李宏達，李 昊，王超明，薛宸浩，劉 健

（1.沈陽理工大學 裝備工程學院，遼寧 沈陽110159；2.沈陽東科拉科技有限公司，遼寧 沈陽110000；3.南通大學，江蘇 南通226000）

恒流脈沖電信號源，即輸出電流為電流大小恒定的脈沖電流。由于電流類型為脈沖電流，使得在電路中，脈沖的幅度不會隨負載大小的變化而變化。作為一種常見的電子儀器脈沖電流源被廣泛地應用于電子電路、教學實驗和科學研究等領域。目前使用的大部分脈沖電流源因為其組成部分由分立元件構成，所以存在空間利用率低、效率低、可信度低、運行流程復雜、易自損等缺陷，因而導致故障率高[1-3]。隨著單片機技術不斷地向更高點攀登，人們對以單片機為核心控制的數控電流源研究越發(fā)深入。由于STM32微處理器具有計算和控制等特點，數控電流源具有數字反饋、靈活易調及可視性好等特點，所以以單片機系統(tǒng)為核心而設計制造出來的新一代脈沖電流源電路簡單、結構緊湊、價格低廉[4-6]。其可以快速準確處理各種采樣數據，然后把指令輸出到對應的控制電路，以至于由干擾信號引起的輸出電流的波動能夠被很好地抑制，從而使電路對電流的控制精度進一步提升。

1 恒流脈沖電信號源原理分析

恒流脈沖源以恒定電流產生電路為基礎，通過使用STM32微處理器作為控制核心，其輸出為恒定值的電脈沖信號。閉環(huán)控制模式為該電路的控制模式，同時在恒定電脈沖信號產生電路中對實時采集到的電流進行處理得到控制信號，從而控制輸出端產生恒定電脈沖信號。閉環(huán)控制模式使輸出電流紋波幅度降低以及數量減少。微控制器采用嵌入式STM32微處理器，通過PWM控制調節(jié)占空比的方法來調節(jié)電流，脈沖發(fā)生單元由電流源和功率放大等電路模塊組成實現將電壓轉換為電流，可以產生0~5mA的矩形可調脈沖電流，且該電流大小不隨負載的改變而變化。

2 硬件電路圖設計

恒流脈沖電信號源共分為以下幾個部分：單片機控制部分、運算放大電路部分、電脈沖信號產生部分、激勵部分、報警部分以及人機交互部分。恒流脈沖電信號源系統(tǒng)硬件設計如圖1所示。

圖1 硬件設計方案

2.1 單片機控制模塊

本設計主要利用單片機STM32F103引腳，與顯示模塊、按鍵模塊、電壓升壓模塊、反饋模塊以及其他模塊的元器件相連接，完成單片機的主控制功能，從而使其他各模塊電路相互連接，使預設功能順利實現。通過軟件程序設置單片機各引腳的功能，來改變脈沖信號的頻率和占空比；PWM輸出接OP07放大器構成的電壓跟隨器，用作隔離電路，保護單片機。

2.2 電源穩(wěn)壓模塊

2.2.1 供電芯片

該恒流脈沖電信號源采用外部5V直流外部電源供電，外部電源輸入的電壓通過線性電源穩(wěn)壓模塊進行穩(wěn)壓，進而得到持續(xù)穩(wěn)定的輸入電壓。此電源穩(wěn)壓模塊采用了ME6211-33芯片作為穩(wěn)壓芯片，同時擁有高紋波抑制率、低功耗、較低內阻、超快響應的特點。

ME6211-33供電芯片具有以下幾個方面的特點：高精度輸出電壓，其精度誤差范圍在±2%以內；輸出電壓可以以0.1V的步長從2.0V逐步增加到5.0V；較低的輸入輸出電壓差，可以在輸入/輸出為0.2V/80mA或0.4V/160mA這兩種狀態(tài)中選擇；輸入穩(wěn)定性好，平均誤差在0.05%/V以內。ME6211-33供電芯片原理圖如圖2所示。

圖2 ME6211-33供電芯片原理圖

2.2.2 24V穩(wěn)壓電路

為了對LM324芯片所構成的反饋放大模塊進行供電，需要一個能夠提供+24V的電源單元。此單元采用了LM7824芯片作為穩(wěn)壓芯片，濾除高低頻噪聲和去耦合等問題可以在穩(wěn)壓芯片附近配合電容值330μF、10μF和0.1μF的旁路電容，從而使24V直流電壓穩(wěn)定輸出。24V穩(wěn)壓電路原理圖如圖3所示。

圖3 24V穩(wěn)壓電路原理圖

2.2.3 5V穩(wěn)壓電路

為了給輸出端供電，需要一個電源提供5V的電壓。電源單元采用LM7805芯片作為穩(wěn)壓芯片，穩(wěn)壓芯片周圍排布的旁路電容是用來濾除穩(wěn)壓芯片高頻噪聲和去耦合的，實現5V電壓的穩(wěn)定輸出。LM7805芯片集成度高，在電子制作中得到廣泛使用。其電路原理圖如圖4所示。

圖4 5V穩(wěn)壓電路原理圖

2.2.4 36V電源電路

此電路用于提供一個穩(wěn)定的36V電壓。通過外部探針構成兩個輸出端，并形成電壓差從而同人腦形成閉合回路，此時人腦作為負載接入回路。此電源單元還使用了二極管和+47μF的電容，用以通交流阻直流，從而配合STM32單片機的數/模轉換器實現脈沖調節(jié)。36V穩(wěn)壓電路原理圖如圖5所示。

