李聪 谷梦雨 周兴 温大可 滕祥凯 陈雯鹏
天津工业大学 工程实训中心，天津市，300387
摘要：为解决传统电疗仪信号不稳定、不智能等问题，利用DDS产生频率可控的基频，利用STM32产生精确的调制信号，实现对中频电疗仪精准的控制，并通过wifi将嵌入式平台连接至云端，开发微信小程序实现对中频诊疗仪的控制及监测。经实验验证，该方案可实现稳定、智能的中频诊疗，符合标准要求。
关键字：电疗，中医学，STM32F405，AM调制，数据库
Abstract：In order to solve the problems of unstable and unintelligent signals of traditional electrotherapy devices, DDS is used to generate a frequency-controllable base frequency, and STM32 is used to generate precise modulation signals to achieve precise control of the intermediate frequency electrotherapy device. The embedded platform is connected to the embedded platform via wifi. On the cloud, develop a WeChat applet to control and monitor the IF diagnosis and treatment instrument. Experiments have verified that the program can realize stable and intelligent IF diagnosis and treatment, which meets the requirements of the standard.
Keywords: electrotherapy, traditional Chinese medicine, STM32F405, AM modulation, database
1. 引言
中频诊疗是应用被低频电流调制后的中频电流来治疗疾病的仪器。由于技术不先进，使用模拟电路产生频率可控、幅值可调的中频诊疗信号，该方法会导致频率漂移、频率变化不准确、幅值不精确的问题。同时，控制方式缺少人体工学设计，无反馈信息，无法通过互联网、物联网技术进行控制和检测，存在智能化程度低的问题。
2013年，史蕊[1]等人利用ARM技术设计了一款脉冲诊疗仪，解决了治疗波形较为单一，治疗强度不易控制等问题，其中的波形放大电路设计对中频诊疗仪的设计有启示作用；
2016年，郑楷[2]等人设计了嵌入式中频电疗仪，解决了设备操作复杂，智能化程度不高等问题，其中关于物联网方面的设计对中频诊疗仪的设计有理论上的指导。
考虑到患者使用的便捷性，选择将这一产品与物联网应用结合，将微信与嵌入式平台结合，实现对中频电疗仪精准便捷的控制，并且能够随时随地调节治疗时间，治疗类型与治疗强度等等，将硬件电路板集成化，减少其芯片数量与走线长度，达到减少辐射的目的。此外，产品还使用了数字式频率合成器（DDS）技术，降低了整体的设计成本与功耗。另外，当用户使用完毕产品后，我们会对用户的使用情况进行评价，以便对于产品的升级与漏洞的修正。
2. 系统设计
2.1 整体设计方案
通过电阻屏或微信公众平台向STM32F405发生指令，从而控制单片机产生制定频率的调制信号，并驱动DDS频率合成器产生一个4k频率的信号，经过LM358放大后滤除杂波，利用MC1496乘法器模块将经过滤波的4k信号与调制信号相乘，再经过一级放大后接入CD4053的三通道数字控制端，该控制端可以用旋钮控制电压大小。将输出的信号经过功放模块进一步放大后通过两个电极贴片接入患者的皮肤表面，根据医生所开处方，将电极片贴在患者指定的穴位上。
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图1 系统设计流程图
2.2 硬件设计
本作品的硬件部分由电源模块、DDS频率合成器模块、信号滤波及放大、乘法器模块等部分组成，主控芯片为STM32F405，系统硬件框图见图2。
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图2 系统硬件设计基本思路框图
2.2.1 电源模块
在整个系统中，输入220v交流电通过变压器，分别输出8.5v交流电和13.5v交流电给二级电源模块，最后输出正负12v和正负5v的直流电给信号发生及控制模块的各功能模块供电，其中信号发生及控制模块中的AMS1117将5v转为3.3v给STM32F405供电。电源模块通过输入整流滤波器一般可以适配交流85-265V或直流100-370V的输入电压范围，频率有47-400Hz选择，常规一般为50/60Hz。因为它具有小体积、高集成度、高性价比和最佳性能指标，只需要最简的外围电路，配上少量分立式元件即可使用。并且拥有高效率、高可靠性、设计灵活等优点，现已成为开发设计中小功率开关电源的优选集成电路。?
