基于频率自动跟踪的便携式超声理疗仪研制

王志成 庞宇 蒋伟 张博臻 赵鸿毅

（重庆邮电大学光电信息感测与传输技术重庆市重点实验室 重庆市 400065）

医学研究表明，超声波对治疗慢性软组织损伤具有显著作用[1]。传统的医用超声理疗仪具有体积大，操作复制，不方便携带等缺点[1]。而家用超声理疗仪频率跟踪响应能力弱，输出功率不稳定，精度低，并且不能实现的超声波强度的动态可调。由于外界环境的不确定性，当超声理疗仪频率跟踪响应能力弱时，换能器的谐振频率非常容易发生漂移[4]。当超声理疗仪工作在非谐振点时，不但电-声转化效率会大大降低，还会损害超声理疗仪本身。

为了实现超声理疗仪的智能化，理疗仪不仅需要方便携带，还需输出功率稳定，声强动态可调，电-声转化效率高的高精度超声波。

1 硬件系统设计

图1 为超声理疗仪系统框架图，主要采用STM32 平台搭建动态匹配网络，利用微控制器结合信号发生模块产生超声激励信号，通过功率放大模块调节后,连接阻抗匹配模块进行动态阻抗匹配，驱动凹型超声陶瓷片产生频率为1 MHz，四种不同强度的超声波，同时采用频率跟踪模块进行反馈调节。

1.1 电源模块

电源模块使用三个电压系统：功率放大模块（12V）、信号发生模块（5V）、微控制器和人机交互模块（3.3V）。如图2 所示，为防止压降过大，利用稳压芯片LM7805 把12V 电压转化为5V 为信号发生模块供电。如图3 所示采用低功耗稳压器TLV70033DCK将5V 电压转换为3.3v，为微处理器模块供电。在低功耗稳压芯片TLV70033DCK 两端分别连接一个2.2μF 的电容来减少杂波对电路的干扰。为进一步减少理疗仪的体积，采用QI 标准无线充电模块为理疗仪充电，电池采用12.6V 1800mAh 的可充电聚合锂电池组，聚合锂电池组体积仅为45 立方厘米。

1.2 信号发生模块

信号发生模块采用低功耗STM32L151 微控制器结合模糊控制器自适应调节直接数字合成器（DDS）产生超声激励信号，通过整形滤波器电路和占空比调整电路可实现四种不用强度的超声波输出。为提高频率转化速度，DDS 电路采用AD9833 芯片，如图4 所示。AD9833 信号产生芯片通过串行总线连接微控制器，时钟源采用16MHz 有源晶振。超声波频率转化速度快，精度高，输出超声波信号频率的精度可以达到0.06hz。

图1：理疗仪系统框架图

图2：12V 转化为5V 电路

表1：各级超声波对于的电压值

图4：AD9833 芯片连接图

1.3 功率放大模块

功率放大模块如图5 所示，DDS 产生的信号输入逻辑芯片74HC74D 进行滤波处理，然后送入栅极驱动芯片UCC27525 进行放大。通过功率放大模块调节后, 采用新型T 型匹配网络进行动态阻抗匹配，驱动凹型超声陶瓷片产生频率为1 MHz，四种不同强度的超声波。

1.4 阻抗匹配模块

利用机电等效模型分析换能器，换能器的阻抗特性总体上是电容性[7-8]。在理疗仪工作的过程中，由于容性特性的存在，超声电源的无功功率会增加，声-电转化效率会变低。为了解决这个痛点，采用新型T 型匹配方式来消除等效电路中的容抗成分，使得电路整体呈纯阻态。如图6 所示，单独看虚线框内，电容Cn，电阻Rn，电感Ln构成串联电路，匹配网络整体等效为一个静态电容C0和串联电路相并联的电路网络[6]。当理疗仪输入频率和输出频率相同时，理疗仪阻抗值

