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 李瑞蓮  蘇建坡  張  斌  鄭國恒

 （鄭州大學(xué)物理工程學(xué)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(yīng)從而降低治療效果的問題，設(shè)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(jié)合環(huán)形磁心變壓器。系統(tǒng)電路包括USB接口電路、電源轉(zhuǎn)換電路、D/A轉(zhuǎn)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(qū)動程序及客戶端應(yīng)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(yuǎn)程幫助。該裝置體積小，質(zhì)量輕，輕便易攜。

關(guān)鍵詞：USB2.0 電療儀STM32集成芯片功率放大電路變壓器D/A轉(zhuǎn)換電路

中圖分類號：TH7;TP271 +.5  DOI：10. 16086/j. cnki．issnl000 - 0380. 201605025

0  引言

 中頻電療法采用1~ 10 kHz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(diào)制中頻電療法和等幅中頻（音頻）電療法3種。目前，中頻電療儀以其顯著的療效，已廣泛應(yīng)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(jìn)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(diào)制頻率、載波頻率都不能改變，很容易被肌體適應(yīng)，從而降低治療效果。為了解決上述問題，設(shè)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，使用USB標(biāo)準(zhǔn)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(shè)計，有效減小設(shè)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；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(zhì)量輕。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(jié)合的方式，成功實現(xiàn)了便攜式電療儀的設(shè)計。

 ARM公司推出的STM32F10××系列芯片，內(nèi)置有USB接口資源，并提供USB固件驅(qū)動程序庫，簡化了應(yīng)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(shè)備，通過USB接口為中頻電療儀提供電源并控制其運行�；�于此設(shè)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。

1 USB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(shè)備。當(dāng)USB設(shè)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(shè)備的配置信息并為其分配唯一地址，按要求初始化后進(jìn)入就緒狀態(tài)。

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

2  系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

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

2.1  USB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(shè)備連接的瞬間，由于靜電放電( electro static discharge，ESD)的原因，可能會產(chǎn)生幅值較高的尖峰電流，損壞PC主機硬件設(shè)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(hù)芯片USBLC6 -2P6，進(jìn)行ESD保護(hù)。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1μA，可有效保護(hù)USB設(shè)備電路安全。USB接口連接電路如圖2所示。

 PA11、PA12接入微處理器STM32F103VCT6，控制USB數(shù)據(jù)傳輸，引腳PE，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(zhuǎn)換電路

 電源的正確設(shè)計關(guān)系到整個電路的穩(wěn)定性和可靠性，是電路設(shè)計的重要組成部分。在便攜式設(shè)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5v，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(zhuǎn)換芯片TLC7528電源為5V，集成運放LM324電源為12 V。因此，需要把5v電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)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(shè)計，電源轉(zhuǎn)換電路如圖3所示。

 集成芯片LM2577S -12與電感、電容等分立器件配合，將USB的5V電壓轉(zhuǎn)換為12 V。集成芯片LM7805再將12 V電壓轉(zhuǎn)換，獲得可供數(shù)字器件使用的SV電壓。集成芯片LM1117 -3.3將5V電壓轉(zhuǎn)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(shè)計要求體積小、質(zhì)量輕，但不能影響設(shè)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(nèi)控制設(shè)備質(zhì)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(zhuǎn)換器的輸出先經(jīng)過集成運算放大器，既對輸入信號進(jìn)行放大，又提高了電路的穩(wěn)定性，減小交越失真。改變電阻R13、R16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(zhuǎn)換器。當(dāng)處于信號的正半周期時，三極管Q6、Q7導(dǎo)通，電流從變壓器經(jīng)Q7流向12 V_GND;當(dāng)處于信號的負(fù)半周期時，三極管Q5，Q4通，電流從VCC12 V經(jīng)Q4流向變壓器，以此完成整個信號周期的功率放大。為了進(jìn)一步提高電效率，變壓器采用的是環(huán)形磁心變壓器。

 環(huán)形磁心變壓器的鐵心材質(zhì)比較特殊，采用優(yōu)質(zhì)冷軋硅鋼片，再經(jīng)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(chǎn)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(zhì)量輕，較疊片式質(zhì)量減小一半，非常適合在便攜式設(shè)計中應(yīng)用。

3  系統(tǒng)軟件設(shè)計

 患者在治療過程中，處方中固定的波形、調(diào)制頻率及載波頻率易被肌體適應(yīng)，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(jìn)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(nèi)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(shè)計中應(yīng)包括上述方法的具體實現(xiàn)，主要由3部分組成：USB外設(shè)端固件程序、USB系統(tǒng)主機驅(qū)動程序及客戶端應(yīng)用程序。

3.1 USB外設(shè)端固件程序設(shè)計

 USB外設(shè)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(shè)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(shè)計，大大提高了開發(fā)效率。USB固件庫在層次上可分為3層：USB應(yīng)用層、USB應(yīng)用接口層、USB庫內(nèi)核層。各層所用到的文件如表1所示。USB在響應(yīng)主機時，采用的是中斷機制。中斷事件主要包括USB復(fù)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(diào)用USB應(yīng)用接口層的USB_ Ist ()函數(shù)。

 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。設(shè)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(jìn)行的。端點0是所有USB設(shè)備都必須支持控制傳輸?shù)亩它c，

用于實現(xiàn)USB設(shè)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(guān)例程，修改相應(yīng)的描述符（端點描述符、設(shè)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(wù)函數(shù)，即可方便有效地實現(xiàn)USB固件程序開發(fā)。

3.2 USB系統(tǒng)主機驅(qū)動程序設(shè)計

 USB系統(tǒng)主機驅(qū)動程序基于Windows操作系統(tǒng)，當(dāng)USB設(shè)備接入主機時，自動啟動該程序，實現(xiàn)對USB設(shè)備的識別，作為中間橋梁收發(fā)數(shù)據(jù)。USB驅(qū)動程序?qū)儆趙indows驅(qū)動程序模型(windows drivermodel．WDM)型驅(qū)動程序，支持即插即用(plug andplay，PnP)、電源管理和Windows管理規(guī)范(windows management intrumentation,WMI).

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

 USB驅(qū)動程序基于WDM模型，同樣分為USB總線驅(qū)動程序和USB功能驅(qū)動程序。USB總線驅(qū)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(qū)動程序是由設(shè)備開發(fā)者編寫，向USB總線驅(qū)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(shè)備信息。USB設(shè)備驅(qū)動程序分層結(jié)構(gòu)如圖5所示。

3.3客戶端應(yīng)用程序設(shè)計

 客戶端應(yīng)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(diào)節(jié)幅值并升級處方等。在W32子系統(tǒng)中，所有的設(shè)備都被抽象為文件，應(yīng)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(qū)動程序中的某個設(shè)備通信。

 中頻治療波形主要參數(shù)有調(diào)制波形、調(diào)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(yīng)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?qū)�，選擇參數(shù)并下載最新處方至硬件中。

4結(jié)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(zhuǎn)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(jié)合環(huán)形磁心變壓器，在進(jìn)一步提高電效率的同時減輕了裝置的質(zhì)量，實現(xiàn)了便攜式中頻電療儀的設(shè)計。軟件部分開發(fā)了USB外設(shè)端固件程序，USB系統(tǒng)主機驅(qū)動程序及客戶端應(yīng)用程序，在實現(xiàn)基本功能的基礎(chǔ)上，提出了采用處方升級方式克服肌體適應(yīng)性的方法。USB接口的設(shè)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(dāng)今時代較為普及的優(yōu)勢，使其具有更為廣闊的市場前景。