多功能拉伸训练器是一种具有全新设计理念的运动康复训练器材。 它为训练者提供基础力量训练、爆发力训练、平衡训练等康复训练模式。 由于每位训练者的身体健康状况及体能状态都存在着一定的差别，在训练之前，需要在训练器上为每位训练者设定不同的康复训练参数。

康复训练参数包括训练时间、训练力度以及给定拉伸次数。训练时间指本次训练的时长；训练力度指本次训练的载荷；给定拉伸次数指训练者在训练时间内需要完成的有效拉伸训练次数。 有效拉伸训练需要训练者在手柄处拉出钢丝绳的实际长度达到钢丝绳可被拉出最大长度的 80％以上。 钢丝绳被拉出的实际长度通过直线位移传感器测量。 直线位移传感器是通过电位器元件将机械位移转换成与之成线性关系的电压或电流的输出装置，被广泛地应用于多种位移测量系统中［1－5］。

本文设计了基于 PLC、 触摸屏以及直线位移传感器的控制系统，并将其应用于多功能拉伸训练器，以解决钢丝绳长度的测量问题，并统计训练者在训练时间内所做的有效拉伸次数。 训练结束后，通过触摸屏显示本次训练是否达到要求。

1       总体设计

为了达到康复训练效果， 训练者需要在规定的训练时间内完成给定次数的有效拉伸训练。 训练结束后，如果有效拉伸训练次数等于给定拉伸次数，则本次训练达到要求， 否则， 本次训练未达到要求。

在训练之前，通过调节气缸中的压力， 调节训练力度； 通过触摸屏设定训练时间与给定拉伸次数； 有效拉伸次数通过 PLC 内部的计数器进行反馈，并同步显示在触摸屏上。

   训练者做有效拉伸训练，手柄处拉出钢丝绳的实际长度要达到钢丝绳可被拉出最大长度的 80％以上。 钢丝绳被拉出的实际长度通过直线位移传感器测量。 PLC 的扩展模块采集传感器的输出信号，并将其按线性关系转换成数字量。 该数字量被送入PLC 的寄存器，然后由 PLC 的程序判断， 计数器的计数条件是否满足，如果满足，则有效拉伸次数累计一次。 训练结束后，在触摸屏上显示本次训练是否达到要求。

2 ，硬件设计

本次设计所需要的主要硬件有 PLC 控制器及其扩展模块、直线位移传感器、触摸屏。 控制系统硬件接线图如图 1 所示。

2．1  PLC 控制器及其扩展模块选型

PLC 的控制器选择信捷公司生产的 XC3 系列 CPU，  型号XC3－32RT－E。 该型号 PLC 提供两个通讯口，多种类型的定时器与计数器，能够方便地与触摸屏通信并进行模块扩展，满足本次设计要求（详见信捷公司《XC 系列可编程序控制器手册》）。

扩展模块选择模拟量输入模块，型号为 XC－E4AD，将其配置为 0～5 V 的电压输入模式。 该模块具有 4 通道、14 位高精度模拟量输入，分辨率为 1 ／ 16 383。 利用该模块，采集直线位移传感器输出的模拟量信号，并将其转换为数字量， 并送入 PLC 的寄存器内。  设置信号采集的通道为 CH0，电压模拟量输入的端子为 VI0，模拟量输入的公共端为 C0（ 详见信捷公司《XC  系列扩展模块手册》）。

2．2 直线位移传感器选型

选择米朗科技公司生产的 KTC650 型直线位移传感器。 该传感器为绝对位置测量型，   有效行程为 650  mm，   线性精度为±0．04％，满足本次设计要求。该型号传感器采用 24 V 直流电压供电， 输出的直流电压信号与位移成线性关系，为 0～100％的给定直流电压。 为了便于PLC 扩展模块采集传感器的输出信号，通过外置转换模块，将传感器的输出转换成标准的 0～5 V 电压。

2．3 触摸屏选型

XC3 系列的 PLC 支持多种触摸屏。 考虑到显示系统与控制系统的兼容性，触摸屏选择信捷公司生产的触摸屏，型号为  TP－

760－T。  该型号触摸屏为 7  英寸 TFT  LCD 显示，像素为 480*234，电阻式触摸方式，该触摸屏优化了通讯协议，支持自由格式通讯，可自由编写驱动程序（详见 TP－760－T  技术手册）。

TP－760－T 采用 24 V 直流电压供电， 通过下载电缆与 PC 连接，用于上传或下载编辑的触摸屏页面；通过通讯电缆与 PLC 的 PORT2 端口连接，用于接收来自 PLC 的命令信号。

3      软件设计

软件设计分为触摸屏界面设计与主程序设计两部分。

3．1  触摸屏界面设计

利用 TOUCHWIN 触摸屏编辑软件， 设计用于设定训练参数以及显示训练结果的人机界面，如图 2 所示。M10 当中的数值，指示灯显示不同的颜色状态，可变字符串显示不同的文字描述，以区分本次训练是否达到要求。’

3．2 主程序设计

训练时间与给定拉伸次数通过触摸屏设定。 训练时间根据转换关系自动转换为 PLC 内部定时器的定时参数。 XC3 系列的PLC 提供多种精度的定时器， 本次设计采用 100 ms 精度的定时器， 地址为 T100， 可为训练者提供 5  min～30  min 不等的训练时间。给定拉伸次数通过触摸屏设定后，将设定值存放于 PLC 的 D 存储区内，地址为 D0；有效拉伸次数通过 PLC 的计数器进行累计，计数器的类型选择 16 位的顺计数器，地址为 C0。

钢丝绳被拉出的实际长度通过 KTC650 型传感器测量。 该传感器将测量结果转换为电压信号，并通过外置转换模块，输出0～5 V 的直流电压。 利用模拟量输入模块 XC－E4AD 采集传感器的输出信号，并将其按比例关系转换为 0～16 383 的数字量，并将转换的数字量直接送入 PLC 的内部寄存器内。 PLC 通过程序判断，计数器是否满足计数条件，如果满足，计数一次。    计数结果由PLC 通过 PORT2 通信端口发送给触摸屏，同步显示在触摸屏上。

创建两个数据输入窗口， 用于训练者输入给定拉伸次数与训练时间。 数据输入窗口的数据类型设为 Word 型，对象类型设为 D，地址分别为 D0 和 D1。

创建一个数据显示窗口，用于将 PLC 采集到的有效拉伸次数，同步显示在触摸屏上。 数据显示窗口的数据类型设为 Word 型，对象类型设为 D，地址为 D2。

创建两个功能键， 一个编辑为“ 开始训练”， 对象类型设为M，地址为 M2，当训练者按下该功能键， 计时开始； 另一个功能键编辑为“清屏”，设定为事件按钮，当训练者按下该功能键， 可以清空本次的训练的所有记录。

创建一个蜂鸣器，当训练时间到后，蜂鸣器会自动长鸣一声， 提示训练者结束训练。 蜂鸣器的对象类型设为 T，地址为 T100。

创建一个指示灯、一个可变字符串。 指示灯、可变字符串的对象类型均设为 M，地址均为 M10。  通过采集 PLC 内部寄存器