基于STM32的新型低频脉冲治疗仪的设计与实现

季盛浩

（天津市九米九视光技术有限公司，天津，300384）

0 引言

随着科技在不断进步，人们对疼痛的机理也掌握的越来越多，低频电疗法可以促进血液循环，治疗各种疼痛，在临床上表现良好。由于低频脉冲符合人体生理对刺激的要求，各主要输出参数能根据需要调节现已经被广泛使用，其具有多种功能，能产生多种脉冲波形，疗效明显，体积小，操作简便安全，省电等优点。本系统就是基于低频、高压、脉冲等特性设计一种新型治疗仪，新型治疗仪采用STM32单片机程序控制，经过升压斩波放大，产生变化有序的多种治疗脉冲波形模拟、针灸等方法，增加局部血液循环，减轻疼痛。

1 治疗仪的基本原理

低频脉冲治疗仪以中医经络理论为基础与现代电子技术相结合，利用脉冲波形来刺激人体穴位调节人体免疫力、内分泌、神经系统疏通经络，改善微循环，以达到治疗，保健的目的。它将物理因子作用在人体各部位的经络和穴位进行物理治疗，从而提高临床效果。它具有自动变频的脉冲电压，能够穿透组织深处进行浅部和深部病灶的治疗。可以调节神经的兴奋性和抑制性，激活病灶周围组织的细胞活性，增强局部血液循环和新陈代谢能力，提高免疫力，调节内分泌；对病灶周围组织有修复和治疗的作用。

本文设计的低频脉冲治疗仪，利用延时程序，把其调制成低频电脉冲。强度可调，且有多种模式可供选择。其基本波形特性如下：

(1)密波（DF）：频率为100Hz，周期10ms，幅度恒定，有针刺感，细振动，止痛，可促进局部血液循环。

(2)疏波（MF）：频率为50Hz，间歇10ms，有强的震颤感、紧压感，量大可使肌腱收缩、止痛。

(3)疏密波（CP）：疏波和密波交替出现，各持续1s，可促进渗出物吸收。

(4)间升波（LP）：又称快慢交替疏密波、其中的疏波持续4s，密波持续8s，且密波中的一组电压保持稳定，另一组电压缓慢起伏，有渐升和渐降的蚁爬感，可止痛。

(5)断续波（RS）：疏波断续出现，通电断电时间各为1s，有断续震颤感，量大可使腱肌收缩，肌肉节律性收缩。

(6)起伏波（MM）：疏度断续出现，通、断电时间各为4s，且疏波的出现和消失是缓慢的。

2 硬件设计

根据上述原理，设计出一种智能型多功能治疗仪，治疗仪整机硬件电路可分为电源电路、MCU电路、充电电路、放电电路及人体检测电路部分。治疗仪的硬件系统框图，如图1所示。

图1 治疗仪的硬件系统框图

■ 2.1 电源部分

电源电路分为两部分：VDD和VCC。VDD分别提供给MCU、晶振电路复位电路和充电电路等。VCC时由芯片控制产生的。开机后，MCU输出一个电平信号打开控制三极管，它的集电极端即为VCC，它只是在开机状态下存在，关机后关闭三极管，VCC=0V。

■ 2.2 MCU控制部分

本系统采用MCU采用STM32F401芯片，该芯片属于STM32 Dyna MIC Eきciency器件范围。

性能：在84MHz频率下，从Flash存储器执行时，STM32F401能够提供105DMIPS/285 CoreMark性能，并且利用意法半导体的ART加速器实现了FLASH零等待状态执行。DSP指令和浮点运算单元扩大了产品的应用范围。高性能、低成本、低功耗。本设计选择这款的原因是看重其性价比：STM32F401是意法半导体基于ARM Cortex-M4 32位/DSP内核的STM32F4系列高性能微控制器的入门级产品。低功耗，3x3mm微型封装，105°C环境温度，STM32F401适用于管理医疗和移动应用或现场总线驱动的工业传感器模块。

集成度：STM32F401产品组合具有128至512KB的Flash存储器和96KB的SRAM。3路USART，速度高达10.5 Mbit/s，4路SPI，速度高达42 Mbit/s，3路I2C，1路SDIO，1个全速USB 2.0 OTG，2个全双工IS，最高32-bit/192KHz，速度高达2.4 MSPS的12位ADC，10个定时器，频率高达84 MHz的16和32位定时器等一系列性能特征，能完全满足本系统性能要求。该部分主要完成以下任务:（1）系统各种定时，如波形的脉宽、频率、交替计时、波形自动切换计时，显示等；（2）随强度按键输入键值的变化输出相应频率信号去控制升压电路产生相应电压；（3）按键扫描和参数调节，显示刷新。

