劉佐濂，甘華國，許森炫，杜永亮

(廣州大學物理與電子工程學院，廣東 廣州 510006)

0 引言

痛經是絕大多數女性都會有的婦科病，多發(fā)生在青春期。發(fā)病時期經常伴有疼痛，輕微的癥狀對人不會有太大影響，但嚴重時會對生活帶來不便，劇烈的疼痛感不但使人心情不好，還很難專心工作和學習。所以能快速并有效治療痛經是很有必要的?，F(xiàn)有的治療手段一般是藥物治療，藥物的種類很多，有預防的，也有發(fā)病時服用治療的[1,2]，但服用藥物會有副作用，用多了會對身體產生不良影響。Tens電刺激原理是通過電子產品產生電流刺激敏感神經，抑制疼痛感，減輕痛經帶來的疼痛感[3-5]。此方法能在發(fā)病時快速有效的治療，并無副作用。本產品就是基于電刺激原理來進行開發(fā)。

1 治療儀結構和原理

治療儀的組成主要包括STM32系列單片機最小系統(tǒng)，升壓電路，雙極性轉化電路，CC2541藍牙電路等。其結構框圖如圖1。

手機藍牙與主控板藍牙模塊對接，手機APP上輸入的治療參數：治療時間、輸出電流、調制波形通過手機藍牙發(fā)送到主控板上的藍牙模塊，藍牙模塊把接收到的數據轉發(fā)給主控芯片，主控芯片收到信息后通過藍牙反饋信息給手機APP確認收到信息，從而達到控制MCU內部配置好的治療波形的目的，使治療達到理想效果。

開始工作時，MCU先控制Boost升壓電路將輸出電壓提升到70 V左右，然后MCU通過DAC(數模轉換)引腳輸出對應波形(正弦波、方波、三角波)，波形通過電壓跟隨器(電壓跟隨器功能是為了提高負載能力)輸出到雙極型變換電路，控制對應三極管的工作狀態(tài)，輸出電壓幅值為正負70 V左右的正弦波、方波、三角波等波形。再通過電極片連接到人體對應穴位上進行治療。輸出治療波形為低頻連續(xù)波，波形頻率范圍在1～100 Hz，波形主要有正弦波、方波、三角波等，通過不同先后順序組合達到不同舒緩痛楚效果[6]。痛經時候連接的穴位為足三里(雙側)，三陰交(雙側)[7]，肚臍旁開約4 cm(雙側)，肚臍與恥骨聯(lián)合中點旁開約4 cm(雙側)使用方法是痛經時將電極片貼到對應穴位，并啟動治療儀器，使其輸出治療波形?？删徑馔唇浲闯?/p>

圖1 治療儀結構框圖

2 電路模塊功能介紹

2.1 基于STM32最小系統(tǒng)電路

STM32F103RCT6內核為cortex-m3，有功耗低、成本低等特點[8]，適用于開發(fā)。芯片為32位機，時鐘頻率為72M，處理速度快，使用產生各種波形。為大容量機，其程序存儲空間為256 kB。芯片擁有64個引腳，通用I/O口就有51個，輸入輸出引腳完全夠用。多達8個16位定時器，2個16位定時器用于驅動12位的DAC。12位的高精度DAC，使輸出波形完整不失真。同時芯片還有12位同步高精度ADC，用于采集電路電壓精確度高。圖2為基于STM32F103RCT6設計的最小系統(tǒng)電路圖。設計電路經過測試，性能安全穩(wěn)定，各部分功能輸出可靠正常，能很好地完成功能需求。

圖2 最小系統(tǒng)電路圖

2.2 升壓電路

升壓電路采用簡單的升壓斬波電路[9]。此電路元件少，元件參數選取簡單，易于實現(xiàn)。具體電路見圖3。

圖3 升壓斬波電路

電路中L101電感量為6.8 uH,C106電容量為30 uF值相對較大，所以電路工作時流過電感L101的電流和電容C106兩端的電壓可以認為是不變的。當三級管Q5基極高電位導通時，三極管集射極可看成完全導通，電源E為5 V、電感、集射極間形成充電回路，電流流過電感形成充電回路，能量儲存在L101中。電流可以看作為一恒定值I。同時電容通過R210對負載放電，電壓可以看作恒定。當三極管關閉時，5 V電源、電感、二極管、電容、地形成回路，電源和電感同時對電容和負載供電。設三極管開通時間為ton，其開通時電感存儲能量為EIton。設關閉時間為toff，電感釋放能量為(U-E)Itoff。當電路穩(wěn)定時，有以下關系：

EIton=(U-E)Itoff.

