基于直流載波通信的漫游電治療儀主從式控制系統設計

趙志科，申思憲，吳坤坤，李躍勇，董俊鵬

1. 河南工業大學 電氣工程學院，河南 鄭州 450001；2. 河南百昌源醫療科技有限公司，河南 鄭州 450001

引言

電刺激治療技術是一種利用刺激電流進行臨床康復治療的方法，已被廣泛應用于腦性癱瘓[1-3]、吞咽障礙[4]、脊髓神經損傷[5-6]、術后鎮痛[7]等領域。由于不同患者治療部位的差異和臨床應用環境的不同，對電刺激類康復設備的臨床使用提出了新的應用場景要求[8]。以漫游電治療儀在臨床康復方面的治療為例，在臨床使用過程中，不僅要求漫游電治療儀滿足臺車移動的需要，還要求其在特殊情況下能夠將漫游電治療主機從臺車上快速拆卸，實現便攜式移動。為了滿足康復治療設備在多種治療場景下的使用需要，采用臺車與機頭的分離式設計是康復治療設備研發的必然選擇。傳統的漫游電治療儀帶有臺車醫療設備，其主機與臺車之間僅有機械連接，無電路連接，機頭具有完整的電路與控制功能，臺車僅起到支撐、方便運輸的作用。但是對一些需要在臺車上附加有額外功能的康復設備而言，機頭與臺車間需要進行供電與數據通信。雖然采用分離式設計理念提高了康復治療設備的便攜性，但也帶來了機頭與臺車間供電和通信方面的新問題。

為了滿足機頭對臺車控制單元的檢測與控制功能，機頭與臺車之間除了設置電源線接口外，還需要專門設置用于通信的接口。根據醫療器械標準中關于電氣接口的要求，醫療設備在對外部數據進行通信時，所有的外部通信接口都要進行電氣隔離[9]。因此，機頭接口、臺車接口都要進行電氣隔離才能滿足相關檢測與應用要求。如果機頭與臺車之間無專用通信接口也能滿足機頭與臺車間的通信功能，將大大降低硬件系統的復雜性與開發成本。電力線載波通信技術的出現給機頭與臺車分離式設計控制系統提供了新的解決方案。電力線載波通信分為交流載波通信與直流載波通信。交流載波通信技術已被廣泛應用于電力系統領域[10]，已成為分布式控制、電纜故障診斷的重要技術手段[11-12]。相對而言，直流載波通信技術的發展與應用相對滯后，主要原因是直流控制系統中存在多種可靠通信協議可供選擇，使直流載波通信在信息傳遞效率、安全性方面不具備優勢。但是，對于通信與控制功能簡單的應用場景，直流載波通信技術因具有成本低、通信可靠的優點[13-14]，被更多地應用在伺服電機控制[15-16]、管道機器人通信[17]、蓄電池監測[18]、路燈控制[19]等領域。

機頭與臺車可拆卸式（分離式）的康復設備，其外接供電電源通常只給機頭提供電源，而不直接給臺車提供電源。為了滿足臺車的供電需求，機頭通常采用彈簧針或插接線向臺車提供所需電源。這種應用場景恰好能夠滿足直流載波通信的技術要求，使得借助直流載波通信技術能夠有效解決漫游電治療儀因機頭與臺車分離帶來的主從式控制難題。但是，當機頭與臺車分開時，為臺車供電的彈簧針或插接線接頭就裸露在外面，極容易受靜電干擾而損壞機頭和臺車內的控制電路，給康復治療設備的安全性帶來風險。因此，必須同時對機頭和臺車的控制系統進行相應的過流保護、靜電防護、防反接設計，才能保證直流載波通信不受外部干擾的影響，確保主從式控制通信的可靠性。

