基于STM32芯片的混沌波電刺激儀的研究

薛建偉

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

隨著電刺激儀的發展，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源，以有效防止電刺激耐受性的產生。

1 混沌波電刺激儀的硬件設計

嵌入式系統的硬件組成主要包含主控芯片和外圍電路，主控芯片STM32的最小系統一般包含供電電源電路、復位電路、晶振時鐘電路、接口調試電路等[3]。本研究選用的主控制芯片為STM32 F103RCT6。電刺激儀的硬件設計如圖1所示。

圖1 電刺激儀硬件設計原理框圖

圖2 穩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)是數字電源正級，公共接地端電壓系列(voltage series，VSS)是數字電源負極，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)是模擬電源負極，負責給內部的模擬數字轉換器(analog-todigital converter，ADC)、數字模擬轉換器(digitalto-analog converter，DAC)模塊供電，電池電壓(battery voltage，VBAT)是電池供電引腳[3]。STM32系統的供電電壓為2.0～3.6 V，本研究選用穩壓管AMS1117做為3.3 V穩壓電路的穩壓芯片，穩壓電源供電的電路原理如圖2所示[4]。

1.2 復位電路

STM32芯片內部有自己的復位電路，但其工作條件是輸入電壓VDD＜2.0 V時才會產生掉電復位。在實際開發過程中，為了調試方便一般開發時在第7腳復位引腳重置(negative reset，NRST)上連接一個簡單的復位電路，在調試過程中方便重啟系統。STM32系統中，復位引腳為高電平時正常工作狀態；復位引腳為低電平時系統重啟，當按下復位開關后，STM32系統自動重啟。復位電路如圖3所示。

圖3 STM32芯片復位電路圖

1.3 接口調試電路

本研究采用聯合測試工作組(joint test action group，JTAG)調試接口，僅需將對應接口引出即可，器件復位后，這些端口會被置于調試功能，此時可直接調試。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，但為調試方便，盡量不用。JTAG接口，在信號線上分別添加10 k的上拉電阻即可，如圖4所示。

圖4 JTAG接口調試電路圖

2 混沌波電刺激儀的外圍電路系統

電刺激儀的整個硬件系統外圍電路主要包含PWM調制模塊、數字信號與模擬信號(digital/analog，D/A)數模轉換模塊、功率放大電路及反饋電路4個功能模塊。

2.1 PWM數模轉換模塊

采用脈沖寬度調制(pulse width modulation，PWM)來實現D/A數模轉換，其具有良好的穩定性，也是最經濟的方式。PWM是一個脈沖波形或方波波形，具備一定的周期頻率，2個電平輸出等特點，如圖5所示。

圖5 PWM數模轉換模塊波形圖

PWM波形的變化可用數學表達式f(t)計算為公式1：

式中VH表示高電平，VL表示低電平，t為時間，T是STM32系統的基本脈沖周期，N是PWM的一個周期脈沖數量，n是一個周期內高電平脈沖的數量，k是單位時間內諧波的次數。

將公式(1)進行傅里葉級數換算，其計算為公式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是線性關系，當n從0逐漸增加到N，直流分量從VH平緩變化到VL，故只需要采用簡單二階的RC低通濾波器過濾掉電路中無用的諧波，最終得到本研究所需要的模擬信號，實現將PWM數字的混沌信號轉換成模擬信號的混沌波形，從而完成D/A轉換。

二階的RC低通濾波器電路原理四運算放大芯片LM224，在系統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調制模塊在電路中，將數字信號變換為模擬信號，但經變換后的模擬信號的功率較低，故后級電路還需對輸出能量進行放大(如圖6所示)。

圖6 低通濾波器電路原理數模轉換電路圖

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，其作用是放大經調制解調后的波形，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PWM調制的電壓Vi進入功率放大模塊，先經由電阻R18和可調電阻VR1進行分壓，可通過調節變位器VR1的大小，來實現無極輸出。經分壓后的Vi交流部分可以通過電容C13，同時通過并聯的大電容C15進行濾波處理后，將混沌信號電壓送入TDA2003進行放大處理。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為負反饋電阻。功率的放大倍數為R20的電阻值除以R21的電阻值。電阻R23與電容C17構成RC濾波電路，過慮掉運算放大后的電壓中的雜波。經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，經反饋電路，反饋給主控模塊STM32。

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

2.3 反饋電路

在電刺激儀運行過程中，需要對實際輸出的信號進行采集，并反饋給主控模塊，以便主控系統可以根據實際值對下一周期的波形進行實時調節。反饋電路采用光耦芯片PC841做為反饋電路的隔離轉換，其電路原理如圖8所示。

3 混沌波電刺激儀的混沌算法設計

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，利用數學表達式來反應此種關系，使其改變不同的變量的值或變量之間的關系，來控制混沌的運動狀態[9]?；煦缢惴ㄖ校畛Ｒ姷臄祵W表達式是離散的差分方程，有時為了更好的描述混沌過程，在數學模型中通常還使用了簡單的迭代方程及微分方程來描述。常見的數學模型有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，并對其參數進一步優化，使其能夠適用于電刺激儀。建立的Lorenz數學模型計算為公式3：

式中t為時間常數，σ為普蘭特爾數，ρ為瑞利數。所有的σ，ρ，β＞0，且通常σ=10，β=8/3，ρ不定。若ρ＜1時，則Lorenz混沌吸引子為原點，無任何其他穩定點。若1≤ρ＜13.927時，則螺線軌跡接近二個點，這二個點的位置的坐標可描述為：當時，系ρ=28統表現出混沌特性。

3.2 混沌算法的模型仿真

利用Matlab系統的數學工具箱中龍格-庫塔法來進行微分方程的運算，得出Lorenz混沌算法的數值計算和圖形模擬[10]。根據公式(3)，利用龍格-庫塔法求解微分方程，可以在Matlab軟件內模擬出Lorenz混沌系統，在σ=10，β=8/3，ρ=28的條件下，取系統的初值x(0)=0，y(0)=1，z(0)=1，產生的混沌吸引子如圖9所示。

4 結論

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。在規則的脈沖信號上疊加混沌信號，使其輸出信號的幅度和頻率都呈現出有規則中的無規則變化，人體對電針產生耐受性的時間會極大延長，電針的刺激效果也會得到保持。

本研究采用Simulink工具進行混沌信號的仿真，在電腦上實現混沌信號的優化，并通過ARM公司的STM32芯片組成的開發系統輸出混沌信號，在電腦上可以輕松地更改混沌算法的參數，以便后續進行動物實驗時，方便靈活地調整測試機的混沌信號的變化量。