薛建偉

目前，電刺激儀在臨床康復(fù)及中醫(yī)治療上被廣泛應(yīng)用，而長(zhǎng)期使用電刺激儀進(jìn)行康復(fù)治療的患者，久用后易產(chǎn)生人體對(duì)刺激頻率的耐受性，即用固定的脈沖頻率和序列作較長(zhǎng)時(shí)間的刺激時(shí)，雖然刺激電流強(qiáng)度不變，但針刺效應(yīng)會(huì)減弱，患者主訴針感降低，甚至毫無(wú)刺激效果，通常采用不斷增加刺激強(qiáng)度的辦法解決[1]。為了防止出現(xiàn)耐受性，電針治療儀的脈沖波型、脈沖幅度、頻率和序列組織應(yīng)該是多變的。此外，對(duì)電針儀的脈沖和脈沖波型有較大的可調(diào)性，使之能產(chǎn)生多種脈沖波型，以緩解適應(yīng)現(xiàn)象，增加刺激效果。低頻刺激時(shí)，短的脈沖上升時(shí)間短暫，較不易適應(yīng)；高頻刺激時(shí)，可利用頻率調(diào)制或幅度調(diào)制形成間斷、疏密、起伏、鋸齒等不同波形，以緩解產(chǎn)生適應(yīng)現(xiàn)象[2]。然而，這些信號(hào)源都有一定的同期性，人體對(duì)這些有一定周期性的刺激仍會(huì)產(chǎn)生適應(yīng)現(xiàn)象，最終影響治療效果和治療周期。

隨著電刺激儀的發(fā)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。為此，本研究采用基于STM32芯片的混沌波形作為電刺激儀信號(hào)源，以有效防止電刺激耐受性的產(chǎn)生。

1 混沌波電刺激儀的硬件設(shè)計(jì)

嵌入式系統(tǒng)的硬件組成主要包含主控芯片和外圍電路，主控芯片STM32的最小系統(tǒng)一般包含供電電源電路、復(fù)位電路、晶振時(shí)鐘電路、接口調(diào)試電路等[3]。本研究選用的主控制芯片為STM32 F103RCT6。電刺激儀的硬件設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 電刺激儀硬件設(shè)計(jì)原理框圖

圖2 穩(wěn)壓電源芯片供電電路圖

1.1 芯片供電電路

STM32 F103RCT6芯片中工作電壓裝置(voltage device，VDD)是數(shù)字電源正級(jí)，公共接地端電壓系列(voltage series，VSS)是數(shù)字電源負(fù)極，共有五組VDD和VSS引腳。另該芯片還有一組模擬工作電壓(voltage device analog，VDDA)模擬電源正極和模擬接地端電壓(voltage series analog，VSSA)是模擬電源負(fù)極，負(fù)責(zé)給內(nèi)部的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(analog-todigital converter，ADC)、數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器(digitalto-analog converter，DAC)模塊供電，電池電壓(battery voltage，VBAT)是電池供電引腳[3]。STM32系統(tǒng)的供電電壓為2.0～3.6 V，本研究選用穩(wěn)壓管AMS1117做為3.3 V穩(wěn)壓電路的穩(wěn)壓芯片，穩(wěn)壓電源供電的電路原理如圖2所示[4]。

1.2 復(fù)位電路

STM32芯片內(nèi)部有自己的復(fù)位電路，但其工作條件是輸入電壓VDD＜2.0 V時(shí)才會(huì)產(chǎn)生掉電復(fù)位。在實(shí)際開(kāi)發(fā)過(guò)程中，為了調(diào)試方便一般開(kāi)發(fā)時(shí)在第7腳復(fù)位引腳重置(negative reset，NRST)上連接一個(gè)簡(jiǎn)單的復(fù)位電路，在調(diào)試過(guò)程中方便重啟系統(tǒng)。STM32系統(tǒng)中，復(fù)位引腳為高電平時(shí)正常工作狀態(tài)；復(fù)位引腳為低電平時(shí)系統(tǒng)重啟，當(dāng)按下復(fù)位開(kāi)關(guān)后，STM32系統(tǒng)自動(dòng)重啟。復(fù)位電路如圖3所示。

