基于STM32肌電采集康復器的恒流源設計

榮華 王選 朱承志

摘 要：介紹了一種基于STM32控制的肌電誘發康復器的恒流源設計，能夠實現電流的步進可調控制，電流調節范圍：0～3 000 mA。恒流電源系統包括硬件系統和軟件系統，硬件系統以控制器STM32為核心，由恒流輸出模塊、PWM驅動模塊、信號處理模塊、AD采集模塊、按鍵模塊、串口通信模塊構成；軟件系統通過PI調節反饋控制，對電流進行PWM輸出驅動控制，實現了設定的電流值準確、穩定輸出，同時具有精度高、穩定性好和成本低等特點。

關鍵詞：恒流源；PI反饋調節；STM32微控器；PWM輸出

中圖分類號：TH79? ? 文獻標志碼：A? ? 文章編號：1671-0797（2024）10-0049-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.10.012

0? ? 引言

直流電源在很多場合經常使用，比如企業研發產品時、高校實驗室科研與教學實驗時，在產品中也被廣泛應用，例如在數字醫療設備中直流電源也常被使用。當前，雖然市面上有很多數控直流電源，但是市場上既采用STM32作為肌電誘發康復器的控制器，又采用STM32控制進行恒流輸出的產品較少[1]。目前的狀況是或者性能單一，或者功能齊全但價格昂貴，因此，研發一種精度高、功能強、成本低的基于STM32的數控肌電誘發康復器的恒流電源具有現實意義，可以兼顧性能和成本。

1? ? 性能指標與總體設計方案

根據肌電誘發康復器的系統要求，采用STM32數控恒流源設計具有如下性能指標：

可調參數：電流值。

可調范圍：電流0～3 000 mA。

可調精度：電流設定值和實際值相對誤差為±5%。

工作方式：具有步進“+” “-”調整功能，步進≤10 mA，按鍵設置輸出值。

系統總體組成框架圖如圖1所示。

本肌電誘發康復器設備第一路ADC監控肌電信號的電壓值，即根據采集的肌電電壓信號，經高輸入阻抗的隔離放大器進行放大，并進行低通濾波后，送入STM32控制器內置模數轉換模塊進行A/D轉換，得到數據經過數字濾波、運算處理，最終得到肌電信號值。第二路ADC監控恒流電源輸出，將電流采集電路采集的信號進行放大，送入STM32控制器進行ADC數據采集，并將得到的數據用于反饋PI調節控制，輸出PWM控制波給驅動電路，從而形成閉環反饋恒定電流控制。

2? ? 主要模塊的實現方案

2.1? ? 核心處理器選擇

STM32微控制器（MCU）是意法半導體公司生產的，主要應用于項目要求運算速度比較快、主頻較高、實時性好的中高端市場。本設計使用的是一款采用高性能ARM Cortex-M3處理器內核的控制器STM32F103VCT6。其采用32位RISC中央處理器，工作主頻為72 MHz；包含3個12 bit的ADC轉換器，轉換范圍0～3.6 V；64 kB SRAM和256 kB FLASH；多達11個通用16位定時器，其中4個PWM定時器等片內資源。

2.2? ? PWM驅動與采樣模塊

采用N溝道金屬氧化物半導體場效應管（NMOS）作為恒流源的開關管。由單片機控制輸出PWM波電壓控制信號[2]，通過BUCK降壓電路輸出所需電流值。

PI調節[2]與驅動控制原理框圖如圖2所示。

2.3? ? 量程切換與放大電路

本肌電誘發康復器的恒定電流源輸出部分采用一片八選一的多路模擬開關CD4051實現量程切換，使輸出放大倍數有8種選擇，方便電路自動調節控制。STM32通過引腳PA0、PA1、PA2對其通道進行選擇控制，從而實現量程自動切換。將該電路作為放大器LM358的反饋通路進行放大倍數調整，經過LM358其中的一個運算放大器組成的電壓跟隨器后，對電路起到隔離緩沖作用，從而使進入STM32中的A/D轉換信號更合理。量程切換與放大電路如圖3所示。

