基于STM32的便携式超声波理疗仪的设计与实现

李新良

（长沙民政职业技术学院，湖南 长沙 410004)

引言

随着科技水平的提高，人民的平均寿命逐渐提高，我国已步入了老龄化社会。现代人的生活节奏快，当身体出现亚健康或轻微不适时，不会考虑去医院理疗，那样费时又费力，随着时间的推移，病情会加重，影响正常的生活。据统计，我国约5 亿人患有慢性疾病或功能性障碍疾病，党中央适时提出的《健康中国2030规划纲要》使健康理疗产品进入普通家庭已成为一种可能。

超声波是一种振动频率大于2MHZ 的声波，它能在传播时与媒介发生物理和化学反应，产生力学的、热学的、电磁学的和化学的超声效应的声波，医学研究表明，超声波具有很好的穿透性，它在肌萎硬化症、脊椎劳损、神经疼痛、美尼尔式症等慢性软组织疾病上有很好的疗效[1-2]。但目前市面上的超声波理疗仪主要是医用超声波理疗仪，存在操作界面复杂、价格昂贵、体积大、声电转换效率低等问题。故研究一款体积小、操作简单、价格合适、高效的家用超声波理疗仪十分必要，能更好地满足人民的健康生活，提高人民的幸福指数。

本文主要针对功能性障碍疾病人群、亚健康状态的上班族及中老年人群所普遍存在的软组织疼痛、身体疲劳或血液循环欠佳等问题，采用国家医学超声脉冲治疗仪的设计标准和全国医疗电器标准，研究一款适合家用的便携式超声波理疗仪，重点研究便携式超声波理疗仪的阻抗匹配技术和频率跟踪技术，解决传统超声波理疗仪的携带不方便、能量转换低等问题。

1.主要研究技术

阻抗匹配技术主要用于传输线上，将所有高频的微波信号均能传递至负载点，没有信号丢失，提高能源的效益，要求信号源内阻或传输线的特性阻抗与所接的传输线的特性阻抗大小相等且相位相同，称传输线的输入端或输出端处于阻抗匹配状态，简称为阻抗匹配[3]。

频率跟踪技术是防止保护装置误动的一种重要方法。超声波发生器负责向超声换能器提供超声频电能的任务，换能器的谐振频率会受发热、负载、老化等因素影响，为了提高换能器的效率，要求必须发生器频率与换能器的谐振频率一致[4]。

1.1超声波理疗仪研究现状

本文主要从阻抗匹配、频率跟踪两种技术研究超声波理疗仪的研究现状。

1.1.1 阻抗匹配技术

超声理疗仪工作时，压电超声换能器整体呈现容性负载特性，如果在信号发生器和声压电换能器之间不加入任何网络结构，超声理疗仪整体功率损耗大，达不到最高转换效率[5]。超声换能器属于压电材料，压电材料具有逆电压效应，超声理疗仪产生的超声激励信号通过换能器转换为机械能，最后驱动负载。

19 世纪40 年代美国科学家设计出复合式超声换能器，奠定了超声工业基础；19 世纪70 年代德国科学家通过微控制器检查电流信号来调节阻抗匹配的参数；2014年重庆大学的廖瑞金教授，利用改进型实频技术设计出一种宽带阻抗匹配方法，换能器的工作频带得到明显扩宽；2016年北方工业大学的檀丽莎利用变压器和电感结合的方法进行阻抗匹配，有效解决环境改变对超声换能器的影响[6]；2016 年杭州电子科技大学的金亮将耦合震荡应用于阻抗匹配电路中，减少换能器在工作时的机械损耗[7]；2017 年杭州电子科技大学孔立阳，针对未匹配电路输出电压波形畸变严重的问题，采用Multisim 软件搭建串联匹配仿真电路，验证串联匹配电路对输出的电压波形的重要性[8]；2019 年，华南理工大学的麻章林采用一种基于VAPAR 的电容和电感的阻抗匹配网络解决了普通串联电感匹配电路变阻不明显的问题，减少了能量损耗，优化了电路滤波[9]。

1.1.2.频率跟踪技术

超声波理疗仪换能器频率若发生漂移，就会在非谐振状态，此时理疗仪就会存在机械损耗，故应该定期跟踪理疗仪的频率。19 世纪90 年代英国科学家研制出扫描式频率跟踪系统；20 世纪30 年代，日本科学家在频率跟踪系统中增加锁相环模块，研制出输出频率为1MHz的超声波理疗仪；20世纪50年代日本科学家提出一种分散频率反馈调节系统，并应用于超声换能器；2010年江南大学的屈百达和张善理提高跟踪谐振频率的速度，并且功率器件的损耗大大降低[10]；2015 年东南大学的吴笑天解决了普通PID 算法无法跟踪阶跃的问题[11]；2016 年南京理工大学的张一帆采用模糊控制技术的频率跟踪方法提高超声波理疗仪整体的工作效率[12]；2019 年华南理工大学的侯光华采用改进型变步长频率跟踪方法，提高了跟踪效率[13]；2020年南昌大学的邓财江采用变步长数字锁相环频率跟踪技术，提高了超声波理疗仪整体的声电转换效率[14]。

