基于51的医学中频治疗仪的设计

徐州医科大学医学信息学院 俞 啸 周家帧 张 立

基于51的医学中频治疗仪的设计

徐州医科大学医学信息学院 俞 啸 周家帧 张 立

为了解决众多上班族和中老年人群体不断饱受慢性疾病危害的问题，设计并实现一套医学中频治疗仪系统。系统由按键模块、显示模块、模数转换（DAC）模块、放大模块、电源模块和微处理器控制模块组成，能够输出多种医学调制中频电脉冲。系统采用51单片机作为控制模块，按照经皮神经电刺激镇痛原理，实现组合输出调制中频电脉冲的功能；并根据用户自身的反应情况，实现治疗电脉冲频率、强度和时间的调节功能。系统中设计的多级滤波电路，对电脉冲整个调制和输出过程进行滤波和校正，确保医学调制电脉冲输出的准确性。最终调试结果表明，该医学中频治疗仪输出的治疗电脉冲与电疗规范脉冲基本一致，能够为慢性疾病防治起到参考作用。

中频；51单片机；慢性疾病；电刺激

0 引言

随着生活节奏的加快，时间碎片化成为现代社会生活的重要趋势，社会人群愈加困难地抽出整段的时间进行体育保健锻炼。此外，在当今中国社会，老年人数量逐年递增，整个社会面临着日益严重的人口老龄化问题，老年人的医疗保健问题也显得尤为重要；与此同时，现代社会的经济活动愈加频繁，以及不断提速的现代生活步伐，越来越多的上班族长期处于精神疲惫、腰酸背痛、压力沉重的状态下，长此以往，必然会导致“亚健康”的症状，严重的话，甚至会给生命造成威胁。

针对以上情况，本文将嵌入式技术、电子电路技术和现代医疗技术相结合，采用了高性价比、可靠性优良的51系列单片机和美国TI公司生产的TLC7528数模转换芯片，以低功耗为目的设计了一系列外围硬件电路，以“便捷、高效、安全、实用”作为设计目标，设计了一款智能化、自动化的家用便携式医学中频治疗仪[1]。对于工作繁忙而无法进行保健锻炼的上班族来说，这种家用便携式医学中频治疗仪可以方便他们在工作之余高效利用时间进行理疗锻炼，保证他们的身体健康，工作的发展。对于中老年患者，医学中频治疗仪可以给他们带来有效而又舒适的保健治疗，并且杜绝了他们长期往返于医院的烦恼，从而在本质上提升医疗效果和患者的生活质量，在一定程度上减少了医疗支出[2]。

1 系统结构设计

本文设计的医学中频治疗仪采用单片机控制脉冲电路。系统功能实现如图1所示[3]。由图中分析可知，医学中频治疗仪的核心是一个微控制单元，通过这个微控制单元控制各模块的独立、准确的运转；微控制单元基于时序脉冲，控制数模转换单元（DAC）将数字信号转换为模拟信号，接下来经过运算放大器实现信号的一级放大，放大后的信号通过滤波电路滤除噪声，然后送至功率放大电路进行二次放大，放大后的信号最终输送至电极实现调制中频电脉冲的输出。系统的其他功能部件包括电源供电模块，外部按键触发输入模块和相关信息显示模块[4]。

图1 系统功能实现框图

图2 TLC7528内部结构图

2 硬件芯片选型和电路设计

2.1 DAC和放大器选型

本系统设计的关键即为DAC的数据转换和放大器实现波形放大，因此硬件芯片选型也就至关重要。

对于数模转换模块（DAC），本系统选用了TI公司的TLC7528直插型芯片。TLC7528的工作电压范围为5V～15V，其内部集成了双路、8位数模转换器，通过内置独立锁存器，实现数模转换器的选择。具体而言，单片机给控制信号，控制信号输入至锁存器，通过锁存器决定DACA或者DACB来工作。TLC7528内部结构如图2所示。

