基于STM32的便攜式超聲波理療儀的設(shè)計與實現(xiàn)

李新良

（長沙民政職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長沙 410004)

引言

隨著科技水平的提高，人民的平均壽命逐漸提高，我國已步入了老齡化社會。現(xiàn)代人的生活節(jié)奏快，當(dāng)身體出現(xiàn)亞健康或輕微不適時，不會考慮去醫(yī)院理療，那樣費時又費力，隨著時間的推移，病情會加重，影響正常的生活。據(jù)統(tǒng)計，我國約5 億人患有慢性疾病或功能性障礙疾病，黨中央適時提出的《健康中國2030規(guī)劃綱要》使健康理療產(chǎn)品進入普通家庭已成為一種可能。

超聲波是一種振動頻率大于2MHZ 的聲波，它能在傳播時與媒介發(fā)生物理和化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生力學(xué)的、熱學(xué)的、電磁學(xué)的和化學(xué)的超聲效應(yīng)的聲波，醫(yī)學(xué)研究表明，超聲波具有很好的穿透性，它在肌萎硬化癥、脊椎勞損、神經(jīng)疼痛、美尼爾式癥等慢性軟組織疾病上有很好的療效[1-2]。但目前市面上的超聲波理療儀主要是醫(yī)用超聲波理療儀，存在操作界面復(fù)雜、價格昂貴、體積大、聲電轉(zhuǎn)換效率低等問題。故研究一款體積小、操作簡單、價格合適、高效的家用超聲波理療儀十分必要，能更好地滿足人民的健康生活，提高人民的幸福指數(shù)。

本文主要針對功能性障礙疾病人群、亞健康狀態(tài)的上班族及中老年人群所普遍存在的軟組織疼痛、身體疲勞或血液循環(huán)欠佳等問題，采用國家醫(yī)學(xué)超聲脈沖治療儀的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和全國醫(yī)療電器標(biāo)準(zhǔn)，研究一款適合家用的便攜式超聲波理療儀，重點研究便攜式超聲波理療儀的阻抗匹配技術(shù)和頻率跟蹤技術(shù)，解決傳統(tǒng)超聲波理療儀的攜帶不方便、能量轉(zhuǎn)換低等問題。

1.主要研究技術(shù)

阻抗匹配技術(shù)主要用于傳輸線上，將所有高頻的微波信號均能傳遞至負載點，沒有信號丟失，提高能源的效益，要求信號源內(nèi)阻或傳輸線的特性阻抗與所接的傳輸線的特性阻抗大小相等且相位相同，稱傳輸線的輸入端或輸出端處于阻抗匹配狀態(tài)，簡稱為阻抗匹配[3]。

頻率跟蹤技術(shù)是防止保護裝置誤動的一種重要方法。超聲波發(fā)生器負責(zé)向超聲換能器提供超聲頻電能的任務(wù)，換能器的諧振頻率會受發(fā)熱、負載、老化等因素影響，為了提高換能器的效率，要求必須發(fā)生器頻率與換能器的諧振頻率一致[4]。

1.1超聲波理療儀研究現(xiàn)狀

本文主要從阻抗匹配、頻率跟蹤兩種技術(shù)研究超聲波理療儀的研究現(xiàn)狀。

1.1.1 阻抗匹配技術(shù)

超聲理療儀工作時，壓電超聲換能器整體呈現(xiàn)容性負載特性，如果在信號發(fā)生器和聲壓電換能器之間不加入任何網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，超聲理療儀整體功率損耗大，達不到最高轉(zhuǎn)換效率[5]。超聲換能器屬于壓電材料，壓電材料具有逆電壓效應(yīng)，超聲理療儀產(chǎn)生的超聲激勵信號通過換能器轉(zhuǎn)換為機械能，最后驅(qū)動負載。

19 世紀40 年代美國科學(xué)家設(shè)計出復(fù)合式超聲換能器，奠定了超聲工業(yè)基礎(chǔ)；19 世紀70 年代德國科學(xué)家通過微控制器檢查電流信號來調(diào)節(jié)阻抗匹配的參數(shù)；2014年重慶大學(xué)的廖瑞金教授，利用改進型實頻技術(shù)設(shè)計出一種寬帶阻抗匹配方法，換能器的工作頻帶得到明顯擴寬；2016年北方工業(yè)大學(xué)的檀麗莎利用變壓器和電感結(jié)合的方法進行阻抗匹配，有效解決環(huán)境改變對超聲換能器的影響[6]；2016 年杭州電子科技大學(xué)的金亮將耦合震蕩應(yīng)用于阻抗匹配電路中，減少換能器在工作時的機械損耗[7]；2017 年杭州電子科技大學(xué)孔立陽，針對未匹配電路輸出電壓波形畸變嚴重的問題，采用Multisim 軟件搭建串聯(lián)匹配仿真電路，驗證串聯(lián)匹配電路對輸出的電壓波形的重要性[8]；2019 年，華南理工大學(xué)的麻章林采用一種基于VAPAR 的電容和電感的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)解決了普通串聯(lián)電感匹配電路變阻不明顯的問題，減少了能量損耗，優(yōu)化了電路濾波[9]。

