USB接口便攜式中頻電療儀的設計

李瑞蓮　蘇建坡　張　斌　鄭國恒

(鄭州大學物理工程學院，河南 鄭州　450001)

USB接口便攜式中頻電療儀的設計

李瑞蓮蘇建坡張斌鄭國恒

(鄭州大學物理工程學院，河南 鄭州450001)

摘要：為解決傳統(tǒng)治療儀體積龐大不便隨身攜帶、處方固定易被肌體適應從而降低治療效果的問題，設計了一款基于USB接口的便攜式中頻電療儀。硬件電源采用USB接口供電，功率輸出部分采用甲乙類互補對稱功率放大電路并結合環(huán)形磁心變壓器。系統(tǒng)電路包括USB接口電路、電源轉換電路、D/A轉換電路及功率放大電路。軟件部分開發(fā)了USB固件程序、USB驅動程序及客戶端應用程序。醫(yī)生可根據(jù)患者的治療反饋信息，重新編寫處方或添加最新專家處方，提供遠程幫助。該裝置體積小，質量輕，輕便易攜。

關鍵詞：USB2.0電療儀STM32集成芯片功率放大電路變壓器D/A轉換電路

0引言

中頻電療法采用1～10 kHz[1]的脈沖電流來治療疾病，它是物理療法的一種，主要包括干擾電療法、調制中頻電療法和等幅中頻(音頻)電療法3種[2]。目前，中頻電療儀以其顯著的療效，已廣泛應用于臨床。但中頻電療儀體積龐大，不便攜帶，一般都是在固定地點進行治療，不方便個人隨身使用；另外，中頻電療儀處方固定，包含的治療波形、調制頻率、載波頻率都不能改變，很容易被肌體適應，從而降低治療效果。為了解決上述問題，設計了一款基于USB接口的便攜式中頻電療儀。

USB2.0接口具有較高的傳輸速率，即插即用[3]，使用USB標準協(xié)議，可實現(xiàn)處方數(shù)據(jù)的迅速下發(fā)，解決了處方升級數(shù)據(jù)量大的問題。運用USB接口供電，簡化電源設計，有效減小設備體積。甲乙類互補對稱功率放大電路輸出功率大、效率較高[4]；環(huán)形磁心變壓器較之傳統(tǒng)疊片式變壓器，激磁能量和鐵心損耗大大減小，而且尺寸小、質量輕[5]。通過甲乙類互補對稱功率放大電路和環(huán)形磁心變壓器相結合的方式，成功實現(xiàn)了便攜式電療儀的設計。

ARM公司推出的STM32F10××系列芯片，內置有USB接口資源，并提供USB固件驅動程序庫，簡化了應用開發(fā)過程。采用STM32F103VCT6為中頻電療儀主控微處理器，把PC機作為USB主機，中頻電療儀作為USB設備，通過USB接口為中頻電療儀提供電源并控制其運行?；诖嗽O計的中頻電療儀，小巧精致，即插即用，非常適合個人及家庭使用。

1USB便攜式中頻電療儀概述

USB便攜式中頻電療儀系統(tǒng)以PC機作為USB主機，中頻電療儀作為USB設備。當USB設備插入主機時，它所連接的集線器通過中斷傳輸，將端口的變化發(fā)送給主機。主機讀取USB設備的配置信息并為其分配唯一地址，按要求初始化后進入就緒狀態(tài)。

通過特定的USB端點，USB設備與PC主機之間實現(xiàn)通信。當便攜式中頻電療儀，即USB設備，插入主機以后，用戶通過客戶軟件下發(fā)數(shù)據(jù)，USB設備解析協(xié)議，控制硬件設備經D/A轉換輸出中頻電流，并進行功率放大，經電極片貼在人體肌膚表面。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)原理框圖

2系統(tǒng)硬件電路設計

為減小系統(tǒng)體積，在電路上進行了優(yōu)化，直接采用USB接口進行供電，極大地簡化了電源設計。系統(tǒng)硬件主要電路可分為USB接口電路、電源轉換電路、D/A轉換電路、功率放大電路。D/A轉換電路采用TLC7528進行雙通道轉換，電路比較常見，此處不再討論。

2.1USB接口電路

USB數(shù)據(jù)傳輸采用非歸零反相編碼(NRZI)方式，主要信號線有D+、D-。在PC主機與USB設備連接的瞬間，由于靜電放電(electro static discharge,ESD)的原因，可能會產生幅值較高的尖峰電流，損壞PC主機硬件設備或USB接口芯片。因此，在連接微控制器前，需要在這兩條信號線之間串聯(lián)保護芯片USBLC6-2P6，進行ESD保護。這款芯片具有很低的線電容2.5 pF，可保證高速USB信號不失真，能承受接觸放電8 kV和空氣放電15 kV，最大漏電流僅為1 μA,可有效保護USB設備電路安全[6]。USB接口連接電路如圖2所示。