1 系統總體設計

漫游電治療儀是在干擾電治療技術的基礎上，在電極吸盤固定不動的條件下，利用光耦或繼電器陣列間導通控制實現多組電極交叉位置的動態切換，使治療區域由聚焦到發散，既能兼顧單一部位的高效治療，又可實現大范圍的交互治療，使人體組織部位產生周期性或節律性的漫游刺激感。漫游電治療儀采用機頭與臺車分離式的設計理念，以滿足機頭便攜式移動的臨床需求。漫游電治療儀的供電連接示意圖如圖1 所示。漫游電治療儀的機械結構主要包括機頭和臺車兩部分，在機頭的底部設置彈簧針母座，臺車臺面上設置彈簧針，通過彈簧針與彈簧針母座的接觸實現機頭向臺車供電。漫游電治療儀采用主從式控制方式，實現對臺車內的加熱盤進行加熱控制。機頭部分是漫游電治療儀的控制主機，主要用于處方選擇、模式選擇、氣泵控制、抽吸力調節、電流輸出指示等人機交互操作，實現漫游電治療電流的輸出與控制功能。臺車部分可為機頭提供一個移動式平臺，在臺車內設置溫度控制系統，利用直流載波通信技術，根據機頭發出的加熱控制指令，實現對加熱盤的加熱控制。

圖1 漫游電治療儀供電連接示意圖

漫游電治療儀采用的主從式加熱控制系統框圖如圖2 所示。通過彈簧針實現機頭向臺車供電，主控電路與觸控面板在機頭內實現人機交互，通過觸控發送加熱指令。臺車獲得供電后，首先通過防反接防靜電保護電路，將電源輸送給隔離降壓電路，確保加熱電源與控制電源的隔離。從控制器通過產生載波信號給加熱電源施加信號。根據主控制器發送的加熱指令進行臺車加熱盤加熱控制，通過溫度傳感器進行溫度檢測，并根據程序設定向主控制器發送加熱狀態，實現直流載波通信下的閉環加熱控制。

圖2 主從式控制系統結構框圖

2 硬件系統設計

2.1 主機控制電路

主機控制電路（機頭內）加熱控制電路主要由自恢復保險絲（F1）、精密采樣電阻（R31、R32）、肖特基二極管（D8）、TVS 二極管（D7）、電流放大器（U2）、三極管（Q1）、繼電器（JK10）、二極管（D18）、共模濾波器（L16）、彈簧針接插件（P15）等組成，見圖3。

圖3 主機控制電路

由于本設計選用的直流載波通信頻率為低頻脈沖信號，因此選用電容CP43、電容C32 來濾除電源上的高頻干擾。自恢復保險絲（F1）起到防止供電電路中電流過大的作用。一旦電流過大電源（VCC）將被切斷，可有效避免因電流過大損壞后面的電流放大器芯片（U2）。精密采樣電阻（R31、R32）以串聯的方式接入供電電源，以實時檢測供電電源中的電流變化。將電流變化轉換為電壓的變化后，輸入到電流放大器（U2）的差分輸入端。TVS 二極管（D7）、肖特基二極管（D8）用于保護電流放大器芯片（U2）的差分輸入端，避免因供電電源設備的起停操作、交流電網的不穩定、雷擊干擾及靜電放電等原因，損壞電流放大器芯片（U2）。

電流放大器芯片（U2）的OUT 端（HEAT_IO）用以輸出檢測到的方波脈沖信號，其脈沖信號的頻率小于100 Hz。主機控制器根據脈沖捕獲到的電壓幅值與頻率，對臺車內加熱控制電路的工作狀態進行識別。當電流放大器芯片（U2）OUT 端（HEAT_IO）的頻率發生變化時，若與主控電路（機頭）程序設定的頻率一致，則可根據頻率的變化判定臺車的加熱狀態。