圖3 STM32芯片復(fù)位電路圖

1.3 接口調(diào)試電路

本研究采用聯(lián)合測(cè)試工作組(joint test action group，JTAG)調(diào)試接口，僅需將對(duì)應(yīng)接口引出即可，器件復(fù)位后，這些端口會(huì)被置于調(diào)試功能，此時(shí)可直接調(diào)試。雖然這些端口也可用于通用輸入和(或)輸出(general purpose input output，GPIO)端口，但為調(diào)試方便，盡量不用。JTAG接口，在信號(hào)線上分別添加10 k的上拉電阻即可，如圖4所示。

圖4 JTAG接口調(diào)試電路圖

2 混沌波電刺激儀的外圍電路系統(tǒng)

電刺激儀的整個(gè)硬件系統(tǒng)外圍電路主要包含PWM調(diào)制模塊、數(shù)字信號(hào)與模擬信號(hào)(digital/analog，D/A)數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、功率放大電路及反饋電路4個(gè)功能模塊。

2.1 PWM數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊

采用脈沖寬度調(diào)制(pulse width modulation，PWM)來(lái)實(shí)現(xiàn)D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換，其具有良好的穩(wěn)定性，也是最經(jīng)濟(jì)的方式。PWM是一個(gè)脈沖波形或方波波形，具備一定的周期頻率，2個(gè)電平輸出等特點(diǎn)，如圖5所示。

圖5 PWM數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊波形圖

PWM波形的變化可用數(shù)學(xué)表達(dá)式f(t)計(jì)算為公式1：

式中VH表示高電平，VL表示低電平，t為時(shí)間，T是STM32系統(tǒng)的基本脈沖周期，N是PWM的一個(gè)周期脈沖數(shù)量，n是一個(gè)周期內(nèi)高電平脈沖的數(shù)量，k是單位時(shí)間內(nèi)諧波的次數(shù)。

將公式(1)進(jìn)行傅里葉級(jí)數(shù)換算，其計(jì)算為公式2：

由公式2顯示，f(t)是由直流分量和k(k=1，2，3……)次諧波分量組成，且直流分量與n是線性關(guān)系，當(dāng)n從0逐漸增加到N，直流分量從VH平緩變化到VL，故只需要采用簡(jiǎn)單二階的RC低通濾波器過(guò)濾掉電路中無(wú)用的諧波，最終得到本研究所需要的模擬信號(hào)，實(shí)現(xiàn)將PWM數(shù)字的混沌信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)的混沌波形，從而完成D/A轉(zhuǎn)換。

二階的RC低通濾波器電路原理四運(yùn)算放大芯片LM224，在系統(tǒng)中的主要目的是隔離二階低通濾波電路和后面的功率放大模塊[5]。PWM調(diào)制模塊在電路中，將數(shù)字信號(hào)變換為模擬信號(hào)，但經(jīng)變換后的模擬信號(hào)的功率較低，故后級(jí)電路還需對(duì)輸出能量進(jìn)行放大(如圖6所示)。

圖6 低通濾波器電路原理數(shù)模轉(zhuǎn)換電路圖

2.2 功率放大電路

功率放大模塊是為了讓電針治療儀輸出較大的可以刺激人體的能量，其作用是放大經(jīng)調(diào)制解調(diào)后的波形，使得電路有足夠大的輸出功率。通常功率放大電路是由若干個(gè)功放元器件組成，本研究采用功率放大芯片為TDA2003，其電路原理圖如圖7所示[6]。

經(jīng)PWM調(diào)制的電壓Vi進(jìn)入功率放大模塊，先經(jīng)由電阻R18和可調(diào)電阻VR1進(jìn)行分壓，可通過(guò)調(diào)節(jié)變位器VR1的大小，來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)極輸出。經(jīng)分壓后的Vi交流部分可以通過(guò)電容C13，同時(shí)通過(guò)并聯(lián)的大電容C15進(jìn)行濾波處理后，將混沌信號(hào)電壓送入TDA2003進(jìn)行放大處理。功放芯片TDA2003的1腳是原始電壓輸入口，2腳是負(fù)反饋輸入口，3腳接地線，4腳是輸出端，5腳是+12 V供電[7]。電容C16作用是濾除高頻雜波、C18作用是濾除低頻雜波，電阻R20為負(fù)反饋電阻。功率的放大倍數(shù)為R20的電阻值除以R21的電阻值。電阻R23與電容C17構(gòu)成RC濾波電路，過(guò)慮掉運(yùn)算放大后的電壓中的雜波。經(jīng)TDA2003放大后的電壓再由升壓電路，最終供給作用于人體上的電刺激波形。采集R21兩端的電壓值作為反饋電壓，經(jīng)反饋電路，反饋給主控模塊STM32。

