基于直流載波通信的漫游電治療儀主從式控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

趙志科，申思憲，吳坤坤，李躍勇，董俊鵬

1. 河南工業(yè)大學(xué) 電氣工程學(xué)院，河南 鄭州 450001；2. 河南百昌源醫(yī)療科技有限公司，河南 鄭州 450001

引言

電刺激治療技術(shù)是一種利用刺激電流進(jìn)行臨床康復(fù)治療的方法，已被廣泛應(yīng)用于腦性癱瘓[1-3]、吞咽障礙[4]、脊髓神經(jīng)損傷[5-6]、術(shù)后鎮(zhèn)痛[7]等領(lǐng)域。由于不同患者治療部位的差異和臨床應(yīng)用環(huán)境的不同，對電刺激類康復(fù)設(shè)備的臨床使用提出了新的應(yīng)用場景要求[8]。以漫游電治療儀在臨床康復(fù)方面的治療為例，在臨床使用過程中，不僅要求漫游電治療儀滿足臺車移動的需要，還要求其在特殊情況下能夠?qū)⒙坞娭委熤鳈C(jī)從臺車上快速拆卸，實(shí)現(xiàn)便攜式移動。為了滿足康復(fù)治療設(shè)備在多種治療場景下的使用需要，采用臺車與機(jī)頭的分離式設(shè)計(jì)是康復(fù)治療設(shè)備研發(fā)的必然選擇。傳統(tǒng)的漫游電治療儀帶有臺車醫(yī)療設(shè)備，其主機(jī)與臺車之間僅有機(jī)械連接，無電路連接，機(jī)頭具有完整的電路與控制功能，臺車僅起到支撐、方便運(yùn)輸?shù)淖饔谩５菍σ恍┬枰谂_車上附加有額外功能的康復(fù)設(shè)備而言，機(jī)頭與臺車間需要進(jìn)行供電與數(shù)據(jù)通信。雖然采用分離式設(shè)計(jì)理念提高了康復(fù)治療設(shè)備的便攜性，但也帶來了機(jī)頭與臺車間供電和通信方面的新問題。

為了滿足機(jī)頭對臺車控制單元的檢測與控制功能，機(jī)頭與臺車之間除了設(shè)置電源線接口外，還需要專門設(shè)置用于通信的接口。根據(jù)醫(yī)療器械標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于電氣接口的要求，醫(yī)療設(shè)備在對外部數(shù)據(jù)進(jìn)行通信時(shí)，所有的外部通信接口都要進(jìn)行電氣隔離[9]。因此，機(jī)頭接口、臺車接口都要進(jìn)行電氣隔離才能滿足相關(guān)檢測與應(yīng)用要求。如果機(jī)頭與臺車之間無專用通信接口也能滿足機(jī)頭與臺車間的通信功能，將大大降低硬件系統(tǒng)的復(fù)雜性與開發(fā)成本。電力線載波通信技術(shù)的出現(xiàn)給機(jī)頭與臺車分離式設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)提供了新的解決方案。電力線載波通信分為交流載波通信與直流載波通信。交流載波通信技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)領(lǐng)域[10]，已成為分布式控制、電纜故障診斷的重要技術(shù)手段[11-12]。相對而言，直流載波通信技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用相對滯后，主要原因是直流控制系統(tǒng)中存在多種可靠通信協(xié)議可供選擇，使直流載波通信在信息傳遞效率、安全性方面不具備優(yōu)勢。但是，對于通信與控制功能簡單的應(yīng)用場景，直流載波通信技術(shù)因具有成本低、通信可靠的優(yōu)點(diǎn)[13-14]，被更多地應(yīng)用在伺服電機(jī)控制[15-16]、管道機(jī)器人通信[17]、蓄電池監(jiān)測[18]、路燈控制[19]等領(lǐng)域。