機頭上的微控制器可通過控制HEAT 來控制三極管（Q1）導通，進而控制繼電器（JK10）吸合，從而給彈簧針接插件（P15）供電。在彈簧針接插件（P15）的前端設定共模濾波器，以濾除電源上的干擾，確保臺車供電的穩定性。繼電器（K1）在掉電狀態下，繼電器內部2-3 接通、6-7 接通，此時彈簧針接插件無電源。當1-2 接入電源后，繼電器吸合，繼電器內部2-3 斷開，3-4接通，繼電器內部6-7 斷開，5-6 接通，彈簧針接插件（P15）接通電源（VCC）。電源（VCC）的電壓可根據加熱功率的需要選定，一般不超過24 V。

為了避免繼電器吸合前后電磁鐵聚集電荷從而產生瞬時高壓，本文優選二極管（D18）續流，消耗電磁體兩端聚集的電荷，同時避免產生吸合狀態的電弧現象和損壞繼電器及后續電路。電容CP32 的作用是隔離電源和地；電阻R34 的作用是限流。電阻R34 與R38 分壓后，可避免因為給主控芯片過高電壓從而損壞主控芯片。LED1 為電流放大器芯片U2 的OUT 輸出端狀態指示，便于維修時直觀判斷U2 的工作正常與否。

2.2 從機控制電路

從機控制電路主要由防反接與防靜電保護電路、隔離降壓電路、加熱控制電路、微控制器最小系統組成。防反接與防靜電電路如圖4 所示。CN1 接口為彈簧針公座（與機頭對接的電源接口）。利用P-MOS 管Q2 的導通特性實現防止電源反接的作用，避免損壞后續電路。D21 為TVS 二極管，可防靜電。D22 為穩壓二極管，一旦輸入的電壓超過12 V，穩壓二極管會導通，將電壓穩定為VCC 電壓值，防止因輸入電壓過高或接通瞬間出現高壓而損壞后續電路。C39、C40 起到濾波的作用，可抑制電源中的高頻干擾。

圖4 防反接與防靜電保護電路

隔離降壓電路如圖5 所示。采用隔離性降壓芯片，將外部輸入（機頭供電電源）的電源與微控制器的電源進行隔離，避免因外部輸入電源不穩定而損壞控制芯片（U8）。U3 是一個12 V 轉5 V 的DC-DC 隔離模塊，可避免前級的靜電傳到后級從而損壞芯片。D19 是一個穩壓二極管，防止電壓超過5 V。U4 為5 V 轉3.3 V 的電源模塊。D20 為穩壓二極管，穩壓值為3.3 V，確保為控制芯片（U8）提供穩定的直流電源。LED2 為3.3 V的電源指示燈，便于維修檢測判斷。

圖5 加熱線接口電路

加熱控制電路如圖6 所示。加熱控制電路主要通過光耦和MOS 管實現對加熱絲的加熱控制。F1 為保險絲，防止電流過大。C41、R45 是一個吸收回路，防止出現電流浪涌。CN2 為接線口，其引腳3、4 用于兩個NTC 溫度傳感器的接線，引腳1、2 用于接通加熱絲的正負極。U5、U6 為光耦，Q3、Q4 為MOS 管。只需通過微控制器的HEAT-CONTROL 引腳，即可控制光耦U5，進而控制MOS 管Q3。當MOS 管Q3 導通時，加熱絲形成回路并開始加熱，否則，切斷電源停止加熱。微控制器的FAKE_LOAD 引腳用于提供一個假負載（方波脈沖信號），其與加熱絲供電電路形成并聯，以此向機頭控制器提供不同的脈沖頻率。機頭主機根據檢測的脈沖頻率實現加熱狀態反饋。通過控制假負載導通的頻率，給主板發送信息。機頭控制電路的采樣電阻通過檢測到的不同電流變化頻率，反映下方加熱板的不同工作狀態。2 個NTC 傳感器用于檢測加熱溫度，通過兩個運算放大器構成的跟隨器與接口CN2 連接，提供了檢測端ADC1、ADC2 的帶載能力。R52、R53 起到限流作用。D23、D24 為TVS 二極管，用于防止靜電損壞控制電路。從機控制器的地（GND）與外部輸入的地（PGND）是分開的，起到隔離保護的作用，避免通過二者共地引入干擾，從而損壞控制器芯片。