圖2　USB接口電路

PA11、PA12接入微處理器STM32F103VCT6，控制USB數(shù)據(jù)傳輸，引腳PE3通過電阻R26與三極管Q10連接，可使能或禁止USB功能。圖2中，電阻R22、R23為限流電阻。

2.2電源轉換電路

電源的正確設計關系到整個電路的穩(wěn)定性和可靠性，是電路設計的重要組成部分[7]。在便攜式設計中，既要保證電源滿足系統(tǒng)需求，又要盡可能減小電源部分體積。USB接口所提供電壓為5 V，電路中用到的器件所需電壓有：微控制器STM32F103VCT6電源為3.3 V，數(shù)模轉換芯片TLC7528電源為5 V，集成運放LM324電源為12 V。因此，需要把5 V電壓進行轉換以滿足不同的器件需要。為減小電路體積，采用集成芯片設計，電源轉換電路如圖3所示。

圖3　電源轉換電路

集成芯片LM2577S-12與電感、電容等分立器件配合，將USB的5 V電壓轉換為12 V。集成芯片LM7805再將12 V電壓轉換，獲得可供數(shù)字器件使用的5 V電壓。集成芯片LM1117-3.3將5 V電壓轉換為3.3 V，供微控制器STM32F103VCT6使用。

2.3功率放大電路

便攜式設計要求體積小、質量輕，但不能影響設備的功率輸出。因此，在功率輸出部分要盡可能地提高功率輸出效率，同時在一定范圍內控制設備質量。為此，采用甲乙類互補對稱功率放大電路，電路原理如圖4所示。

D/A轉換器的輸出先經過集成運算放大器，既對輸入信號進行放大,又提高了電路的穩(wěn)定性，減小交越失真[8]。改變電阻R13、R16的比值，可改變放大系數(shù)。功率放大電路的輸出信號再作為反饋信號接入D/A轉換器。當處于信號的正半周期時，三極管Q6、Q7導通，電流從變壓器經Q7流向12 V_GND；當處于信號的負半周期時，三極管Q5、Q4導通，電流從VCC12 V經Q4流向變壓器，以此完成整個信號周期的功率放大。為了進一步提高電效率，變壓器采用的是環(huán)形磁心變壓器。

圖4　功率放大電路

環(huán)形磁心變壓器的鐵心材質比較特殊，采用優(yōu)質冷軋硅鋼片，再經無縫卷制而成，使得其鐵心性能優(yōu)于普通的疊片式鐵心。線圈均勻繞在鐵心上，其產生的磁力線方向與鐵心磁路幾乎重合，激磁能量及鐵心損耗較疊片式將減少25%，電效率可提高到95%以上，且減小了磁干擾和振動噪聲。環(huán)形磁心變壓器的另一顯著優(yōu)點是外形尺寸小、質量輕，較疊片式質量減小一半，非常適合在便攜式設計中應用。

3系統(tǒng)軟件設計

患者在治療過程中，處方中固定的波形、調制頻率及載波頻率易被肌體適應，在一定程度上降低了治療效果。為了改善這種情況，提出了處方升級的方法。醫(yī)生可根據(jù)患者的治療信息反饋，編寫適合患者的最優(yōu)處方，并下載至硬件中，對患者進行治療，也可將最新的專家處方添加至硬件中，實現(xiàn)處方的實時更新。處方的升級會帶來大批量的數(shù)據(jù)傳輸，要求在短時間內可傳輸大量的數(shù)據(jù)，這也是選擇USB接口的另一個主要原因。

系統(tǒng)軟件設計中應包括上述方法的具體實現(xiàn)，主要由3部分組成：USB外設端固件程序、USB系統(tǒng)主機驅動程序及客戶端應用程序。

3.1USB外設端固件程序設計

USB外設端固件程序是固化在微處理器中的程序，對硬件USB寄存器設置或讀取，是USB2.0協(xié)議的具體實現(xiàn)。ST公司提供了用于開發(fā)USB的針對STM32F10×××系列微處理器的固件庫，使用該固件庫，可以省去底層接口函數(shù)的設計，大大提高了開發(fā)效率[9]。USB固件庫在層次上可分為3層：USB應用層、USB應用接口層、USB庫內核層。各層所用到的文件如表1所示。USB在響應主機時，采用的是中斷機制。中斷事件主要包括USB復位、中斷溢出、掛起、喚醒、按主機要求傳輸數(shù)據(jù)。在判斷中斷類型時，調用USB應用接口層的USB_Istr()函數(shù)。