機(jī)頭與臺車可拆卸式（分離式）的康復(fù)設(shè)備，其外接供電電源通常只給機(jī)頭提供電源，而不直接給臺車提供電源。為了滿足臺車的供電需求，機(jī)頭通常采用彈簧針或插接線向臺車提供所需電源。這種應(yīng)用場景恰好能夠滿足直流載波通信的技術(shù)要求，使得借助直流載波通信技術(shù)能夠有效解決漫游電治療儀因機(jī)頭與臺車分離帶來的主從式控制難題。但是，當(dāng)機(jī)頭與臺車分開時(shí)，為臺車供電的彈簧針或插接線接頭就裸露在外面，極容易受靜電干擾而損壞機(jī)頭和臺車內(nèi)的控制電路，給康復(fù)治療設(shè)備的安全性帶來風(fēng)險(xiǎn)。因此，必須同時(shí)對機(jī)頭和臺車的控制系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的過流保護(hù)、靜電防護(hù)、防反接設(shè)計(jì)，才能保證直流載波通信不受外部干擾的影響，確保主從式控制通信的可靠性。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

漫游電治療儀是在干擾電治療技術(shù)的基礎(chǔ)上，在電極吸盤固定不動的條件下，利用光耦或繼電器陣列間導(dǎo)通控制實(shí)現(xiàn)多組電極交叉位置的動態(tài)切換，使治療區(qū)域由聚焦到發(fā)散，既能兼顧單一部位的高效治療，又可實(shí)現(xiàn)大范圍的交互治療，使人體組織部位產(chǎn)生周期性或節(jié)律性的漫游刺激感。漫游電治療儀采用機(jī)頭與臺車分離式的設(shè)計(jì)理念，以滿足機(jī)頭便攜式移動的臨床需求。漫游電治療儀的供電連接示意圖如圖1 所示。漫游電治療儀的機(jī)械結(jié)構(gòu)主要包括機(jī)頭和臺車兩部分，在機(jī)頭的底部設(shè)置彈簧針母座，臺車臺面上設(shè)置彈簧針，通過彈簧針與彈簧針母座的接觸實(shí)現(xiàn)機(jī)頭向臺車供電。漫游電治療儀采用主從式控制方式，實(shí)現(xiàn)對臺車內(nèi)的加熱盤進(jìn)行加熱控制。機(jī)頭部分是漫游電治療儀的控制主機(jī)，主要用于處方選擇、模式選擇、氣泵控制、抽吸力調(diào)節(jié)、電流輸出指示等人機(jī)交互操作，實(shí)現(xiàn)漫游電治療電流的輸出與控制功能。臺車部分可為機(jī)頭提供一個(gè)移動式平臺，在臺車內(nèi)設(shè)置溫度控制系統(tǒng)，利用直流載波通信技術(shù)，根據(jù)機(jī)頭發(fā)出的加熱控制指令，實(shí)現(xiàn)對加熱盤的加熱控制。

圖1 漫游電治療儀供電連接示意圖

漫游電治療儀采用的主從式加熱控制系統(tǒng)框圖如圖2 所示。通過彈簧針實(shí)現(xiàn)機(jī)頭向臺車供電，主控電路與觸控面板在機(jī)頭內(nèi)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，通過觸控發(fā)送加熱指令。臺車獲得供電后，首先通過防反接防靜電保護(hù)電路，將電源輸送給隔離降壓電路，確保加熱電源與控制電源的隔離。從控制器通過產(chǎn)生載波信號給加熱電源施加信號。根據(jù)主控制器發(fā)送的加熱指令進(jìn)行臺車加熱盤加熱控制，通過溫度傳感器進(jìn)行溫度檢測，并根據(jù)程序設(shè)定向主控制器發(fā)送加熱狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)直流載波通信下的閉環(huán)加熱控制。

圖2 主從式控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 主機(jī)控制電路

主機(jī)控制電路（機(jī)頭內(nèi)）加熱控制電路主要由自恢復(fù)保險(xiǎn)絲（F1）、精密采樣電阻（R31、R32）、肖特基二極管（D8）、TVS 二極管（D7）、電流放大器（U2）、三極管（Q1）、繼電器（JK10）、二極管（D18）、共模濾波器（L16）、彈簧針接插件（P15）等組成，見圖3。