圖6 加熱控制與載波發送電路

微控制器最小系統電路如圖7 所示，主要用于為假負載提供脈沖方波和控制加熱及溫度檢測。CN3 為程序下載接口，D25、D26 為TVS 二極管，用以防止靜電從下載口進入損壞控制芯片U8。

圖7 微控制器最小系統電路

3 軟件程序設計

漫游電治療儀的加熱主機控制流程圖如圖8 所示。主機系統上電后，進行系統初始化，完成系統自檢。首先，判斷是否觸發加熱按鍵，如觸發加熱按鍵，主控制器控制置HEAT 為高電平。其次，利用定時器捕獲計算電源線上的脈沖頻率，據此判斷臺車的加熱狀態。當檢測到從機加熱狀態異常時，控制微控制器置HEAT 為低電平，停止給臺車供電，強制停止臺車上的從機工作。漫游電治療儀的加熱從機控制流程圖如圖9 所示。從機系統上電后，首先進行系統初始化，完成系統自檢，并置HEAT-CONTROL 為低電平，控制MOS 管，打開加熱絲供電回路。利用NTC 溫度傳感器實時檢測加熱絲的工作狀態，當檢測到加熱盤內的水溫度超限時，置HEAT-CONTROL 為高電平，切斷加熱絲供電電源，并給電源施加加熱異常狀態的假負載脈沖信號FAKE_LOAD。當檢測到加熱盤內的水溫度不超限時，給電源施加加熱正常狀態的假負載脈沖信號FAKE_LOAD，向主機反饋加熱狀態。

圖8 主機控制程序流程圖

圖9 從機控制程序流程圖

4 實驗研究

采用機頭與臺車分離式設計理念研制的漫游電治療儀實物如圖10 所示。該漫游電治療儀已通過河南省藥品監督管理局醫療器械產品注冊檢驗。

圖10 漫游電治療儀實物圖片

漫游電治療儀在加熱狀態切換時的信號波形如圖11所示。在機頭主控制電路中電源控制端（HEAT）電平為低電平時，機頭無法向臺車供電，臺車的供電電壓為0 V，此時機頭上的供電電壓處于波動狀態。當機頭主控制電路中的電源控制端（HEAT）由低電平轉換為高電平轉換后，機頭供電電壓從波動狀態進入穩定的9.8 V，假負載輸出信號在延遲2 s 后輸出10 Hz 方波信號，電流放大器的OUT 端因MOS 管開關控制產生了脈沖方波信號，并在延時2 s 后疊加10 Hz 的方波信號，供主控制器檢測端檢測。

圖11 加熱狀態切換的信號波形

5 討論與結論

該漫游電治療儀的機頭與臺車機械結構已獲國家專利授權[20-21]，同時該設計能夠滿足電磁兼容-試驗和測量技術中對靜電放電抗擾度試驗（GB/T 17626.2-2018）、電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗（GB/T 17626.4-2018）、浪涌（沖擊）抗擾度試驗（GB/T 17626.5-2018）、射頻場感應的傳導騷擾抗擾度（GB/T 17626.6-2017）的測試要求。經查閱國內外相關文獻可知，在康復醫療設備領域，未見有采用直流載波通信技術實現機頭與臺車分離式設計控制的相關產品應用。綜上所述，本文設計方法具有較強的創新性與實際應用價值。

實驗結果表明，漫游電治療儀將機頭與臺車分離式設計與直流載波通信技術相結合，既提高了漫游電治療儀使用的便攜性，又解決了機頭與臺車的通信難題，保證了在無直接通信線路的情況下，機頭對臺車加熱狀態的控制與監測，提高了漫游電治療儀的可靠性與安全性。本設計也為分離式主從控制系統設計提供了新的通信方案。