表1　USB固件庫文件分層

針對不同的數(shù)據(jù)傳輸要求，USB規(guī)范制定了4種不同的數(shù)據(jù)傳輸方式：控制傳輸、中斷傳輸、塊傳輸和同步傳輸[10]。設計中，主機PC機對便攜式中頻電療儀的指令下發(fā)采用中斷傳輸方式，保證指令能被正確執(zhí)行。處方升級時采用塊傳輸方式，保證大批量數(shù)據(jù)的正確傳輸。所有數(shù)據(jù)的傳輸都是通過端點進行的。端點0是所有USB設備都必須支持控制傳輸?shù)亩它c，用于實現(xiàn)USB設備上電之后的枚舉過程；端點1作為數(shù)據(jù)傳輸IN端點，用于傳遞中頻治療儀治療時的實時數(shù)據(jù)；端點2作為數(shù)據(jù)傳輸OUT端點，實現(xiàn)PC機發(fā)送指令和更新處方。利用ST公司提供的USB固件開發(fā)包及相關例程，修改相應的描述符(端點描述符、設備描述符、接口描述符、配置描述符等)，添加用戶自定義端點傳輸中斷服務函數(shù)，即可方便有效地實現(xiàn)USB固件程序開發(fā)。

3.2USB系統(tǒng)主機驅動程序設計

USB系統(tǒng)主機驅動程序基于Windows操作系統(tǒng)，當USB設備接入主機時，自動啟動該程序，實現(xiàn)對USB設備的識別，作為中間橋梁收發(fā)數(shù)據(jù)。USB驅動程序屬于windows驅動程序模型(windows driver model,WDM)型驅動程序，支持即插即用(plug and play,PnP)、電源管理和Windows管理規(guī)范(windows management intrumentation,WMI)。

在WDM驅動程序模型中，每個硬件設備至少包含兩種驅動程序：一是功能驅動程序，主要完成初始化I/O操作，負責處理I/O操作結束時所產生的中斷事件，并提供適當?shù)脑O備控制方式；二是總線驅動程序，完成硬件與計算機的連接[11-12]。在操作系統(tǒng)中，是由PnP管理器發(fā)現(xiàn)設備并加載驅動程序，并由I/O管理器發(fā)送請求。

USB驅動程序基于WDM模型，同樣分為USB總線驅動程序和USB功能驅動程序。USB總線驅動程序由操作系統(tǒng)提供，實現(xiàn)煩瑣的底層通信。USB功能驅動程序是由設備開發(fā)者編寫，向USB總線驅動程序發(fā)送包含有URB的IRP請求包，實現(xiàn)發(fā)送或接收USB設備信息。USB設備驅動程序分層結構如圖5所示。

圖5　USB設備驅動程序分層結構圖

3.3客戶端應用程序設計

客戶端應用程序面向用戶，可視化界面供用戶在使用便攜式中頻電療儀時選擇處方，調節(jié)幅值并升級處方等。在W32子系統(tǒng)中，所有的設備都被抽象為文件，應用程序只需通過簡單的文件操作API函數(shù)，就可方便地與驅動程序中的某個設備通信。

中頻治療波形主要參數(shù)有調制波形、調制頻率、載波頻率和治療時間等。這些參數(shù)分別有著不同的生理意義，參數(shù)選擇不同治療效果也會不同。在應用程序中，這些參數(shù)已被編入軟件，用戶可根據(jù)處方升級向導，選擇參數(shù)并下載最新處方至硬件中。

4結束語

基于USB接口的便攜式中頻電療儀，電源部分采用USB接口供電，利用集成芯片將USB電源轉換成不同的電壓值，有效地減小了電源部分的體積；功率輸出部分采用甲乙類互補對稱功率放大電路，并結合環(huán)形磁心變壓器，在進一步提高電效率的同時減輕了裝置的質量，實現(xiàn)了便攜式中頻電療儀的設計。軟件部分開發(fā)了USB外設端固件程序，USB系統(tǒng)主機驅動程序及客戶端應用程序，在實現(xiàn)基本功能的基礎上，提出了采用處方升級方式克服肌體適應性的方法。USB接口的設計，一方面實現(xiàn)了中頻電療儀的即插即用，操作簡單；另一方面利用了PC機在當今時代較為普及的優(yōu)勢，使其具有更為廣闊的市場前景。

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Design of the Portable Intermediate Frequency Electrotherapeutic Apparatus Based on USB Interface

Abstract：The traditional therapeutic apparatus is huge in size and inconvenient to carry,and the fixed prescriptions are easy adapted by organism,which results in reduction of the efficacy of treatment.To solve these problems,the portable intermediate frequency electrotherapeutic apparatus based on USB interface is designed.The power of hardware is supplied by USB interfacing circuit,power conversion circuit,D/A conversion circuit and power amplifier.For the software,the USB firmware,USB driver,and client application are developed.The doctor can rewrite the prescription or add latest expert prescription in accordance with the feedback from patients to provide remote assistance.The sizes of this apparatus are small and the quality is light,which is light to carry.

Keywords:USB2.0Electrotherapeutic apparatusSTM32Integrated chipPower amplifierTransformerD/A conversion circuit

中圖分類號：TH7;TP271+.5

文獻標志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201605025

國家自然科學基金資助項目(編號：81171410)。

修改稿收到日期：2015-09-11。

第一作者李瑞蓮(1990-)，女，現(xiàn)為鄭州大學物理電子學專業(yè)在讀碩士研究生；主要從事硬件設計、嵌入式技術方向的研究。