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图3 执行机构电源模块原理图
2.2.2 DDS频率合成器模块
用AD9832芯片设计的DDS模块，DDS模块中的相位累加器可在每一个时钟周期来临时将频率控制码所决定的相位增量Δphase累加一次，如果记数大于2N，则自动溢出，而只保留后面的N位数字于累加器中。正弦查询表ROM用于实现从相位累加器输出的相位值到正弦幅度值的转换，并根据输入到正弦查询表ROM的相位值取出ROM中与其对应的数字量，然后送到DAC中将其转变为模拟量，最后通过滤波器输出一个很纯的正弦波信号。
其输出频率fout与时钟频率fclk及频率控制码决定的相位增量Δphase有关。可用下式算出：
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图4 直接数字频率合成器模块
2.2.3信号的滤波及放大模块
通过两个LM258运算放大器分别设计中频信号放大器和滤波器，先将DDS模块输出的中频信号放大，然后滤除杂波，得到一个放大后的频率为4k，允差为10%的信号。中频放大器主要是将混频器输出的信号进行大幅度提升,以满足解调电路的需要。其主要质量指标有：电压增益、通频带、选择性，即矩形系数、噪声系数。对于中频放大器，不仅需要得到高的增益、好的选择性，还要有足够宽的通频带和良好的频率响应、大的动态范围等。
滤波器主要功能是对信号进行处理，保留信号中的有用成分，去除信号中的无用成分。一般的当我们接收到一个信号的时候，它并不是可以被我们直接观察和分析的，而是只有在通过一定的电路使之进行放大、滤波、整形输出以后，才可以变成是让我们可以进行分析和观察的处于稳定状态的信号。所以说对于一般的信号，必须经过有整流电路、滤波电路、放大电路组成的功能模块以后才会变成是对人类观察研究有益的信号。
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图5 中频信号放大电路
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图6 滤波电路
2.2.4乘法器模块
运用MC1496搭建的乘法器电路，可以将中频信号与STM32F405单片机输出的固定频率调制信号进行乘法运算。在多路数据传送的过程中，能够根据需要将其中的任意路选出来，这样我们就可以根据实际情况的需要将我们需要的通道选择出来。
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图7 乘法器及多路开关选择模块
2.3. 软件设计
2.3.1 主控制器程序设计
本系统中，主控制器主要实现了通过驱动AD9832芯片产生一个4kHz的中频信号，经过滤波放大，与单片机本身产生的调制信号通过MC1496乘法器相乘，得到AM调制波，在经过功放模块得到最终的治疗波，最后通过两对电极片作用在人体皮肤表面。
STM32程序部分由AD9832数字频率合成器模块，MC1496乘法器模块，串口屏幕模块组成。由AD9832产生一个4KHZ信号，与单片机本身的调制信号相乘，得到AM调制波。再通过处方对于AM调制波进行相应的算法处理。此外还实现与串口屏的通信，显示治疗的时间与强度。
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图8 STM32程序流程图
2.3.2 数据库及手机无线操控电疗仪设计
云服务器模块主要使用微信作为驱动工具，关注微信公众平台，输入指令即可控制诊疗仪。首先使用GPRS模块将单片机的数据发送新浪云域名上。进入微信公众号后，发出打开微信中频诊疗仪命令后，治疗仪也将打开，并且可以输入诊疗的处方时间与治疗的强度。在治疗结束后用户可以评价此次治疗的感受分为好中差三个等级，用户的评价等级会上传到云数据库中，方便对于产品的升级与进行用户的反馈工作。
云服务器与微信订阅号服务器通信原理如图 9所示，手机微信发送命令给设备，首先要把数据上传 到微信订阅号服务器，订阅号服务器与云服务器建立
连接，然后把数据通过云服务器传送到设备中。手机微信、订阅号服务器与云服务器采用 HTTPS 连接方式，云服务器建立的 HTTPS 与订阅号建立的 HTTPS 服务器相连接，监听数据传输端口。
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图9 云服务器通信和微信订阅号通信图
3. 实验及结果分析
实验使用RIGOL DS4052示波器进行波形测量。将电疗仪系统接通220v交流电源，通过电源变压模块给系统各个子模块供电，电疗仪开始工作，将A通道输出接入示波器，通过控制电阻屏或者微信平台来设置电疗仪各项初始参数，测量其各项指标，示波器测试图如10所示，操作屏幕如图11所示。
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为验证该波形的准确性，实验设计A、B两路分别输出参数固定的波形，其中，A波的干扰差频为10Hz，调制频率100 Hz，B波干扰差频138Hz,通过示波器测量，实际测量的A波干扰差频为9.9Hz，误差为1%，实际测量的调制频率为99.2%，误差为0.8%，实际测量的B波得干扰差频为137.2，误差为0.2%。由此可知，输出波形的误差均小于1%，符合产品需求。
4.结束语
本文使用了数字式频率合成器（DDS）技术，解决了信号不稳定的问题。基于物联网的中频诊疗仪将微信与嵌入式平台结合，实现对中频电疗仪精准便捷的控制，并且能够随时随地调节治疗时间，治疗类型与治疗强度等等，智能化程度较高。将硬件电路板集成化，减少其芯片数量与走线长度，达到减少辐射的目的。另外，当用户使用完毕产品后，会对用户的使用情况进行评价，以便对于产品的升级与漏洞的修正。系统稳定、 操作简单、价格低廉，具有一定的推广应用的价值。
参考文献：
[1]史蕊.基于ARM系统的脉冲电疗仪设计[D].吉林大学,2013.
[2]郑楷.嵌入式中频电疗仪设计与关键技术研究[D].北京工业大学,2016.
[3]徐肖鲸.智能体控经络电疗仪的研发[D].青岛理工大学,2018.
[4]王登科.基于ARM的便携式生物电疗仪[D].西北工业大学,2007.
[5]杨飞,钟蕾,焦立公,刘东红.北京市医疗机构中频电疗仪使用情况调查报告[J].中国医疗设备,2016,3112:124-127+130.
[6]戴丹,王朝,吴磊,段新安,马飞.超短波电疗仪基本原理与检修[J].中国医学装备,2013,1009:110-111.
【作者简介】
李聪（1999—），男，汉族，河南周口人，在读本科生，主要研究方向：嵌入式，物联网；
谷梦雨(2000—)，女，汉族，山东滨州人，在读本科生，主要研究方向：金融学；
周兴（2000—），男，汉族，安徽芜湖人，在读本科生，主要研究方向：电子信息科学与技术；
温大可（1999—），男，汉族，甘肃兰州人，在读本科生，主要研究方向：电子科学与技术；
滕祥凯（2000—），男，汉族，山东日照人，在读本科生，主要研究方向：通信工程;
陈雯鹏（2000—），男，汉族，安徽省马鞍山人，在读本科生，主要研究方向：自动化;