■ 2.3 脉冲波形电路

单片机输出引脚产生的不同脉宽的方波，经放大整形后就形成了治疗仪的输出波形。系统波形的变化和驱动是通过多级三极管合作完成。

充电电路由充电电感L1、高压电容CB1、二极管D1、D2、三极管Q1、电容C1及充电电阻R1组成，通过MCU控制端口输出脉冲控制Q1周期通断对电容进行间歇充电。

放电电路由正负脉冲端口分别控制Q4和Q5、Q6和Q7通断实现负载输出正向脉冲和负向脉冲，在负载端合成输出双向脉冲，负载端通过电极导线和电极片连到人体进行脉冲刺激。

人体检测电路由R12、R13、D3、Q9构成。放电时如果有负载，D3导通，其压降将Q9基极电位抬高，三极管导通，集电极拉低；没有负载时，Q9截止，集电极为高电位，由MCU检测集电极的电位，并做出相应判断：输出状态5s检测不到人体后将停止输出，返回待机状态；待机状态20s检测不到人体后将执行关机。脉冲波形电路，如图2所示。

图2 脉冲波形电路

通过以上控制电路的脉冲信号加在人体负载上，对人体进行脉冲刺激。

■ 2.4 时钟电路

本设计中时钟电路图如图3所示，本设计中选用了8MHz晶振分别接引脚OSC1和OSC2，电容C12，C13均选择为12pF，对振荡器的频率有稳定作用。

图3 时钟电路

图5 按键电路

■ 2.5 复位电路

本设计选择了RC复位如图4所示，在系统上电运行时，就在RST断出现一段高电平，使电路器件复位。

图4 复位电路

■ 2.6 按键电路

常用的键盘电路一般为矩阵式，但是对于此设计，为了方便程序的简单化，我们采用了一般的键盘接口，键盘输出信号。具体为：P1.0：按摩模式；P1.1：针灸模式；P1.2：刮痧模式；P1.3：拔罐模式； P1.4：混合模式；P1.5强度加控制；P1.6强度减控制；P1.7开关机控制。

图6 显示电路

■ 2.7 显示电路

本设计选用了IS31FL 3731LED驱动器，IS31FL 3731是一款用于144个单 LED 的紧凑型 LED 驱动器。该设备可以通过12C 兼容接口编程。IS31FL3731提供两块每块驱动72个 LED 与1/9周期率。通过使用交叉复用特性优化 PCB 上的空间，驱动所有144个 LED 所需的线路减少到18个。此外，144个 LED 中的每一个都可以单独使用8位调光，允许256个线性调光步骤。为了减少 CPU 的使用，最多可以存储8帧之间的单独时间延迟，自动播放小动画。

3 软件设计

本治疗仪的智能化功能主要体现在能按人的意愿发出特定序列的信号，这些信号参数包括；基波和调制波的波形与频率，直流成分，交流成分，组合方式，作用时间和强度等。主程序软件流程图，如图7所示。

图7 主程序软件流程图

治疗模式是仪器所围绕的核心。在设计本仪器时，编排了一系列的治疗模式；一方面，一种治疗模式可以把各种基本波形编排在一起，可以达到使机体适应这种剌激的目的。另一方面，一种治疗模式的编排还是有一定的规律的，针对不同的病症、不同的部位可以选择不同的治疗模式。其规律性可以通过机体的生理基础和临床治疗来不断改进。以下介绍几种基本治疗模式脉冲波形及说明。

(1)脉冲宽度不变，同一速度脉冲间距不变。（按摩模式）

图8 按摩模式脉冲波形图

表1 波形1速度与脉冲间距对应表

(2)脉冲宽度不变，同一速度脉冲间距不变。（针灸模式）

图9 针灸模式脉冲波形图

表2 波形2速度与脉冲间距对应表

(3)脉冲宽度变化，同一速度脉冲间距不变。（刮痧模式）

图10 刮痧模式脉冲波形图

表3 波形3速度与脉冲间距对应表

(4)脉冲宽度不变，同一速度脉冲间距不变。(拔罐模式)

图11 拔罐模式脉冲波形图

通过控制脉冲电路的通断和升压电路的电压来模拟按摩、针灸、针灸、拔罐等治疗模式，产生理疗学上的密波、疏波、疏密波等波形，能达到最佳的理疗效果。

表4 波形4速度与脉冲间距对应表

4 结束语

本文设计的是一种新型低频脉冲治疗仪。使用者可以根据自身情况选择波形、治疗时间等，从而实现治疗仪各种操作，可靠性强，安全系数高，治疗功能实现了智能化，适用于家庭作为理疗和保健。