2.4? ? PWM驅動控制仿真電路

脈沖寬度調制PWM（Pulse Width Modulation）控制輸出開關管的通斷時間，給后級BUCK電路形成恒流輸出的電流源[3]，BUCK電路由470 μF電容、470 μH電感、1N4148高速開關管構成。用5 Ω水泥電阻模擬負載，經過0.1 Ω采樣電阻給LM358運放進行一級同向放大，放大倍數約為6。PWM驅動仿真控制硬件電路如圖4所示。

3? ? 軟件設計

采用三個按鍵作為人機交互輸入，按鍵1是恒流輸出控制按鍵，實現對恒流輸出啟動和停止控制；按鍵2是恒流步進增加鍵，按鍵3是恒流步進減少鍵。

根據電路原理圖電路板接入的負載電阻為5 Ω，加上采樣電阻0.1 Ω，根據歐姆定律計算求得輸出電流的可調范圍為0～3 A。

程序流程圖如圖5所示。

具體程序流程如下：

首先，對STM32的PWM、ADC、GPIO等相關片內外設進行初始化，并設置目標電流值。

然后，啟動定時器TIM的PWM功能，通過配置寄存器設置PWM不同占空比。

通過檢測按鍵觸發事件，主要檢測降低電流按鍵、提高電流按鍵和停止電流按鍵的觸發，檢測程序進行對應調整。

最后，完成ADC采樣輸出，這一過程中對采樣電壓轉化得到的電流值與目標電流值進行對比，若結果有較大偏差需進入反饋程序進行PI反饋調節校正，從而通過調整PWM占空比來減小偏差，直至兩者對比一致或者誤差（error）在所允許的精度范圍內[4-5]。

4? ? 實驗數據及分析

實際肌電誘發康復器的輸出恒流值如表1所示。

由表1分析可知，恒流源輸出的實際測量值與理論值的相對誤差不超過±5%，滿足測量的精度要求。

STM32的PWM占空比取值范圍0～100%，對應寄存器設置的值域為0～1 000，即步進10表征1%的占空比。信號頻率為20 kHz，最高電壓為參考電壓3.3 V。輸出電流與PWM占空比關系如圖6所示。

5? ? 結束語

本肌電誘發康復器的恒流源設計，采用STM32F-

103VCT6的微控制器，利用其內部集成的A/D模塊中的兩路模數轉換模塊進行A/D轉換。對數控恒流電流源進行程序功能測試，分析測試結果數據，考慮器件實際溫漂的影響，通過數據擬合方法以及程序的PI反饋校正功能，設置目標電流值，能得到較好的輸出電流質量。同時，該恒流源對測量參數具有顯示、數據上傳等功能。實驗數據表明，該康復器的恒流源輸出具有測量精度高、穩定性好、體積小、成本低、便于攜帶等優點，大眾家用前景很好。

[參考文獻]

[1] 張紅賓，李曉晨，趙二剛，等.基于STM32的便攜式數控直流電源設計[J].實驗室科學，2019，22（3）：53-56.

[2] 李貴嬌，魯爭艷，李金寶，等.一種可PWM調制的恒流源電路[J].電子制作，2023，31（15）：92-95.

[3] 張士飛，肖高博，劉志國，等.基于寬范圍恒壓源的恒流源設計[J].科學技術創新，2021（29）：187-189.

[4] 劉文勝，李宗平，譚親躍，等.基于STM32的小紋波高精度恒流源系統設計[J].現代電子技術，2023，46（13）：158-162.

[5] 秦玲，楊興林，蔣薇，等.智能PID算法在恒流源紋波抑制中的應用[J].通信電源技術，2014，31（1）：5-7.

收稿日期：2024-01-29

作者簡介：榮華（1987—），男，湖南株洲人，碩士，工程師/實驗師，研究方向：醫用電子儀器、康復設備設計與開發。

通信作者：朱承志（1976—），男，湖南株洲人，碩士，副教授，研究方向：醫用電子產品設計與高職教育。

基金項目：2022年度湖南省教育廳科學研究項目“研究一種基于肌電信號+物聯網技術的穿戴式康復仿生設備”（22C1296）；2023年湘潭市科技計劃項目“基于皮膚表面肌電信號驅動的肌肉康復器設計”（CG-ZDJH20231017）