基于STM32芯片的混沌波电刺激仪的研究

薛建伟

目前，电刺激仪在临床康复及中医治疗上被广泛应用，而长期使用电刺激仪进行康复治疗的患者，久用后易产生人体对刺激频率的耐受性，即用固定的脉冲频率和序列作较长时间的刺激时，虽然刺激电流强度不变，但针刺效应会减弱，患者主诉针感降低，甚至毫无刺激效果，通常采用不断增加刺激强度的办法解决[1]。为了防止出现耐受性，电针治疗仪的脉冲波型、脉冲幅度、频率和序列组织应该是多变的。此外，对电针仪的脉冲和脉冲波型有较大的可调性，使之能产生多种脉冲波型，以缓解适应现象，增加刺激效果。低频刺激时，短的脉冲上升时间短暂，较不易适应；高频刺激时，可利用频率调制或幅度调制形成间断、疏密、起伏、锯齿等不同波形，以缓解产生适应现象[2]。然而，这些信号源都有一定的同期性，人体对这些有一定周期性的刺激仍会产生适应现象，最终影响治疗效果和治疗周期。

随着电刺激仪的发展，在控制芯片上要求具有高性能、低成本及低功耗的嵌入式芯片。为此，本研究采用基于STM32芯片的混沌波形作为电刺激仪信号源，以有效防止电刺激耐受性的产生。

1 混沌波电刺激仪的硬件设计

嵌入式系统的硬件组成主要包含主控芯片和外围电路，主控芯片STM32的最小系统一般包含供电电源电路、复位电路、晶振时钟电路、接口调试电路等[3]。本研究选用的主控制芯片为STM32 F103RCT6。电刺激仪的硬件设计如图1所示。

图1 电刺激仪硬件设计原理框图

图2 稳压电源芯片供电电路图

1.1 芯片供电电路

STM32 F103RCT6芯片中工作电压装置(voltage device，VDD)是数字电源正级，公共接地端电压系列(voltage series，VSS)是数字电源负极，共有五组VDD和VSS引脚。另该芯片还有一组模拟工作电压(voltage device analog，VDDA)模拟电源正极和模拟接地端电压(voltage series analog，VSSA)是模拟电源负极，负责给内部的模拟数字转换器(analog-todigital converter，ADC)、数字模拟转换器(digitalto-analog converter，DAC)模块供电，电池电压(battery voltage，VBAT)是电池供电引脚[3]。STM32系统的供电电压为2.0～3.6 V，本研究选用稳压管AMS1117做为3.3 V稳压电路的稳压芯片，稳压电源供电的电路原理如图2所示[4]。

1.2 复位电路

STM32芯片内部有自己的复位电路，但其工作条件是输入电压VDD＜2.0 V时才会产生掉电复位。在实际开发过程中，为了调试方便一般开发时在第7脚复位引脚重置(negative reset，NRST)上连接一个简单的复位电路，在调试过程中方便重启系统。STM32系统中，复位引脚为高电平时正常工作状态；复位引脚为低电平时系统重启，当按下复位开关后，STM32系统自动重启。复位电路如图3所示。

图3 STM32芯片复位电路图

1.3 接口调试电路

本研究采用联合测试工作组(joint test action group，JTAG)调试接口，仅需将对应接口引出即可，器件复位后，这些端口会被置于调试功能，此时可直接调试。虽然这些端口也可用于通用输入和(或)输出(general purpose input output，GPIO)端口，但为调试方便，尽量不用。JTAG接口，在信号线上分别添加10 k的上拉电阻即可，如图4所示。

图4 JTAG接口调试电路图

2 混沌波电刺激仪的外围电路系统

电刺激仪的整个硬件系统外围电路主要包含PWM调制模块、数字信号与模拟信号(digital/analog，D/A)数模转换模块、功率放大电路及反馈电路4个功能模块。

2.1 PWM数模转换模块

采用脉冲宽度调制(pulse width modulation，PWM)来实现D/A数模转换，其具有良好的稳定性，也是最经济的方式。PWM是一个脉冲波形或方波波形，具备一定的周期频率，2个电平输出等特点，如图5所示。

图5 PWM数模转换模块波形图

PWM波形的变化可用数学表达式f(t)计算为公式1：

式中VH表示高电平，VL表示低电平，t为时间，T是STM32系统的基本脉冲周期，N是PWM的一个周期脉冲数量，n是一个周期内高电平脉冲的数量，k是单位时间内谐波的次数。

将公式(1)进行傅里叶级数换算，其计算为公式2：

由公式2显示，f(t)是由直流分量和k(k=1，2，3……)次谐波分量组成，且直流分量与n是线性关系，当n从0逐渐增加到N，直流分量从VH平缓变化到VL，故只需要采用简单二阶的RC低通滤波器过滤掉电路中无用的谐波，最终得到本研究所需要的模拟信号，实现将PWM数字的混沌信号转换成模拟信号的混沌波形，从而完成D/A转换。

