基于PWM的新型理疗仪设计

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摘 要 利用STM32作为主控芯片，设计1种新型中频电脉冲理疗仪，通过微秒级定时器设置实现高精度脉宽调制（PWM）功能，经过信号调理、功率放大以及输出控制得到所需要的治疗波形。实验结果表明，理疗仪工作稳定可靠， 理疗强度可调幅度大，输出波形光滑、无毛刺、病人使用过程中无明显刺痛感。

关键词 嵌入式 中频 理疗仪 PWM

1 引 言

近年国内医疗领域推出多种理疗仪器[1～3]。但价格偏高、治疗效果不明显，以及患者舒适感差等原因影响阻碍理疗仪器的推广。上述因素中患者舒适度差，难于耐受多由于治疗波形控制精度较低、毛刺较多导致。因此控制成本的同时，提高治疗波形精度成为理疗仪的设计难点。应采用合理的硬件设计，本文选用性价比较高的ARM7作为主控芯片， 通过微秒级定时器设置实现高精度脉宽调制（PWM）功能，设计一款新型中频理疗仪。该理疗仪质量稳定、可靠，硬件成本低，患者接受度高，治疗效果明显。

2 硬件设计

2.1 主控制器电路

为实现理疗仪可靠稳定工作，给波形输出提供高精度的定时器，本系统采用ST公司推出的STM32F103处理器作为控制器，该处理器是基于Cortex-M3内核的首款ARMv7-M体系结构的32位标准RISC（精简指令集）处理器，提供很高的代码效率，在通常8位和16位系统的存储空间上发挥ARM内核的高性能。[4～6]该系列微处理器工作频率为72MHz，内置高达128K字节的Flash存储器和20K字节的SRAM，具有丰富的通用I/O 端口和联接到两条APB总线的外设。STM32系列提供全新的32位产品选项，结合高性能、实时、低功耗、低电压等特性， 同时保持了高集成度和易于开发的优势，很大程度上提高32位MCU的性能和功效。

2.2 系统硬件电路

系统硬件电路以STM32F103R6芯片为中心，通过2个串口分别与液晶显示和IC卡读写器相连；通过IO口控制语音和波形输出。结构框图如图1：

作为系统核心治疗波形产生电路如图2所示。系统通过STM32主控产生的pwm由PD7输出，为治疗波形提供最小控制单元，经放大滤波后为变压器提供变化的输入电压；PWMS和PWMX分别为治疗波形Y上半轴和下半轴的控制端口，输入值为零则该半轴没有波形输出，PWMS与PWMX相等时治疗波形对称。T1为脉冲变压器，P3口为刺激电流输出。

3 软件流程与PWM实现

理疗仪程序设计使用C作为开发语言，代码在Keil环境下编辑编译，利用JTAG进行仿真与调试。

在程序结构方面，通过分析理疗仪的各个业务功能，把软件分成各个不同的功能模块，对各软件模块进行抽象和封装，使得各软件模块的运转并不依赖具体的参数模块，使软件易于维护[7，8]。

逻辑方面，主程序根据需要调用不同层次的子模块，如LCD显示模块、波形控制模块、语音模块；同时程序运行过程中将由定时中断和外部中断事件执行相应的处理操作。主程序逻辑如图3所示：

PWM实现与硬件处理器紧密联系。本系统核心处理器STM32为72M，通过9分频处理，定时器2提供8M的定时中断供PWM计数。定时器溢出值为250，则PWM每输出一次时间为1*250/（8*1000000）=30微秒。程序运行过程中，通过改变PWM占空比，实现治疗波形强度的改变。

部分程序如下：

4 结果与分析

本设计与同类产品[9，10]的波形精度等参数比较结果如表1所示：

由以上表格可见，通过高精度定时以及占空比设置实现高精度PWM控制，使治疗波形精度高且毛刺少。治疗波形在示波器每格2毫秒（ms），5伏特（V）时波形如下图4所示。由图可见治疗波形变化均匀、光滑，无毛刺，经临床检验，病人无明显刺痛感，治疗效果好。

5 小结

本文以STM32F103R6单片机系统为设计核心，通过模块化的软硬件设计，实现人机交互、IC卡管理、语音提醒以及理疗功能。通过定时器配置PWM输出，通过更改PWM输出占空比，实时更改治疗波形强度。该理疗仪不仅硬件成本低、工作稳定可靠，而且微秒级的PWM控制，使得治疗波形光滑，舒适感强，治疗效果好。

参考文献

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