(1)

化簡上式可得：

(2)

從(2)式可看出，輸出電壓跟輸入電壓和三極管控制信號的占空比有關，在輸入電壓不變的情況下，改變控制三極管的信號的占空比可以改變輸出電壓。通過這個原理，我們在單片機程序中改變相應函數入口參數就可以改變輸出電壓幅度，產生不同的治療效果。

2.3 雙極性轉化電路

雙極性電路的主要功能是把正弦波、方波、三角波從單極性變成雙極性，使電極輸出的電流對神經刺激時不會形成刺痛感同時去除表皮電解質形成單極性化。電路圖如圖4。

Q1和Q2管控制信號OUT0和OUT1分別來源于STM32F103RCT6的PA4和PA5I/O腳，信號交替控制兩組三極管的開通和關閉。兩路控制信息號形成互補關系避免Q4、Q1和Q3、Q2同時導通。當Q1、Q3導通，電流流向為i1。同理Q2、Q4同時導通，電流流向為i2。i1電流方向和i2電流方向剛好大小相同方向相反從而形成雙極性信號。

圖4 雙極性轉化電路

2.4 基于CC2541的藍牙模塊電路

CC2451藍牙芯片基于藍牙4.0標準，功能強大，內部集成低功耗增強型8051內核，支持系統(tǒng)編程Flash和8KRAM，具有低功耗，傳輸距離遠等特點。其待機電流僅為1uA，使用紐扣即可待機長達數年，非常適合低功耗電子產品。而且價格低廉，易于控制成本。CC2541需要的外圍元件少，電路簡單，容易設計。電路圖如圖5。

CC2541藍牙芯片通過串口與主控芯片STM32F103RCT6連接，進行數據交流。藍牙芯片的串口發(fā)送和接收引腳分別是P0_4和P0_5引腳，它們分別連接到STM32的串口2引腳PA_3和PA_2。當藍牙收到主控芯片發(fā)送的配對信息時就會處于配對狀態(tài)，等待與手機藍牙的連接。連接上手機后，主控芯片就可以通過串口發(fā)送數據給CC2541，再經過CC2541的發(fā)射電路發(fā)射數據給手機。手機也可以通過CC2541發(fā)送數據給主控芯片，實現(xiàn)數據交互。

圖5 藍牙模塊電路

3 手機APP設計與功能

電療儀通過藍牙連接手機，可以實時記錄用戶數據和健康情況，用戶也可以在手機APP上反映自身的健康情況。通過對收集的用戶數據進行分析，手機可自動推薦合適的治療參數和方法供用戶使用。圖6為手機APP界面。

手機APP分三個界面。第一個界面是功能模式界面，可在這個界面選擇不同的治療模式。第二個界面是設備搜索界面，可顯示藍牙配對情況。第三個界面為用戶數據界面，顯示登錄信息，治療結果等。用戶每次使用治療儀的情況軟件都會自動記錄，并提示是否發(fā)送到網絡上。用戶也可以手動記錄健康數據和問題并上傳。每隔一周手機就會根據用戶的實際情況發(fā)送推送，用戶可以點擊查看并選擇是否使用推送治療方案。

本產品可實現(xiàn)輸出波形、幅值、頻率可調功能，供不同用戶使用?？刂菩盘柨梢愿淖冚敵霾ㄐ?，控制信號是正弦波或三角波時，輸出信號也是正弦波或三角波。控制信號由單片機的DAC引腳輸出。單片機內部集成DAC，將數字信號轉化為模擬信號輸出，12位高精度DAC保證輸出波形不失真。通過程序改變DAC的相應參數值，從而實現(xiàn)信號幅度、頻率可調。通過實驗測試，不同的輸出波形、幅度、頻率刺激人體效果不同，療效也不同。

圖6 手機APP界面

4 結語

儀器系統(tǒng)主要包括升壓電路、雙極性產生電路，CC2541藍牙電路和手機APP。其中升壓電路和雙極性電路結構簡單，成本低廉。經過性能測試系統(tǒng)安全穩(wěn)定。采用低功耗的CC2541藍牙模塊，能有效地提高產品的使用時間。手機APP可方便地通過手機提示操作電療儀。