基于STM32的新型低頻脈沖治療儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2022-09-14 15:27:40季盛浩

電子制作 2022年17期

季盛浩

（天津市九米九視光技術(shù)有限公司，天津，300384）

0 引言

隨著科技在不斷進(jìn)步，人們對(duì)疼痛的機(jī)理也掌握的越來越多，低頻電療法可以促進(jìn)血液循環(huán)，治療各種疼痛，在臨床上表現(xiàn)良好。由于低頻脈沖符合人體生理對(duì)刺激的要求，各主要輸出參數(shù)能根據(jù)需要調(diào)節(jié)現(xiàn)已經(jīng)被廣泛使用，其具有多種功能，能產(chǎn)生多種脈沖波形，療效明顯，體積小，操作簡便安全，省電等優(yōu)點(diǎn)。本系統(tǒng)就是基于低頻、高壓、脈沖等特性設(shè)計(jì)一種新型治療儀，新型治療儀采用STM32單片機(jī)程序控制，經(jīng)過升壓斬波放大，產(chǎn)生變化有序的多種治療脈沖波形模擬、針灸等方法，增加局部血液循環(huán)，減輕疼痛。

1 治療儀的基本原理

低頻脈沖治療儀以中醫(yī)經(jīng)絡(luò)理論為基礎(chǔ)與現(xiàn)代電子技術(shù)相結(jié)合，利用脈沖波形來刺激人體穴位調(diào)節(jié)人體免疫力、內(nèi)分泌、神經(jīng)系統(tǒng)疏通經(jīng)絡(luò)，改善微循環(huán)，以達(dá)到治療，保健的目的。它將物理因子作用在人體各部位的經(jīng)絡(luò)和穴位進(jìn)行物理治療，從而提高臨床效果。它具有自動(dòng)變頻的脈沖電壓，能夠穿透組織深處進(jìn)行淺部和深部病灶的治療?？梢哉{(diào)節(jié)神經(jīng)的興奮性和抑制性，激活病灶周圍組織的細(xì)胞活性，增強(qiáng)局部血液循環(huán)和新陳代謝能力，提高免疫力，調(diào)節(jié)內(nèi)分泌；對(duì)病灶周圍組織有修復(fù)和治療的作用。

本文設(shè)計(jì)的低頻脈沖治療儀，利用延時(shí)程序，把其調(diào)制成低頻電脈沖。強(qiáng)度可調(diào)，且有多種模式可供選擇。其基本波形特性如下：

(1)密波（DF）：頻率為100Hz，周期10ms，幅度恒定，有針刺感，細(xì)振動(dòng)，止痛，可促進(jìn)局部血液循環(huán)。

(2)疏波（MF）：頻率為50Hz，間歇10ms，有強(qiáng)的震顫感、緊壓感，量大可使肌腱收縮、止痛。

(3)疏密波（CP）：疏波和密波交替出現(xiàn)，各持續(xù)1s，可促進(jìn)滲出物吸收。

(4)間升波（LP）：又稱快慢交替疏密波、其中的疏波持續(xù)4s，密波持續(xù)8s，且密波中的一組電壓保持穩(wěn)定，另一組電壓緩慢起伏，有漸升和漸降的蟻爬感，可止痛。

(5)斷續(xù)波（RS）：疏波斷續(xù)出現(xiàn)，通電斷電時(shí)間各為1s，有斷續(xù)震顫感，量大可使腱肌收縮，肌肉節(jié)律性收縮。

(6)起伏波（MM）：疏度斷續(xù)出現(xiàn)，通、斷電時(shí)間各為4s，且疏波的出現(xiàn)和消失是緩慢的。

2 硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)上述原理，設(shè)計(jì)出一種智能型多功能治療儀，治療儀整機(jī)硬件電路可分為電源電路、MCU電路、充電電路、放電電路及人體檢測電路部分。治療儀的硬件系統(tǒng)框圖，如圖1所示。