1.1.2.頻率跟蹤技術(shù)

超聲波理療儀換能器頻率若發(fā)生漂移，就會在非諧振狀態(tài)，此時理療儀就會存在機械損耗，故應(yīng)該定期跟蹤理療儀的頻率。19 世紀90 年代英國科學(xué)家研制出掃描式頻率跟蹤系統(tǒng)；20 世紀30 年代，日本科學(xué)家在頻率跟蹤系統(tǒng)中增加鎖相環(huán)模塊，研制出輸出頻率為1MHz的超聲波理療儀；20世紀50年代日本科學(xué)家提出一種分散頻率反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)，并應(yīng)用于超聲換能器；2010年江南大學(xué)的屈百達和張善理提高跟蹤諧振頻率的速度，并且功率器件的損耗大大降低[10]；2015 年東南大學(xué)的吳笑天解決了普通PID 算法無法跟蹤階躍的問題[11]；2016 年南京理工大學(xué)的張一帆采用模糊控制技術(shù)的頻率跟蹤方法提高超聲波理療儀整體的工作效率[12]；2019 年華南理工大學(xué)的侯光華采用改進型變步長頻率跟蹤方法，提高了跟蹤效率[13]；2020年南昌大學(xué)的鄧財江采用變步長數(shù)字鎖相環(huán)頻率跟蹤技術(shù)，提高了超聲波理療儀整體的聲電轉(zhuǎn)換效率[14]。

1.2便攜式超聲波理療儀的重要技術(shù)

超聲波理療儀反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)主要包括超聲理療的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)和頻率跟蹤技術(shù)。

1.2.1 采用動態(tài)的LC阻抗技術(shù)提高能量轉(zhuǎn)換率

普通靜態(tài)阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)參數(shù)不能隨便調(diào)節(jié)，當(dāng)諧振頻率發(fā)生改變時，不能及時調(diào)節(jié)換能器，本文采用動態(tài)LC 型阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，動態(tài)LC 型阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)是在LC 型阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上增加一個可調(diào)電容Ca 和兩個并聯(lián)的晶閘管D1 和D2。當(dāng)超聲波理療儀工作在非諧振狀態(tài)時，通過時刻改變可調(diào)電容的容值和晶閘管的導(dǎo)通角間接調(diào)節(jié)換能器的工作狀態(tài)，使其工作在諧振狀態(tài)，動態(tài)LC型阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)如圖1所示。

圖1 動態(tài)LC型阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)

1.2.2 使用復(fù)合式頻率跟蹤技術(shù)實時跟蹤頻率

壓電超聲換能器不能隨諧振頻率改變而變化，導(dǎo)致驅(qū)動電路和功率放大電路的損耗加大、品質(zhì)下降的問題，采用鎖相環(huán)和PID 算法結(jié)合的頻率跟蹤技術(shù)，其原理框圖如圖2。

圖2 復(fù)合式頻率跟蹤技術(shù)原理框圖

2.基于STM32的便攜式超聲波理療儀的設(shè)計與實現(xiàn)

2.1總體設(shè)計方案

本文研究的基于STM32 的便攜式超聲波理療儀主要應(yīng)用于家庭理療，患者可以自己獨立完成，由于體積小重量輕，在出差或旅游途中也可以攜帶，隨時隨地治療，實現(xiàn)工作和治病二不誤。其總體設(shè)計方案如圖3所示，超聲信號發(fā)生器通過STM32 微控制器產(chǎn)生超聲激勵信號，放大器將激勵信號放大，放大后的激勵高頻微波信號通過阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)均能傳遞至負載點，超聲換能器利用自身的逆電壓效應(yīng)將超聲激勵信號轉(zhuǎn)換為機械能，最后驅(qū)動負載，理療儀有以下四個主要模塊。

