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(jì)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(jì)訓(xùn)練者在訓(xùn)練時(shí)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(dá)到要求。
1 總體設(shè)計(jì)
為了達(dá)到康復(fù)訓(xùn)練效果， 訓(xùn)練者需要在規(guī)定的訓(xùn)練時(shí)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(dá)到要求， 否則， 本次訓(xùn)練未達(dá)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(shí)間與給定拉伸次數(shù)； 有效拉伸次數(shù)通過 PLC 內(nèi)部的計(jì)數(shù)器進(jìn)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(shí)際長度要達(dá)到鋼絲繩可被拉出最大長度的 80％以上。 鋼絲繩被拉出的實(shí)際長度通過直線位移傳感器測量。 PLC 的擴(kuò)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(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)條件是否滿足，如果滿足，則有效拉伸次數(shù)累計(jì)一次。 訓(xùn)練結(jié)束后，在觸摸屏上顯示本次訓(xùn)練是否達(dá)到要求。
2 ，硬件設(shè)計(jì)
本次設(shè)計(jì)所需要的主要硬件有 PLC 控制器及其擴(kuò)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(kuò)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(shí)器與計(jì)數(shù)器，能夠方便地與觸摸屏通信并進(jìn)行模塊擴(kuò)展，滿足本次設(shè)計(jì)要求（詳見信捷公司《XC 系列可編程序控制器手冊》）。
擴(kuò)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(kuò)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(jì)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(kuò)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(jì)
軟件設(shè)計(jì)分為觸摸屏界面設(shè)計(jì)與主程序設(shè)計(jì)兩部分。
3．1 觸摸屏界面設(shè)計(jì)
利用 TOUCHWIN 觸摸屏編輯軟件， 設(shè)計(jì)用于設(shè)定訓(xùn)練參數(shù)以及顯示訓(xùn)練結(jié)果的人機(jī)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(dá)到要求。’
3．2 主程序設(shè)計(jì)
訓(xùn)練時(shí)間與給定拉伸次數(shù)通過觸摸屏設(shè)定。 訓(xùn)練時(shí)間根據(jù)轉(zhuǎn)換關(guān)系自動轉(zhuǎn)換為 PLC 內(nèi)部定時(shí)器的定時(shí)參數(shù)。 XC3 系列的PLC 提供多種精度的定時(shí)器， 本次設(shè)計(jì)采用 100 ms 精度的定時(shí)器， 地址為 T100， 可為訓(xùn)練者提供 5 min～30 min 不等的訓(xùn)練時(shí)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(jì)數(shù)器進(jìn)行累計(jì)，計(jì)數(shù)器的類型選擇 16 位的順計(jì)數(shù)器，地址為 C0。
鋼絲繩被拉出的實(shí)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(jì)數(shù)器是否滿足計(jì)數(shù)條件，如果滿足，計(jì)數(shù)一次。 計(jì)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(shí)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(jì)時(shí)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(shí)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