TLC7528的具体工作原理如图3所示。由于TLC7528要实现8位数据的转换，意味着最小输出信号为参考信号的256分频。下图电路中，共有八个切换开关，当所有开关接至AGND，则输出电压为0，当只有S8接至OUT时，因为一系列电阻并联，所以只有256分频的电压值输出，其他输出值得实现都是基于开关的调节和电阻并联完成的。根据以上的原理，TLC7528能够实现8位数模信号的转换。

图3 TLC7528工作原理图

针对放大器的选型，选用了市场上普遍使用的TI公司的LM324，LM324以其低廉的价格和完善的功能而广受欢迎。LM324可以工作于单电源下，其内置四组带差动输入的运算放大器。工作电压范围为3V～16V，同时具备了静电保护的功能。其管脚连接图如图4所示。从图中可知，LM324四组放大器共用Vcc和GND管脚，但是每组放大器都有单独的输入输出管脚，其中，输入管脚有正相输入和反相输入两种选择。

图4 LM324管脚连接图

2.2 放大驱动电路设计

本系统设计，采用5V基准电压的51单片机对模拟数据进行模数转换，从而获得5V的波形幅值，但是5V电脉冲波形无法驱动电极工作，因此必然要求我们对于电脉冲信号进行放大，运算放大电路如图5所示。

图5 运算放大电路

反相交流放大器的特点是输入阻抗高。由于两级电路的结果和原理相似，所以只分析第一级放大电路。放大器采用单电源供电，由R1、R2组成1／2U+偏置，C1是消振电容。放大器放大倍数Av仅由外接电阻Ri、Rf决定：Av=﹣Rf／Ri。负号表示输出信号与输入信号相位相反。按图中所给数值，Av=﹣102。此电路输入电阻为Ri，一般情况下先取Ri与信号源内阻相等，然后根据要求的放大倍数再选定Rf。C1和C2为耦合电容。反向放大器如图6所示。

图6 反相放大器电路

2.3 升压和电极电路设计

升压和电极电路是由升压变压器T1、电位器R19、电极片等组成。升压电路工作后，信号5V经过升压变压器T 的二次绕组(绕组W2)之后电压上升到100V，该电压经电位器R19控制后，通过两只外接电极作用到人体的病灶部位(心脏部位和头部禁用)，从而实现治疗功能。LED1为工作状态指示发光二极管。在治疗工作时，发光二极管LED1发光。调节电位器R19的阻值，可以改变正弦电压的幅度，从而改变治疗的强度。调节电位器R8的阻值，从而改变多谐振荡器的工作频率，从而改变治疗动作的频率。

升压电路是利用升压变压器来提升电压，但是不改变信号的频率。变压器两组线圈分别为n1和n2，n1为初级，n2为次级。在初级线圈上加一交流电压，再刺激线圈两头就会产生感应电动势，当n2 < n1时，其感应电动势要比初级所加的电压还要高，这种变压器成为升压变压器，如下图7所示。变压器工作原理就是电磁感应，一般说有两组线圈，原线圈加交流电产生磁场，副线圈在这个磁场作用下，产生感应电动势，接上负载就产生电流。原线圈和副线圈匝数不等所以能够改变电压。

电极电路是将一个滑动变阻器串联在升压变压器的输出端，后面再串连两片金属板电极，如下图8所示。调节滑动变阻器，将治疗仪的输出功率调至合适的值，即可将两片金属板电极接上人体的治疗部位，进行治疗。