圖1 治療儀的硬件系統(tǒng)框圖

■ 2.1 電源部分

電源電路分為兩部分：VDD和VCC。VDD分別提供給MCU、晶振電路復(fù)位電路和充電電路等。VCC時(shí)由芯片控制產(chǎn)生的。開機(jī)后，MCU輸出一個(gè)電平信號(hào)打開控制三極管，它的集電極端即為VCC，它只是在開機(jī)狀態(tài)下存在，關(guān)機(jī)后關(guān)閉三極管，VCC=0V。

■ 2.2 MCU控制部分

本系統(tǒng)采用MCU采用STM32F401芯片，該芯片屬于STM32 Dyna MIC Eきciency器件范圍。

性能：在84MHz頻率下，從Flash存儲(chǔ)器執(zhí)行時(shí)，STM32F401能夠提供105DMIPS/285 CoreMark性能，并且利用意法半導(dǎo)體的ART加速器實(shí)現(xiàn)了FLASH零等待狀態(tài)執(zhí)行。DSP指令和浮點(diǎn)運(yùn)算單元擴(kuò)大了產(chǎn)品的應(yīng)用范圍。高性能、低成本、低功耗。本設(shè)計(jì)選擇這款的原因是看重其性價(jià)比：STM32F401是意法半導(dǎo)體基于ARM Cortex-M4 32位/DSP內(nèi)核的STM32F4系列高性能微控制器的入門級(jí)產(chǎn)品。低功耗，3x3mm微型封裝，105°C環(huán)境溫度，STM32F401適用于管理醫(yī)療和移動(dòng)應(yīng)用或現(xiàn)場總線驅(qū)動(dòng)的工業(yè)傳感器模塊。

集成度：STM32F401產(chǎn)品組合具有128至512KB的Flash存儲(chǔ)器和96KB的SRAM。3路USART，速度高達(dá)10.5 Mbit/s，4路SPI，速度高達(dá)42 Mbit/s，3路I2C，1路SDIO，1個(gè)全速USB 2.0 OTG，2個(gè)全雙工IS，最高32-bit/192KHz，速度高達(dá)2.4 MSPS的12位ADC，10個(gè)定時(shí)器，頻率高達(dá)84 MHz的16和32位定時(shí)器等一系列性能特征，能完全滿足本系統(tǒng)性能要求。該部分主要完成以下任務(wù):（1）系統(tǒng)各種定時(shí)，如波形的脈寬、頻率、交替計(jì)時(shí)、波形自動(dòng)切換計(jì)時(shí)，顯示等；（2）隨強(qiáng)度按鍵輸入鍵值的變化輸出相應(yīng)頻率信號(hào)去控制升壓電路產(chǎn)生相應(yīng)電壓；（3）按鍵掃描和參數(shù)調(diào)節(jié)，顯示刷新。

■ 2.3 脈沖波形電路

單片機(jī)輸出引腳產(chǎn)生的不同脈寬的方波，經(jīng)放大整形后就形成了治療儀的輸出波形。系統(tǒng)波形的變化和驅(qū)動(dòng)是通過多級(jí)三極管合作完成。

充電電路由充電電感L1、高壓電容CB1、二極管D1、D2、三極管Q1、電容C1及充電電阻R1組成，通過MCU控制端口輸出脈沖控制Q1周期通斷對(duì)電容進(jìn)行間歇充電。

放電電路由正負(fù)脈沖端口分別控制Q4和Q5、Q6和Q7通斷實(shí)現(xiàn)負(fù)載輸出正向脈沖和負(fù)向脈沖，在負(fù)載端合成輸出雙向脈沖，負(fù)載端通過電極導(dǎo)線和電極片連到人體進(jìn)行脈沖刺激。