圖3 主機(jī)控制電路

由于本設(shè)計(jì)選用的直流載波通信頻率為低頻脈沖信號，因此選用電容CP43、電容C32 來濾除電源上的高頻干擾。自恢復(fù)保險(xiǎn)絲（F1）起到防止供電電路中電流過大的作用。一旦電流過大電源（VCC）將被切斷，可有效避免因電流過大損壞后面的電流放大器芯片（U2）。精密采樣電阻（R31、R32）以串聯(lián)的方式接入供電電源，以實(shí)時(shí)檢測供電電源中的電流變化。將電流變化轉(zhuǎn)換為電壓的變化后，輸入到電流放大器（U2）的差分輸入端。TVS 二極管（D7）、肖特基二極管（D8）用于保護(hù)電流放大器芯片（U2）的差分輸入端，避免因供電電源設(shè)備的起停操作、交流電網(wǎng)的不穩(wěn)定、雷擊干擾及靜電放電等原因，損壞電流放大器芯片（U2）。

電流放大器芯片（U2）的OUT 端（HEAT_IO）用以輸出檢測到的方波脈沖信號，其脈沖信號的頻率小于100 Hz。主機(jī)控制器根據(jù)脈沖捕獲到的電壓幅值與頻率，對臺車內(nèi)加熱控制電路的工作狀態(tài)進(jìn)行識別。當(dāng)電流放大器芯片（U2）OUT 端（HEAT_IO）的頻率發(fā)生變化時(shí)，若與主控電路（機(jī)頭）程序設(shè)定的頻率一致，則可根據(jù)頻率的變化判定臺車的加熱狀態(tài)。

機(jī)頭上的微控制器可通過控制HEAT 來控制三極管（Q1）導(dǎo)通，進(jìn)而控制繼電器（JK10）吸合，從而給彈簧針接插件（P15）供電。在彈簧針接插件（P15）的前端設(shè)定共模濾波器，以濾除電源上的干擾，確保臺車供電的穩(wěn)定性。繼電器（K1）在掉電狀態(tài)下，繼電器內(nèi)部2-3 接通、6-7 接通，此時(shí)彈簧針接插件無電源。當(dāng)1-2 接入電源后，繼電器吸合，繼電器內(nèi)部2-3 斷開，3-4接通，繼電器內(nèi)部6-7 斷開，5-6 接通，彈簧針接插件（P15）接通電源（VCC）。電源（VCC）的電壓可根據(jù)加熱功率的需要選定，一般不超過24 V。

為了避免繼電器吸合前后電磁鐵聚集電荷從而產(chǎn)生瞬時(shí)高壓，本文優(yōu)選二極管（D18）續(xù)流，消耗電磁體兩端聚集的電荷，同時(shí)避免產(chǎn)生吸合狀態(tài)的電弧現(xiàn)象和損壞繼電器及后續(xù)電路。電容CP32 的作用是隔離電源和地；電阻R34 的作用是限流。電阻R34 與R38 分壓后，可避免因?yàn)榻o主控芯片過高電壓從而損壞主控芯片。LED1 為電流放大器芯片U2 的OUT 輸出端狀態(tài)指示，便于維修時(shí)直觀判斷U2 的工作正常與否。

2.2 從機(jī)控制電路

從機(jī)控制電路主要由防反接與防靜電保護(hù)電路、隔離降壓電路、加熱控制電路、微控制器最小系統(tǒng)組成。防反接與防靜電電路如圖4 所示。CN1 接口為彈簧針公座（與機(jī)頭對接的電源接口）。利用P-MOS 管Q2 的導(dǎo)通特性實(shí)現(xiàn)防止電源反接的作用，避免損壞后續(xù)電路。D21 為TVS 二極管，可防靜電。D22 為穩(wěn)壓二極管，一旦輸入的電壓超過12 V，穩(wěn)壓二極管會導(dǎo)通，將電壓穩(wěn)定為VCC 電壓值，防止因輸入電壓過高或接通瞬間出現(xiàn)高壓而損壞后續(xù)電路。C39、C40 起到濾波的作用，可抑制電源中的高頻干擾。