图7 变压器

图8 治疗电极

3 系统软件设计

图9 系统软件流程图

图10 正弦波

医学中频治疗仪系统软件功能如图9所示。医学中频治疗仪系统软件主要包括初始化、按键判断、LCD显示和波形控制输出这些部分的功能。初始化部分负责全局变量的初始化、51单片机硬件资源的初始化[5]，以及DAC芯片的初始化工作。按键判断负责响应用户的按键不同操作，其中包括不同波形的输出切换，具体某一波形的频率、幅值调节。LCD显示部分，根据用户的按键操作，在LCD上显示具体的波形、频率、幅值，以及相关的系统信息。波形输出部分，主要根据所使用的DAC芯片位数，以及使用功能要求，负责相关波形输出的要求，最终输出结果是以三角波、正弦波、方波等作为基础波的组合波形。

main函数被定义为无返回值函数，其中主体是一个死循环while。而在while执行之前，首先执行了初始化函数，初始化函数内容包括单片机硬件的初始化，以及显示方面的初始化，同时还包括输出波形频率的一系列的初始化。初始化结束后，就是while的执行，在while死循环中，首先调用了外部的按键功能函数，当有按键触发时，同时也导致了全局变量S的赋值变化，不同的按键触发，会给S赋予不同的键值。接下来，就是一个switch语句，其判断的变量整数全局变量S，针对不同的键值S，分别实现了不同波形的输出。

波形输出包括两大部分，一个是不同波形的采样数值，另一个就是对应的波形输出函数。首先，考虑到本系统采用了8位数据位的ADC芯片，因此较为合适的波形采样次数为256。在这里，较为常用的波形采样方法有两种，第一种是直接计算法，其计算的思维是这样的：我们以正弦波形为例，当我们需要对正弦波形采样时，首先，基于硬件DAC的位数前提，我们已经确定了最佳采样次数为256，而正弦的一个周期为2π，我们需要将这一个2π周期均分为256等份，依次计算出每一等份的幅值，最后，我们可以得到一个采样集合，即为代码开始处的采样集合。而本系统则是采样了第二种方法，即为查表法，这里我们借助波形采样软件进行查表，直接得出采样集合，大大节约了时间。此时，我们已经得到了需要的波形采样集合。按照一般编程思维，我们会直接将其定义为变量数组存放于数据寄存器RAM中，然而，单片机的硬件资源极为有限，尤其数据寄存器RAM仅仅为几个字节，如果我们直接将采样数组存放在RAM中，必然会导致程序编写失败。所以，我们将采样集合定义为code类型，存放在程序寄存器ROM中，相对比空间极为狭小的RAM，ROM就显得大得多，所以我们将采样数据存放在ROM区域，有效的利用了单片机资源。这块代码的另一部分，即为不同波形输出函数。其内部的功能实现，主要是调用了DAC处理并发送数据函数，而在这里，利用模块化编程思维，将DAC看成一个接口，直接省去了DAC函数的细节，直接将之前采样好的波形数据通过DAC进行数模转换，进而转发出去[6]。

按键触发部分的代码功能是基于单片机外围的独立按键触发情况，来给全局变量s赋值，同时也给不同波形频率、幅值等参数进行设置。此处，一个注意点是，理想的按键触发会直接给单片机送达相应脉冲的低频信号，但是往往而言，现实状况总是会存在误差，因此，一定时间的按键消抖就显得尤为重要。如果缺少消抖的时间延迟，系统功能的实现就会存在不确定性，无法保证其正确性。所以，我们一般会给按键两个脉冲左右的时间消抖，而按键真实存在触发，其低频型号或保持一段时间，消抖延迟之后，再次判断为低频信号，则可以判断有按键功能触发。

4 系统功能实现及测试

软硬件相结合，观察硬件电路能否完成预定功能，同时对整个硬件电路做一次较深层次的测试。具体操作是：接上仿真头，启动PC 机，进入51单片机系统开发软件，用开发软件编写应用程序，逐步修改完善。经过编译成为单片机可执行的目标程序，然后对生成的目标文件进行仿真调试。目标程序仿真调试通过后，通过运行开发软件写入到芯片的 ROM 中运行。最后，将医学中频治疗仪的输出接到电极，并且测试不同波形、不同频率的效果。

