USB接口便携式中频电疗仪的设计

李瑞莲　苏建坡　张　斌　郑国恒

(郑州大学物理工程学院，河南 郑州　450001)

USB接口便携式中频电疗仪的设计

李瑞莲苏建坡张斌郑国恒

(郑州大学物理工程学院，河南 郑州450001)

摘要：为解决传统治疗仪体积庞大不便随身携带、处方固定易被肌体适应从而降低治疗效果的问题，设计了一款基于USB接口的便携式中频电疗仪。硬件电源采用USB接口供电，功率输出部分采用甲乙类互补对称功率放大电路并结合环形磁心变压器。系统电路包括USB接口电路、电源转换电路、D/A转换电路及功率放大电路。软件部分开发了USB固件程序、USB驱动程序及客户端应用程序。医生可根据患者的治疗反馈信息，重新编写处方或添加最新专家处方，提供远程帮助。该装置体积小，质量轻，轻便易携。

关键词：USB2.0电疗仪STM32集成芯片功率放大电路变压器D/A转换电路

0引言

中频电疗法采用1～10 kHz[1]的脉冲电流来治疗疾病，它是物理疗法的一种，主要包括干扰电疗法、调制中频电疗法和等幅中频(音频)电疗法3种[2]。目前，中频电疗仪以其显著的疗效，已广泛应用于临床。但中频电疗仪体积庞大，不便携带，一般都是在固定地点进行治疗，不方便个人随身使用；另外，中频电疗仪处方固定，包含的治疗波形、调制频率、载波频率都不能改变，很容易被肌体适应，从而降低治疗效果。为了解决上述问题，设计了一款基于USB接口的便携式中频电疗仪。

USB2.0接口具有较高的传输速率，即插即用[3]，使用USB标准协议，可实现处方数据的迅速下发，解决了处方升级数据量大的问题。运用USB接口供电，简化电源设计，有效减小设备体积。甲乙类互补对称功率放大电路输出功率大、效率较高[4]；环形磁心变压器较之传统叠片式变压器，激磁能量和铁心损耗大大减小，而且尺寸小、质量轻[5]。通过甲乙类互补对称功率放大电路和环形磁心变压器相结合的方式，成功实现了便携式电疗仪的设计。

ARM公司推出的STM32F10××系列芯片，内置有USB接口资源，并提供USB固件驱动程序库，简化了应用开发过程。采用STM32F103VCT6为中频电疗仪主控微处理器，把PC机作为USB主机，中频电疗仪作为USB设备，通过USB接口为中频电疗仪提供电源并控制其运行。基于此设计的中频电疗仪，小巧精致，即插即用，非常适合个人及家庭使用。

1USB便携式中频电疗仪概述

USB便携式中频电疗仪系统以PC机作为USB主机，中频电疗仪作为USB设备。当USB设备插入主机时，它所连接的集线器通过中断传输，将端口的变化发送给主机。主机读取USB设备的配置信息并为其分配唯一地址，按要求初始化后进入就绪状态。

通过特定的USB端点，USB设备与PC主机之间实现通信。当便携式中频电疗仪，即USB设备，插入主机以后，用户通过客户软件下发数据，USB设备解析协议，控制硬件设备经D/A转换输出中频电流，并进行功率放大，经电极片贴在人体肌肤表面。系统框图如图1所示。

图1　系统原理框图

2系统硬件电路设计

为减小系统体积，在电路上进行了优化，直接采用USB接口进行供电，极大地简化了电源设计。系统硬件主要电路可分为USB接口电路、电源转换电路、D/A转换电路、功率放大电路。D/A转换电路采用TLC7528进行双通道转换，电路比较常见，此处不再讨论。

2.1USB接口电路

USB数据传输采用非归零反相编码(NRZI)方式，主要信号线有D+、D-。在PC主机与USB设备连接的瞬间，由于静电放电(electro static discharge,ESD)的原因，可能会产生幅值较高的尖峰电流，损坏PC主机硬件设备或USB接口芯片。因此，在连接微控制器前，需要在这两条信号线之间串联保护芯片USBLC6-2P6，进行ESD保护。这款芯片具有很低的线电容2.5 pF，可保证高速USB信号不失真，能承受接触放电8 kV和空气放电15 kV，最大漏电流仅为1 μA,可有效保护USB设备电路安全[6]。USB接口连接电路如图2所示。