圖4 防反接與防靜電保護(hù)電路

隔離降壓電路如圖5 所示。采用隔離性降壓芯片，將外部輸入（機(jī)頭供電電源）的電源與微控制器的電源進(jìn)行隔離，避免因外部輸入電源不穩(wěn)定而損壞控制芯片（U8）。U3 是一個(gè)12 V 轉(zhuǎn)5 V 的DC-DC 隔離模塊，可避免前級的靜電傳到后級從而損壞芯片。D19 是一個(gè)穩(wěn)壓二極管，防止電壓超過5 V。U4 為5 V 轉(zhuǎn)3.3 V 的電源模塊。D20 為穩(wěn)壓二極管，穩(wěn)壓值為3.3 V，確保為控制芯片（U8）提供穩(wěn)定的直流電源。LED2 為3.3 V的電源指示燈，便于維修檢測判斷。

圖5 加熱線接口電路

加熱控制電路如圖6 所示。加熱控制電路主要通過光耦和MOS 管實(shí)現(xiàn)對加熱絲的加熱控制。F1 為保險(xiǎn)絲，防止電流過大。C41、R45 是一個(gè)吸收回路，防止出現(xiàn)電流浪涌。CN2 為接線口，其引腳3、4 用于兩個(gè)NTC 溫度傳感器的接線，引腳1、2 用于接通加熱絲的正負(fù)極。U5、U6 為光耦，Q3、Q4 為MOS 管。只需通過微控制器的HEAT-CONTROL 引腳，即可控制光耦U5，進(jìn)而控制MOS 管Q3。當(dāng)MOS 管Q3 導(dǎo)通時(shí)，加熱絲形成回路并開始加熱，否則，切斷電源停止加熱。微控制器的FAKE_LOAD 引腳用于提供一個(gè)假負(fù)載（方波脈沖信號），其與加熱絲供電電路形成并聯(lián)，以此向機(jī)頭控制器提供不同的脈沖頻率。機(jī)頭主機(jī)根據(jù)檢測的脈沖頻率實(shí)現(xiàn)加熱狀態(tài)反饋。通過控制假負(fù)載導(dǎo)通的頻率，給主板發(fā)送信息。機(jī)頭控制電路的采樣電阻通過檢測到的不同電流變化頻率，反映下方加熱板的不同工作狀態(tài)。2 個(gè)NTC 傳感器用于檢測加熱溫度，通過兩個(gè)運(yùn)算放大器構(gòu)成的跟隨器與接口CN2 連接，提供了檢測端ADC1、ADC2 的帶載能力。R52、R53 起到限流作用。D23、D24 為TVS 二極管，用于防止靜電損壞控制電路。從機(jī)控制器的地（GND）與外部輸入的地（PGND）是分開的，起到隔離保護(hù)的作用，避免通過二者共地引入干擾，從而損壞控制器芯片。

圖6 加熱控制與載波發(fā)送電路

微控制器最小系統(tǒng)電路如圖7 所示，主要用于為假負(fù)載提供脈沖方波和控制加熱及溫度檢測。CN3 為程序下載接口，D25、D26 為TVS 二極管，用以防止靜電從下載口進(jìn)入損壞控制芯片U8。

圖7 微控制器最小系統(tǒng)電路

3 軟件程序設(shè)計(jì)