通過(guò)TDA2003功放的放大倍數(shù)取5倍，即取R21電阻值為1.4 kΩ，取R20電阻值為680 Ω。人體的二點(diǎn)間的等效電阻約為1 kΩ左右，防止觸電電流在1 mA以內(nèi)，則選取輸出到人體的峰值電壓為80 V，故設(shè)計(jì)升壓電路T1取值5倍升壓[8]。

2.3 反饋電路

在電刺激儀運(yùn)行過(guò)程中，需要對(duì)實(shí)際輸出的信號(hào)進(jìn)行采集，并反饋給主控模塊，以便主控系統(tǒng)可以根據(jù)實(shí)際值對(duì)下一周期的波形進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。反饋電路采用光耦芯片PC841做為反饋電路的隔離轉(zhuǎn)換，其電路原理如圖8所示。

3 混沌波電刺激儀的混沌算法設(shè)計(jì)

3.1 混沌模型的建立

圖7 功率放大電路圖

圖9 Lorenz混沌吸引子仿真圖

圖8 反饋電路圖

為了更好的描述混沌算法，利用數(shù)學(xué)表達(dá)式來(lái)反應(yīng)此種關(guān)系，使其改變不同的變量的值或變量之間的關(guān)系，來(lái)控制混沌的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)[9]?；煦缢惴ㄖ?，最常見(jiàn)的數(shù)學(xué)表達(dá)式是離散的差分方程，有時(shí)為了更好的描述混沌過(guò)程，在數(shù)學(xué)模型中通常還使用了簡(jiǎn)單的迭代方程及微分方程來(lái)描述。常見(jiàn)的數(shù)學(xué)模型有Logistic混沌模型、Lorenz混沌模型及蔡氏混沌模型[9]。本研究選用Lorenz混沌算法，并對(duì)其參數(shù)進(jìn)一步優(yōu)化，使其能夠適用于電刺激儀。建立的Lorenz數(shù)學(xué)模型計(jì)算為公式3：

式中t為時(shí)間常數(shù)，σ為普蘭特爾數(shù)，ρ為瑞利數(shù)。所有的σ，ρ，β＞0，且通常σ=10，β=8/3，ρ不定。若ρ＜1時(shí)，則Lorenz混沌吸引子為原點(diǎn)，無(wú)任何其他穩(wěn)定點(diǎn)。若1≤ρ＜13.927時(shí)，則螺線軌跡接近二個(gè)點(diǎn)，這二個(gè)點(diǎn)的位置的坐標(biāo)可描述為：當(dāng)時(shí)，系ρ=28統(tǒng)表現(xiàn)出混沌特性。

3.2 混沌算法的模型仿真

利用Matlab系統(tǒng)的數(shù)學(xué)工具箱中龍格-庫(kù)塔法來(lái)進(jìn)行微分方程的運(yùn)算，得出Lorenz混沌算法的數(shù)值計(jì)算和圖形模擬[10]。根據(jù)公式(3)，利用龍格-庫(kù)塔法求解微分方程，可以在Matlab軟件內(nèi)模擬出Lorenz混沌系統(tǒng)，在σ=10，β=8/3，ρ=28的條件下，取系統(tǒng)的初值x(0)=0，y(0)=1，z(0)=1，產(chǎn)生的混沌吸引子如圖9所示。

4 結(jié)論

基于STM32芯片的混沌波電刺激儀，可以很好地解決人體耐受性。在規(guī)則的脈沖信號(hào)上疊加混沌信號(hào)，使其輸出信號(hào)的幅度和頻率都呈現(xiàn)出有規(guī)則中的無(wú)規(guī)則變化，人體對(duì)電針產(chǎn)生耐受性的時(shí)間會(huì)極大延長(zhǎng)，電針的刺激效果也會(huì)得到保持。

本研究采用Simulink工具進(jìn)行混沌信號(hào)的仿真，在電腦上實(shí)現(xiàn)混沌信號(hào)的優(yōu)化，并通過(guò)ARM公司的STM32芯片組成的開(kāi)發(fā)系統(tǒng)輸出混沌信號(hào)，在電腦上可以輕松地更改混沌算法的參數(shù)，以便后續(xù)進(jìn)行動(dòng)物實(shí)驗(yàn)時(shí)，方便靈活地調(diào)整測(cè)試機(jī)的混沌信號(hào)的變化量。