其中，ωs为谐振点。通过串联电感

通过公式可得，新型T 型匹配只需要改变C1的大小，就可以改变理疗仪的整体阻抗，解决了普通串联电感匹配网络谐调和变阻不明显的痛点，计算简单，调节方便。

1.5 过流过温保护模块

如图7 所示，为了进一步减小理疗仪的大小，采用灵敏度高，体积小的LM358 电压比较器进行过流保护，通过LM358 电压比较器结合微控制器，判断电压值是否超过安全阈值电压0.36V。过热保护电路采用常温25℃是电阻是10kΩ 的NTC 热敏电阻，利用热敏电阻实时采集超声换能器的温度，通过LM358 电压比较器结合微控制器，时刻监测换能器两端的温度，确保使用者的安全。

2 反馈调节系统

2.1 自动频率跟踪模块

采用基于锁相环模块的闭环反馈跟踪系统进行反馈调节。如图8 所示锁相环模块主要有三部分组成：PD、LF 和VCO。

理疗仪通过电压电流采样电路实时采集超声换能器两端的信号，将采集到的信号送人信号放大滤波电路调节后送入鉴相器（PD），得到相位差信号后送入LF 进行整形，同时结合VCO 进行频率的调节。再经过低通滤波器输出驱动信号送入微控制器和模糊控制器进行调节，最后重新作用信号发生模块和阻抗匹配网络，使得信号输出频率与输入频率逐渐保持一致，实现反馈调节。

图5：功率放大模块

图6：新型T 型阻抗匹配网络

图7：过流过温保护模块

图8：闭环反馈跟踪系统

图9：鉴相器

图10：软件流程图

图11：超声理疗仪

图12：波器测试的PWM 波

图13：示波器测试的超声波形

如图9 所示，采集的电流电压分别输入抗干扰能力强的LF353运算放大器，结合过零比较器LM339 转换为3.3v 方波信号。 转化后的信号通过74HC74 芯片来鉴定电压和电流相位关系，当电压相位在电流之前时，74HC74 芯片输出逻辑信号“1”。反之，当电流相位在电压之前时，74HC74 芯片输出逻辑信号“0”。同时将两路信号通入异或门74LS86,得到输入信号的异或值out。最后74HC74芯片的输出信号flag 和74LS86 异或门的输出信号out 送入微控制器和模糊控制器进行调节。

2.2 控制系统软件设计

如图10 所示，理疗仪上电后，首先进入系统自检程序，检测各个模块是否可以正常运行。当出现故障时，用两个LED 灯交替闪烁来提醒用户，当系统自检无误时，进行各个子模块的初始化。然后进入频率扫描子程序判断相位差是否一致，当不一致时，利用基于锁相环模块的闭环反馈跟踪系统进行反馈调节，循环往复，直到相位差为零。

3 测试结果与分析

换能器驱动凹型超声陶瓷片产生频率为1MHz，四种不同强度的超声波。硬件实物如图11 所示。理疗仪通过改变PWM 波的占空比，实现超声波四种不同强度的输出。四个等级平稳的PWM 波如图12 所示。

利用示波器测试四个级位超声强度对应的超声波如图13所示，基于频率自动跟踪的便携式超声理疗仪产生频率为1MHz，四种不同强度的超声波，超声波精度高，无畸变。四个级位的超声波对应的电压值如表1 所示。

4 结语

基于频率自动跟踪的便携式超声理疗仪采用STM32 结合DDS技术产生超声激励信号。DDS 产生的信号通过逻辑芯片74HC74D进行滤波处理，然后送入栅极驱动芯片UCC27525 进行放大。后端采用新型T 型匹配网络进行动态阻抗匹配，驱动凹型超声陶瓷片产生频率为1 MHz，四种不同强度的超声波。用基于锁相环模块的闭环反馈跟踪系统进行反馈调节。实验结果证明，该理疗仪具有输出功率稳定，输出声强动态可调，精度高，方便携带等优点。