图2　USB接口电路

PA11、PA12接入微处理器STM32F103VCT6，控制USB数据传输，引脚PE3通过电阻R26与三极管Q10连接，可使能或禁止USB功能。图2中，电阻R22、R23为限流电阻。

2.2电源转换电路

电源的正确设计关系到整个电路的稳定性和可靠性，是电路设计的重要组成部分[7]。在便携式设计中，既要保证电源满足系统需求，又要尽可能减小电源部分体积。USB接口所提供电压为5 V，电路中用到的器件所需电压有：微控制器STM32F103VCT6电源为3.3 V，数模转换芯片TLC7528电源为5 V，集成运放LM324电源为12 V。因此，需要把5 V电压进行转换以满足不同的器件需要。为减小电路体积，采用集成芯片设计，电源转换电路如图3所示。

图3　电源转换电路

集成芯片LM2577S-12与电感、电容等分立器件配合，将USB的5 V电压转换为12 V。集成芯片LM7805再将12 V电压转换，获得可供数字器件使用的5 V电压。集成芯片LM1117-3.3将5 V电压转换为3.3 V，供微控制器STM32F103VCT6使用。

2.3功率放大电路

便携式设计要求体积小、质量轻，但不能影响设备的功率输出。因此，在功率输出部分要尽可能地提高功率输出效率，同时在一定范围内控制设备质量。为此，采用甲乙类互补对称功率放大电路，电路原理如图4所示。

D/A转换器的输出先经过集成运算放大器，既对输入信号进行放大,又提高了电路的稳定性，减小交越失真[8]。改变电阻R13、R16的比值，可改变放大系数。功率放大电路的输出信号再作为反馈信号接入D/A转换器。当处于信号的正半周期时，三极管Q6、Q7导通，电流从变压器经Q7流向12 V_GND；当处于信号的负半周期时，三极管Q5、Q4导通，电流从VCC12 V经Q4流向变压器，以此完成整个信号周期的功率放大。为了进一步提高电效率，变压器采用的是环形磁心变压器。

图4　功率放大电路

环形磁心变压器的铁心材质比较特殊，采用优质冷轧硅钢片，再经无缝卷制而成，使得其铁心性能优于普通的叠片式铁心。线圈均匀绕在铁心上，其产生的磁力线方向与铁心磁路几乎重合，激磁能量及铁心损耗较叠片式将减少25%，电效率可提高到95%以上，且减小了磁干扰和振动噪声。环形磁心变压器的另一显著优点是外形尺寸小、质量轻，较叠片式质量减小一半，非常适合在便携式设计中应用。

3系统软件设计

患者在治疗过程中，处方中固定的波形、调制频率及载波频率易被肌体适应，在一定程度上降低了治疗效果。为了改善这种情况，提出了处方升级的方法。医生可根据患者的治疗信息反馈，编写适合患者的最优处方，并下载至硬件中，对患者进行治疗，也可将最新的专家处方添加至硬件中，实现处方的实时更新。处方的升级会带来大批量的数据传输，要求在短时间内可传输大量的数据，这也是选择USB接口的另一个主要原因。

系统软件设计中应包括上述方法的具体实现，主要由3部分组成：USB外设端固件程序、USB系统主机驱动程序及客户端应用程序。

3.1USB外设端固件程序设计

USB外设端固件程序是固化在微处理器中的程序，对硬件USB寄存器设置或读取，是USB2.0协议的具体实现。ST公司提供了用于开发USB的针对STM32F10×××系列微处理器的固件库，使用该固件库，可以省去底层接口函数的设计，大大提高了开发效率[9]。USB固件库在层次上可分为3层：USB应用层、USB应用接口层、USB库内核层。各层所用到的文件如表1所示。USB在响应主机时，采用的是中断机制。中断事件主要包括USB复位、中断溢出、挂起、唤醒、按主机要求传输数据。在判断中断类型时，调用USB应用接口层的USB_Istr()函数。