图11 方波

图12 锯齿波

首先，将电极贴较为分布的贴在手肘上，治疗仪结果初始化，按键选择正弦波，正弦主要作用于各种炎症的治疗。基址频率是2KHz，分别测试调频后的效果，经检测，正弦波具有中医中的敲、抖等动作效果。如图10所示。

接着测试方波，方波主要用于镇痛，刺激神经肌肉，调节自主神经系统。首先在测试者手肘贴上电极，将频率调制基址频率2KHz，然后分别测试不同频率的效果。测试后，方波具有中医中的揉、拿等动作效果。如图11所示。

最后测试锯齿波，锯齿波主要用于刺激失常神经肌肉，对正常神经具有推拿的效果。首先在测试者手肘贴上电极，将频率调制基址频率2KHz，然后分别测试不同频率的效果。测试后，锯齿波具有中医中的推、拿、敲等动作效果。如图12所示。

虽然电路模块中设计了滤波电路，由于电路板本身结构的限制，影响了整个电路的布局和走线，从而引入了一定的噪声和干扰。

最终测试表明，本系统采用的测样方法是有效的，波形基本吻合所需要的要求，通过人体测试，输出波形在25V时，在基频模式下，输出波形具有医学中的推、拿、揉、敲、抖等动作的效果，随着频率和幅度的增加，可以明显感觉到手感加重，对于医疗保健具有一定的疗效。

5 结语

本文提出的医学中频治疗仪系统是基于51芯片为核心模块，从多层次、多角度将嵌入式、电子电路和现代医疗技术相融合。实现了医疗保健锻炼的便携性、高效性、针对性的设计宗旨，为现代医疗自动化的发展打下坚实的基础。本文提出的组合输出调制中频电脉冲的理念，不仅对于中频治疗仪的发展做出重要参考，为脉冲治疗仪的产品市场带来新的冲击，同时为电刺激医疗的发展和进步提供宝贵的实例经验价值。

[1]唐敬之,徐静娟,王红粉,等.电脑中频治疗仪的临床应用进展[J].按摩与康复医学旬刊,2012,03(2):51-52.

[2]陈春艳,葛林宝.针灸治疗神经根型颈椎病研究进展[C].中医药现代化国际科技大会,2013.

[3]刘勇.基于阵列式电极的生物反馈电刺激治疗系统研究[D].重庆理工大学,2015.

[4]李颖.低成本高可靠的多功能治疗仪的研制[D].北京协和医学院,2011.

[5]李晓宁.单片机的发展与应用[J].中外企业家,2015(8).

[6]龚良彩.C语言编程技术研究[J].信息化建设,2016(3).

Design of medical intermediate frequency therapeutic apparatus based on 51

Yu Xiao，Zhou Jiazhen，Zhang Li
（School of Medicine Information，Xuzhou Medical University，Xuzhou 221009）

In order to solve the problem that many of the workers and the elderly continue to suffer from the chronic diseases，an intermediate frequency therapeutic apparatus system was designed and implemented.The system consists of a key module，a display module，a DAC module，an amplifying module，a power supply module and a microprocessor control module，and can output a variety of modulated IF pulses.The system uses 51 single-chip microcomputer as the control module，according to the principle of percutaneous nerve stimulation analgesia，the function can be achieved to output modulation IF pulses combined.On the basis of the user’s own reaction，the regulation function of the electric pulse frequency，intensity and time was achieved.A multistage filter circuit was designed to filter and correct the entire process that ensures the accuracy of the modulated IF pulses’output.The final debugging result shows that the system’s pulses were basically consistent with the standard IF pulses，and can serve as a reference for the prevention and treatment of chronic diseases.

intermediate frequency；51 single chip；chronic disease；electrical stimulation

注：江苏省产学研联合创新项目（BY2014033）。

俞啸（1989—），徐州医科大学讲师，研究方向：物联网，嵌入式系统，医学信息。