二阶的RC低通滤波器电路原理四运算放大芯片LM224，在系统中的主要目的是隔离二阶低通滤波电路和后面的功率放大模块[5]。PWM调制模块在电路中，将数字信号变换为模拟信号，但经变换后的模拟信号的功率较低，故后级电路还需对输出能量进行放大(如图6所示)。

图6 低通滤波器电路原理数模转换电路图

2.2 功率放大电路

功率放大模块是为了让电针治疗仪输出较大的可以刺激人体的能量，其作用是放大经调制解调后的波形，使得电路有足够大的输出功率。通常功率放大电路是由若干个功放元器件组成，本研究采用功率放大芯片为TDA2003，其电路原理图如图7所示[6]。

经PWM调制的电压Vi进入功率放大模块，先经由电阻R18和可调电阻VR1进行分压，可通过调节变位器VR1的大小，来实现无极输出。经分压后的Vi交流部分可以通过电容C13，同时通过并联的大电容C15进行滤波处理后，将混沌信号电压送入TDA2003进行放大处理。功放芯片TDA2003的1脚是原始电压输入口，2脚是负反馈输入口，3脚接地线，4脚是输出端，5脚是+12 V供电[7]。电容C16作用是滤除高频杂波、C18作用是滤除低频杂波，电阻R20为负反馈电阻。功率的放大倍数为R20的电阻值除以R21的电阻值。电阻R23与电容C17构成RC滤波电路，过虑掉运算放大后的电压中的杂波。经TDA2003放大后的电压再由升压电路，最终供给作用于人体上的电刺激波形。采集R21两端的电压值作为反馈电压，经反馈电路，反馈给主控模块STM32。

通过TDA2003功放的放大倍数取5倍，即取R21电阻值为1.4 kΩ，取R20电阻值为680 Ω。人体的二点间的等效电阻约为1 kΩ左右，防止触电电流在1 mA以内，则选取输出到人体的峰值电压为80 V，故设计升压电路T1取值5倍升压[8]。

2.3 反馈电路

在电刺激仪运行过程中，需要对实际输出的信号进行采集，并反馈给主控模块，以便主控系统可以根据实际值对下一周期的波形进行实时调节。反馈电路采用光耦芯片PC841做为反馈电路的隔离转换，其电路原理如图8所示。

3 混沌波电刺激仪的混沌算法设计

3.1 混沌模型的建立

图7 功率放大电路图

图9 Lorenz混沌吸引子仿真图

图8 反馈电路图

为了更好的描述混沌算法，利用数学表达式来反应此种关系，使其改变不同的变量的值或变量之间的关系，来控制混沌的运动状态[9]。混沌算法中，最常见的数学表达式是离散的差分方程，有时为了更好的描述混沌过程，在数学模型中通常还使用了简单的迭代方程及微分方程来描述。常见的数学模型有Logistic混沌模型、Lorenz混沌模型及蔡氏混沌模型[9]。本研究选用Lorenz混沌算法，并对其参数进一步优化，使其能够适用于电刺激仪。建立的Lorenz数学模型计算为公式3：

式中t为时间常数，σ为普兰特尔数，ρ为瑞利数。所有的σ，ρ，β＞0，且通常σ=10，β=8/3，ρ不定。若ρ＜1时，则Lorenz混沌吸引子为原点，无任何其他稳定点。若1≤ρ＜13.927时，则螺线轨迹接近二个点，这二个点的位置的坐标可描述为：当时，系ρ=28统表现出混沌特性。

3.2 混沌算法的模型仿真

利用Matlab系统的数学工具箱中龙格-库塔法来进行微分方程的运算，得出Lorenz混沌算法的数值计算和图形模拟[10]。根据公式(3)，利用龙格-库塔法求解微分方程，可以在Matlab软件内模拟出Lorenz混沌系统，在σ=10，β=8/3，ρ=28的条件下，取系统的初值x(0)=0，y(0)=1，z(0)=1，产生的混沌吸引子如图9所示。

4 结论

基于STM32芯片的混沌波电刺激仪，可以很好地解决人体耐受性。在规则的脉冲信号上叠加混沌信号，使其输出信号的幅度和频率都呈现出有规则中的无规则变化，人体对电针产生耐受性的时间会极大延长，电针的刺激效果也会得到保持。

本研究采用Simulink工具进行混沌信号的仿真，在电脑上实现混沌信号的优化，并通过ARM公司的STM32芯片组成的开发系统输出混沌信号，在电脑上可以轻松地更改混沌算法的参数，以便后续进行动物实验时，方便灵活地调整测试机的混沌信号的变化量。