表1　USB固件库文件分层

针对不同的数据传输要求，USB规范制定了4种不同的数据传输方式：控制传输、中断传输、块传输和同步传输[10]。设计中，主机PC机对便携式中频电疗仪的指令下发采用中断传输方式，保证指令能被正确执行。处方升级时采用块传输方式，保证大批量数据的正确传输。所有数据的传输都是通过端点进行的。端点0是所有USB设备都必须支持控制传输的端点，用于实现USB设备上电之后的枚举过程；端点1作为数据传输IN端点，用于传递中频治疗仪治疗时的实时数据；端点2作为数据传输OUT端点，实现PC机发送指令和更新处方。利用ST公司提供的USB固件开发包及相关例程，修改相应的描述符(端点描述符、设备描述符、接口描述符、配置描述符等)，添加用户自定义端点传输中断服务函数，即可方便有效地实现USB固件程序开发。

3.2USB系统主机驱动程序设计

USB系统主机驱动程序基于Windows操作系统，当USB设备接入主机时，自动启动该程序，实现对USB设备的识别，作为中间桥梁收发数据。USB驱动程序属于windows驱动程序模型(windows driver model,WDM)型驱动程序，支持即插即用(plug and play,PnP)、电源管理和Windows管理规范(windows management intrumentation,WMI)。

在WDM驱动程序模型中，每个硬件设备至少包含两种驱动程序：一是功能驱动程序，主要完成初始化I/O操作，负责处理I/O操作结束时所产生的中断事件，并提供适当的设备控制方式；二是总线驱动程序，完成硬件与计算机的连接[11-12]。在操作系统中，是由PnP管理器发现设备并加载驱动程序，并由I/O管理器发送请求。

USB驱动程序基于WDM模型，同样分为USB总线驱动程序和USB功能驱动程序。USB总线驱动程序由操作系统提供，实现烦琐的底层通信。USB功能驱动程序是由设备开发者编写，向USB总线驱动程序发送包含有URB的IRP请求包，实现发送或接收USB设备信息。USB设备驱动程序分层结构如图5所示。

图5　USB设备驱动程序分层结构图

3.3客户端应用程序设计

客户端应用程序面向用户，可视化界面供用户在使用便携式中频电疗仪时选择处方，调节幅值并升级处方等。在W32子系统中，所有的设备都被抽象为文件，应用程序只需通过简单的文件操作API函数，就可方便地与驱动程序中的某个设备通信。

中频治疗波形主要参数有调制波形、调制频率、载波频率和治疗时间等。这些参数分别有着不同的生理意义，参数选择不同治疗效果也会不同。在应用程序中，这些参数已被编入软件，用户可根据处方升级向导，选择参数并下载最新处方至硬件中。

4结束语

基于USB接口的便携式中频电疗仪，电源部分采用USB接口供电，利用集成芯片将USB电源转换成不同的电压值，有效地减小了电源部分的体积；功率输出部分采用甲乙类互补对称功率放大电路，并结合环形磁心变压器，在进一步提高电效率的同时减轻了装置的质量，实现了便携式中频电疗仪的设计。软件部分开发了USB外设端固件程序，USB系统主机驱动程序及客户端应用程序，在实现基本功能的基础上，提出了采用处方升级方式克服肌体适应性的方法。USB接口的设计，一方面实现了中频电疗仪的即插即用，操作简单；另一方面利用了PC机在当今时代较为普及的优势，使其具有更为广阔的市场前景。

参考文献

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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

中图分类号：TH7;TP271+.5

文献标志码：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201605025

国家自然科学基金资助项目(编号：81171410)。

修改稿收到日期：2015-09-11。

第一作者李瑞莲(1990-)，女，现为郑州大学物理电子学专业在读硕士研究生；主要从事硬件设计、嵌入式技术方向的研究。