基于MSP430的自控式骨矫形器的设计与实现

2.2.3 参数反馈

本设计要求实现对骨矫形器精确控制的同时保持系统低功耗的特性,因此骨矫形器内部安装了ZP系列零功耗磁敏传感器，该传感器是一种工作时无需外加电源的新型传感器，为双磁极交替触发工作方式。转盘安装在电机转轴上，转盘上固定有小磁铁，当转盘转动、小磁铁经过磁敏元件正下方时，磁敏元件产生电信号，电信号通过导线传给外围电路，而且电信号幅值与磁场的变化速度无关

2.2.4 信号处理

ZP系列传感器输出信号电流很小，将信号进行后级放大处理后的输出脉冲信号通过74HC14进行整形后，送入单片机进行计数。使用MSP430F169具有定时/捕获功能的16位定时器A对脉冲计数，采用外部引脚信号作为定时器A的输入时钟源，定时器A的工作模式采用增计数到CCR0模式。

2.3 键盘显示

为了降低系统功耗、减少占用单片机的I/O口数目，键盘模块设计为3×3个按键的行列式键盘，采用中断方式进行处理,P2.0"P2.2作为行线，P2.5"P2.7作为列线。只要按键被按下，便会触发中断，进入键盘处理程序，实现设定初始位移、目标位移，控制骨矫形器微电机的正转、反转和读取、保存数据等功能。

骨矫形器需要为用户提供丰富的交互信息，本设计选用HG1286413单色点阵图形液晶显示器作为用户的交互界面，它最大可显示4行8列32个字符。P3.0"P3.7作为液晶的数据线, P5.4"5.7作为液晶使能、内部命令寄存器/显示存储器选择控制和读写模式控制位，P5.3为复位信号的控制位。LCD显示屏为用户显示操作提示、工作状态、电池欠压告警等信息。

2.4 电源模块

电机在正常工作时对电源的干扰很大，为不影响单片机的正常工作，系统选用双电源供电,采用1个5 V/4.8 Ah锂电池供电。一组经AMS1117转换成3.3 V给单片机及外围电路供电；另一组经纹波极低的DC/CD模块B0505S-1W实现电压隔离后给电机供电。

LG9110的驱动电压不应低于4 V，否则电机不能正常工作，为此设计了电压检测电路。MSP430F169内部的比较器A的反向输入端P2.4电压取自分压电阻,同向输入端为参考电压，选用内部电压VCC/2,即1.65 V。当电池电压低于设定值4 V时，触发比较器A中断，程序进入低压服务程序，保存现场数据到信息存储器A、B中，同时提示用户对电池进行充电。而电压在4 V"5.0 V之间变动时，电路不会产生误操作。

3 系统软件设计

3.1主程序

为了减轻CPU的负担和降低电路功耗, 系统全部功能都使用中断方式实现。主程序进行一些必要的初始化工作后进入低功耗死循环状态并等待中断。一旦有中断, CPU从低功耗模式中唤醒,进行中断处理, 中断结束后再次返回低功耗死循环。主程序的流程图如图4所示。



3.2 电机控制

矫形器的调速功能通过MSP430F169的定时器B输出PWM方波来实现。通过改变捕获/比较寄存器CCR1、CCR2中的数值就可以改变定时器B产生的2路（P4.1、P4.2）PWM方波信号的占空比, 通过改变捕获/比较寄存器CCR0中的数值就可改变PWM方波信号的周期，由此达到改变微电机转速的目的。当P4.1输出PWM信号时，矫形器正向运行;当P4.2输出PWM信号时，矫形器反向运行；当P4.1与P4.2都输出或者都不输出信号时，矫形器停止运行。

矫形器运行位移通过定时器A所记录的脉冲数来确定。微电机的转速为8 000 r/m，经过减速器4 096:1的减速，输出速度为1.95 r/m，因此中心螺杆的转速也为1.95 r/m，而中心螺杆的螺纹导程为0.5 mm。所以内套筒相对外套筒的运行速度为0.975 mm/min，整个矫形器的运行速度即为0.975 mm/min。通过运算可知矫形器每运行0.1 mm,微电机就运行819.2转,而码盘上固定了4个小磁铁，计数器就记录了3 277个脉冲。用户通过键盘选择当次运行位移，程序中通过设置CCR0值来实现对矫形器运行位移的精确控制。电机控制程序流程图如图5所示。



本文介绍了一种新型高精度自控式骨矫形器设计及实现。该骨矫形器安放在长骨骨髓腔内，以避免外固定器械的高并发症，既可作内固定器，又具有牵张作用，能够在单次牵张后，达到长时间持续稳定的牵张效果；肢体牵张手术创伤小，手术操作及术后护理简单；性能安全可靠、操控简单稳定实用而又不困扰患者日常生活，在实际应用中效果明显优于传统的骨矫形器，具有非常高的实用价值。