漫游電治療儀的加熱主機(jī)控制流程圖如圖8 所示。主機(jī)系統(tǒng)上電后，進(jìn)行系統(tǒng)初始化，完成系統(tǒng)自檢。首先，判斷是否觸發(fā)加熱按鍵，如觸發(fā)加熱按鍵，主控制器控制置HEAT 為高電平。其次，利用定時(shí)器捕獲計(jì)算電源線上的脈沖頻率，據(jù)此判斷臺車的加熱狀態(tài)。當(dāng)檢測到從機(jī)加熱狀態(tài)異常時(shí)，控制微控制器置HEAT 為低電平，停止給臺車供電，強(qiáng)制停止臺車上的從機(jī)工作。漫游電治療儀的加熱從機(jī)控制流程圖如圖9 所示。從機(jī)系統(tǒng)上電后，首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，完成系統(tǒng)自檢，并置HEAT-CONTROL 為低電平，控制MOS 管，打開加熱絲供電回路。利用NTC 溫度傳感器實(shí)時(shí)檢測加熱絲的工作狀態(tài)，當(dāng)檢測到加熱盤內(nèi)的水溫度超限時(shí)，置HEAT-CONTROL 為高電平，切斷加熱絲供電電源，并給電源施加加熱異常狀態(tài)的假負(fù)載脈沖信號FAKE_LOAD。當(dāng)檢測到加熱盤內(nèi)的水溫度不超限時(shí)，給電源施加加熱正常狀態(tài)的假負(fù)載脈沖信號FAKE_LOAD，向主機(jī)反饋加熱狀態(tài)。

圖8 主機(jī)控制程序流程圖

圖9 從機(jī)控制程序流程圖

4 實(shí)驗(yàn)研究

采用機(jī)頭與臺車分離式設(shè)計(jì)理念研制的漫游電治療儀實(shí)物如圖10 所示。該漫游電治療儀已通過河南省藥品監(jiān)督管理局醫(yī)療器械產(chǎn)品注冊檢驗(yàn)。

圖10 漫游電治療儀實(shí)物圖片

漫游電治療儀在加熱狀態(tài)切換時(shí)的信號波形如圖11所示。在機(jī)頭主控制電路中電源控制端（HEAT）電平為低電平時(shí)，機(jī)頭無法向臺車供電，臺車的供電電壓為0 V，此時(shí)機(jī)頭上的供電電壓處于波動狀態(tài)。當(dāng)機(jī)頭主控制電路中的電源控制端（HEAT）由低電平轉(zhuǎn)換為高電平轉(zhuǎn)換后，機(jī)頭供電電壓從波動狀態(tài)進(jìn)入穩(wěn)定的9.8 V，假負(fù)載輸出信號在延遲2 s 后輸出10 Hz 方波信號，電流放大器的OUT 端因MOS 管開關(guān)控制產(chǎn)生了脈沖方波信號，并在延時(shí)2 s 后疊加10 Hz 的方波信號，供主控制器檢測端檢測。

圖11 加熱狀態(tài)切換的信號波形

5 討論與結(jié)論

該漫游電治療儀的機(jī)頭與臺車機(jī)械結(jié)構(gòu)已獲國家專利授權(quán)[20-21]，同時(shí)該設(shè)計(jì)能夠滿足電磁兼容-試驗(yàn)和測量技術(shù)中對靜電放電抗擾度試驗(yàn)（GB/T 17626.2-2018）、電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗(yàn)（GB/T 17626.4-2018）、浪涌（沖擊）抗擾度試驗(yàn)（GB/T 17626.5-2018）、射頻場感應(yīng)的傳導(dǎo)騷擾抗擾度（GB/T 17626.6-2017）的測試要求。經(jīng)查閱國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)可知，在康復(fù)醫(yī)療設(shè)備領(lǐng)域，未見有采用直流載波通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)機(jī)頭與臺車分離式設(shè)計(jì)控制的相關(guān)產(chǎn)品應(yīng)用。綜上所述，本文設(shè)計(jì)方法具有較強(qiáng)的創(chuàng)新性與實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，漫游電治療儀將機(jī)頭與臺車分離式設(shè)計(jì)與直流載波通信技術(shù)相結(jié)合，既提高了漫游電治療儀使用的便攜性，又解決了機(jī)頭與臺車的通信難題，保證了在無直接通信線路的情況下，機(jī)頭對臺車加熱狀態(tài)的控制與監(jiān)測，提高了漫游電治療儀的可靠性與安全性。本設(shè)計(jì)也為分離式主從控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了新的通信方案。