圖3 超聲波理療儀整體設(shè)計方案

①頻率跟蹤模塊：該模塊負責(zé)監(jiān)測超聲壓電換能器的諧振頻率和固有頻率是否一致。

②阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)模塊：當(dāng)超聲波理療儀工作時，超聲換能器整體呈現(xiàn)容性負載特性，如果在信號發(fā)生器和換能器之間不加入任何匹配網(wǎng)絡(luò)，超聲波理療儀整體功率損耗很大，達不到最高轉(zhuǎn)換效率。

③信號采樣電路模塊：該模塊負責(zé)采樣超聲換能器的電流和電壓信號。

④功率放大模塊，此模塊的放大器用于放大驅(qū)動電路產(chǎn)生的超聲激勵信號，產(chǎn)生可以驅(qū)動超聲換能器的激勵信號。

2.2硬件系統(tǒng)總體設(shè)計

超聲波理療儀的硬件系統(tǒng)主要包括微控制和電源電路，本文設(shè)計一種適合家用的便攜式超聲理療儀，簡化人機交互模塊，超聲理療儀在低功耗的前提下，盡可能體積小、成本低，超聲波理療儀硬件系統(tǒng)總框圖如圖4所示。

圖4 基于STM32的便攜式超聲波理療儀硬件系統(tǒng)總框圖

控制器和信號發(fā)生模塊相連，用于控制理療儀輸出激勵信號；阻抗匹配電路實現(xiàn)壓電換能器調(diào)諧和變阻；信號采樣檢測電路用于采集和檢測電流和電壓；頻率跟蹤模塊用于調(diào)節(jié)換能器的諧振頻率，提高超聲波理療儀整體的聲電轉(zhuǎn)換效率；人機交互模塊用于顯示檔位和充電的狀態(tài)；過壓過流保護模塊用于檢測外圍電路的溫度和電流，達到保護電路的作用；峰值檢測電路用來檢測電路信號的峰值，確保輸出電壓保持最大峰值。

2.3 STM32微控制器的設(shè)計與實現(xiàn)

微控制器是整個便攜式超聲波理療儀的核心，需要綜合功耗大小、成本高低、體積大小、操作難度和運行速度等因素。為研制一種低成本和體積小的便攜式超聲波理療儀，要考慮綜合芯片的功耗大小，設(shè)計難易程度和運行速度快慢等因素，本文采用低功耗的STM32L151C8T6 的MCU 控制器。該微控制器ROM的大小為64K，RAM 的大小為10K，EEPROM 的大小為4KB，具有兩個I2C、兩個SPI、三個USART 和一個USB 接口，最高工作溫度可達85℃，重量僅為181.7mg，有10 個定時器和8MHz 的系統(tǒng)時鐘，微控制器和人機交互模塊，采用的微處理器的電路原理圖如圖5所示。

圖5 微處理器的電路原理圖

3.造型設(shè)計與性能評估

3.1便攜式超聲波理療儀的性能評估指標(biāo)

根據(jù)國家醫(yī)學(xué)超聲脈沖治療儀的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和全國醫(yī)療電器標(biāo)準(zhǔn)，本文擬研制的便攜式超聲波理療儀，性能評價指標(biāo)有如下六個：

①超聲波輸出中心頻率：1MHz±10%；

②超聲波的輸出功率：在0.5-1W之間且可調(diào)；

③超聲波有效強度在200-400mW/cm2之間且可調(diào)；

④超聲波理療儀聲電轉(zhuǎn)換效率40%；

⑤超聲波理療儀整體轉(zhuǎn)換效率41%；

⑥超聲波的樣板機長不超過130mm，寬不超過120mm，高不超過100mm，探頭直徑不超過20mm。

3.2便攜式超聲波理療儀的外觀設(shè)計

考慮到功效、成本、便利等因素，研制的便攜式超聲波理療的樣機正反面如圖6、圖7。考慮到用戶的實際需要，制作兩種不同材質(zhì)的探頭，半徑為10mm凹型壓電陶瓷片和平面壓電陶瓷片，外觀、性能達到指標(biāo)要求。

圖6 便攜式超聲波理療儀及探頭正面圖及大小尺寸

圖7 便攜式超聲波理療儀及探頭背面及接口

4.結(jié)束語

本文針對現(xiàn)在市場上超聲波理療儀體積大、價格高、能量轉(zhuǎn)換低等問題，提出了采用動態(tài)的LC 阻抗技術(shù)和復(fù)合式頻率跟蹤技術(shù)。本文研究的總體設(shè)計方案、微控制器、算法等都在超聲波理療儀的模擬設(shè)備上測試并基本達到設(shè)定的目標(biāo)，對便攜式理療儀的家用推廣有較好的現(xiàn)實意義。