人體檢測電路由R12、R13、D3、Q9構(gòu)成。放電時(shí)如果有負(fù)載，D3導(dǎo)通，其壓降將Q9基極電位抬高，三極管導(dǎo)通，集電極拉低；沒有負(fù)載時(shí)，Q9截止，集電極為高電位，由MCU檢測集電極的電位，并做出相應(yīng)判斷：輸出狀態(tài)5s檢測不到人體后將停止輸出，返回待機(jī)狀態(tài)；待機(jī)狀態(tài)20s檢測不到人體后將執(zhí)行關(guān)機(jī)。脈沖波形電路，如圖2所示。

圖2 脈沖波形電路

通過以上控制電路的脈沖信號(hào)加在人體負(fù)載上，對(duì)人體進(jìn)行脈沖刺激。

■ 2.4 時(shí)鐘電路

本設(shè)計(jì)中時(shí)鐘電路圖如圖3所示，本設(shè)計(jì)中選用了8MHz晶振分別接引腳OSC1和OSC2，電容C12，C13均選擇為12pF，對(duì)振蕩器的頻率有穩(wěn)定作用。

圖3 時(shí)鐘電路

圖5 按鍵電路

■ 2.5 復(fù)位電路

本設(shè)計(jì)選擇了RC復(fù)位如圖4所示，在系統(tǒng)上電運(yùn)行時(shí)，就在RST斷出現(xiàn)一段高電平，使電路器件復(fù)位。

圖4 復(fù)位電路

■ 2.6 按鍵電路

常用的鍵盤電路一般為矩陣式，但是對(duì)于此設(shè)計(jì)，為了方便程序的簡單化，我們采用了一般的鍵盤接口，鍵盤輸出信號(hào)。具體為：P1.0：按摩模式；P1.1：針灸模式；P1.2：刮痧模式；P1.3：拔罐模式； P1.4：混合模式；P1.5強(qiáng)度加控制；P1.6強(qiáng)度減控制；P1.7開關(guān)機(jī)控制。

圖6 顯示電路

■ 2.7 顯示電路

本設(shè)計(jì)選用了IS31FL 3731LED驅(qū)動(dòng)器，IS31FL 3731是一款用于144個(gè)單 LED 的緊湊型 LED 驅(qū)動(dòng)器。該設(shè)備可以通過12C 兼容接口編程。IS31FL3731提供兩塊每塊驅(qū)動(dòng)72個(gè) LED 與1/9周期率。通過使用交叉復(fù)用特性優(yōu)化 PCB 上的空間，驅(qū)動(dòng)所有144個(gè) LED 所需的線路減少到18個(gè)。此外，144個(gè) LED 中的每一個(gè)都可以單獨(dú)使用8位調(diào)光，允許256個(gè)線性調(diào)光步驟。為了減少 CPU 的使用，最多可以存儲(chǔ)8幀之間的單獨(dú)時(shí)間延遲，自動(dòng)播放小動(dòng)畫。

3 軟件設(shè)計(jì)

本治療儀的智能化功能主要體現(xiàn)在能按人的意愿發(fā)出特定序列的信號(hào)，這些信號(hào)參數(shù)包括；基波和調(diào)制波的波形與頻率，直流成分，交流成分，組合方式，作用時(shí)間和強(qiáng)度等。主程序軟件流程圖，如圖7所示。

圖7 主程序軟件流程圖

治療模式是儀器所圍繞的核心。在設(shè)計(jì)本儀器時(shí)，編排了一系列的治療模式；一方面，一種治療模式可以把各種基本波形編排在一起，可以達(dá)到使機(jī)體適應(yīng)這種剌激的目的。另一方面，一種治療模式的編排還是有一定的規(guī)律的，針對(duì)不同的病癥、不同的部位可以選擇不同的治療模式。其規(guī)律性可以通過機(jī)體的生理基礎(chǔ)和臨床治療來不斷改進(jìn)。以下介紹幾種基本治療模式脈沖波形及說明。

(1)脈沖寬度不變，同一速度脈沖間距不變。（按摩模式）