1.2便携式超声波理疗仪的重要技术

超声波理疗仪反馈调节系统主要包括超声理疗的阻抗匹配网络和频率跟踪技术。

1.2.1 采用动态的LC阻抗技术提高能量转换率

普通静态阻抗匹配网络参数不能随便调节，当谐振频率发生改变时，不能及时调节换能器，本文采用动态LC 型阻抗匹配网络，动态LC 型阻抗匹配网络是在LC 型阻抗匹配网络基础上增加一个可调电容Ca 和两个并联的晶闸管D1 和D2。当超声波理疗仪工作在非谐振状态时，通过时刻改变可调电容的容值和晶闸管的导通角间接调节换能器的工作状态，使其工作在谐振状态，动态LC型阻抗匹配网络如图1所示。

图1 动态LC型阻抗匹配网络

1.2.2 使用复合式频率跟踪技术实时跟踪频率

压电超声换能器不能随谐振频率改变而变化，导致驱动电路和功率放大电路的损耗加大、品质下降的问题，采用锁相环和PID 算法结合的频率跟踪技术，其原理框图如图2。

图2 复合式频率跟踪技术原理框图

2.基于STM32的便携式超声波理疗仪的设计与实现

2.1总体设计方案

本文研究的基于STM32 的便携式超声波理疗仪主要应用于家庭理疗，患者可以自己独立完成，由于体积小重量轻，在出差或旅游途中也可以携带，随时随地治疗，实现工作和治病二不误。其总体设计方案如图3所示，超声信号发生器通过STM32 微控制器产生超声激励信号，放大器将激励信号放大，放大后的激励高频微波信号通过阻抗匹配网络均能传递至负载点，超声换能器利用自身的逆电压效应将超声激励信号转换为机械能，最后驱动负载，理疗仪有以下四个主要模块。

图3 超声波理疗仪整体设计方案

①频率跟踪模块：该模块负责监测超声压电换能器的谐振频率和固有频率是否一致。

②阻抗匹配网络模块：当超声波理疗仪工作时，超声换能器整体呈现容性负载特性，如果在信号发生器和换能器之间不加入任何匹配网络，超声波理疗仪整体功率损耗很大，达不到最高转换效率。

③信号采样电路模块：该模块负责采样超声换能器的电流和电压信号。

④功率放大模块，此模块的放大器用于放大驱动电路产生的超声激励信号，产生可以驱动超声换能器的激励信号。

2.2硬件系统总体设计

超声波理疗仪的硬件系统主要包括微控制和电源电路，本文设计一种适合家用的便携式超声理疗仪，简化人机交互模块，超声理疗仪在低功耗的前提下，尽可能体积小、成本低，超声波理疗仪硬件系统总框图如图4所示。

图4 基于STM32的便携式超声波理疗仪硬件系统总框图

控制器和信号发生模块相连，用于控制理疗仪输出激励信号；阻抗匹配电路实现压电换能器调谐和变阻；信号采样检测电路用于采集和检测电流和电压；频率跟踪模块用于调节换能器的谐振频率，提高超声波理疗仪整体的声电转换效率；人机交互模块用于显示档位和充电的状态；过压过流保护模块用于检测外围电路的温度和电流，达到保护电路的作用；峰值检测电路用来检测电路信号的峰值，确保输出电压保持最大峰值。

2.3 STM32微控制器的设计与实现

微控制器是整个便携式超声波理疗仪的核心，需要综合功耗大小、成本高低、体积大小、操作难度和运行速度等因素。为研制一种低成本和体积小的便携式超声波理疗仪，要考虑综合芯片的功耗大小，设计难易程度和运行速度快慢等因素，本文采用低功耗的STM32L151C8T6 的MCU 控制器。该微控制器ROM的大小为64K，RAM 的大小为10K，EEPROM 的大小为4KB，具有两个I2C、两个SPI、三个USART 和一个USB 接口，最高工作温度可达85℃，重量仅为181.7mg，有10 个定时器和8MHz 的系统时钟，微控制器和人机交互模块，采用的微处理器的电路原理图如图5所示。

图5 微处理器的电路原理图

3.造型设计与性能评估

3.1便携式超声波理疗仪的性能评估指标

根据国家医学超声脉冲治疗仪的设计标准和全国医疗电器标准，本文拟研制的便携式超声波理疗仪，性能评价指标有如下六个：

①超声波输出中心频率：1MHz±10%；

②超声波的输出功率：在0.5-1W之间且可调；

③超声波有效强度在200-400mW/cm2之间且可调；

④超声波理疗仪声电转换效率40%；

⑤超声波理疗仪整体转换效率41%；

⑥超声波的样板机长不超过130mm，宽不超过120mm，高不超过100mm，探头直径不超过20mm。

3.2便携式超声波理疗仪的外观设计

考虑到功效、成本、便利等因素，研制的便携式超声波理疗的样机正反面如图6、图7。考虑到用户的实际需要，制作两种不同材质的探头，半径为10mm凹型压电陶瓷片和平面压电陶瓷片，外观、性能达到指标要求。

图6 便携式超声波理疗仪及探头正面图及大小尺寸

图7 便携式超声波理疗仪及探头背面及接口

4.结束语

本文针对现在市场上超声波理疗仪体积大、价格高、能量转换低等问题，提出了采用动态的LC 阻抗技术和复合式频率跟踪技术。本文研究的总体设计方案、微控制器、算法等都在超声波理疗仪的模拟设备上测试并基本达到设定的目标，对便携式理疗仪的家用推广有较好的现实意义。