圖5 36V穩(wěn)壓電路原理圖

2.3 脈沖產生模塊

此模塊采用TC4426雙高速驅動芯片作為脈沖驅動，分別與MCU芯片和兩個輸出端相連，通過接收STM32單片機輸出的指令控制電路的斷開與閉合，TC4426芯片工作電流最高可達1.5A，最高可以承受0.5A的反向電流，工作電壓在4.5V-18V之間，能夠經受最高5V的反向輸入電壓，具有鎖定保護功能，常使用于開關式電路、脈沖變壓驅動電路等中。TC4426脈沖產生模塊原理圖如圖6所示。

圖6 TC4426脈沖產生模塊原理圖

2.4 運放電路模塊

為了能夠產生恒定的脈沖電信號，故采用模糊PI電壓閉環(huán)反饋控制。電流通過MCU以可調頻率輸出的PWM控制模擬電子開關，實現了恒流源變成了脈沖源，脈沖源經過控制場效應管CMOS 4的開和關實現電流控制，可調幅值可控頻率的脈沖電流源。具體設計圖如圖7所示。

圖7 運放電路模塊原理圖

CMOS管在放大區(qū)工作時，它的漏極-源極電流始終保持為一個定值，并且柵-源極電壓控制其強度，所以只要設法使CMOS管工作在放大區(qū)，就可以達到恒流控制，并且通過改變柵-源極的電壓就可以改變控制電流的大小。AO3400型號的CMOS管為N溝道管，結合了先進的溝槽MOSFET技術與低電阻封裝技術，可以提供極低的RDS，適合作為負載開關或在PWM應用。因此選擇AO3400 N溝道CMOS管作為開關管。

2.5 脈沖產生模塊

此模塊采用3.5mm耳機孔作為負載輸出，與MC14052B多路復用器直接相連，并設置一個采樣電阻，起到采樣對比反饋的作用。MC14052B工作的電源電壓范圍為3.0V-18V，能傳輸20V以下的A/D信號。常用在AD轉換電路的前級，做多路模擬信號的輸入切換，具體設計圖如圖8所示。

圖8 脈沖產生模塊原理圖

MC14052B的控制端由兩個CMOS管實現，兩個CMOS管的開/關進行控制，分別實現不同功能。

2.6 電源穩(wěn)壓模塊

采用BC817型號的NPN三極管組成步進升壓電路，用于將VCC電壓從9V升壓成15V，具體示意圖如圖9所示。

圖9 電源模塊原理圖

3 軟件方案設計

3.1 軟件控制流程

軟件平臺采用Keil μ Vision5集成開發(fā)環(huán)境，使用C語言進行編譯，采用ST-LINK進行程序的下載與調試。主要通過對STM32系列MCU進行編程，設定好輸出的電流、電壓強度，脈沖的頻率等參數，通過脈沖產生模塊輸出一個穩(wěn)定的脈沖電流，通過外部電極形成回路，進而產出電刺激。通過設置中斷進行反饋補償，進而進行下一步的參數設置和調整。如圖10為MCU初始設置框圖。

圖10 MCU初始設置框圖

3.2 模糊PI控制器設計

模糊PI控制器是利用模糊規(guī)則，根據偏差e和偏差變化率ec的變化實時調整PI的兩個增益參數kp、ki，從而使整個系統(tǒng)的動靜態(tài)性能進一步得到提升。其控制器結構框圖如圖11所示。

圖11 模糊PI控制器結構框圖

圖11 所表示的模糊PI控制器e和ec為控制器的兩個輸入變量，經過模糊控制輸出表調整過的2個PI參數Δkp、Δki為兩個輸出變量。本文模糊子集的隸屬函數為三角型隸屬度函數[7]，用重心法[8]進行解模糊。其中e、ec、Δkp、Δki的模糊子集{NB，NS，ZO，PS，PB}，子集中的元素分別對應負大、負小、零、正小、正大。設輸出電流設定值與檢測值之間的差值為e，差值變化率為ec，輸出控制量為U且其基本論域為-2%~2%，由此可得量化論域為[-2，2]。

根據恒流脈沖電信號源特性以及控制要求，建立模糊規(guī)則應滿足以下要求：

（1）在輸脈沖電流誤差e<0的情況下，當e值為NB時，若誤差變化率ec<0，為了消除并抑制誤差e的值增大，所以取輸出控制量U為正大。

（2）在輸脈沖電流誤差e<0且誤差變化量ec>0的情況下，此時系統(tǒng)誤差處于低水平，所以想快速消除誤差同時保證不超調，此時的輸出控制量U為較小值。

（3）當系統(tǒng)接近穩(wěn)態(tài)時，輸出電流誤差e為NS，若誤差變化ec<0，則U>0導致抑制誤差向負方向發(fā)展；反之，若ec>0時，此時系統(tǒng)向消除負小誤差的趨勢發(fā)展，因此輸出控制量U為正小。

根據恒流脈沖電信號電源輸出電流誤差e和誤差變化率ec的相關聯性，以及二者對恒流脈沖電信號電源系統(tǒng)本身的影響，制作本文的模糊控制規(guī)則表，見表1。

表1 模糊控制規(guī)則表

式中，m為控制量的量化級數，g（vj）為控制量對應的隸屬度函數。k是指與模糊控制規(guī)則所對應的控制器輸出量U的參數值。

解模糊后得到控制量kp、ki，對PI控制器的比例增益及積分增益進行調整并完成PI控制器的參數整定。

4 恒流脈沖電信號源輸出實驗

為了驗證恒流脈沖電信號源對不同負載輸出電流的穩(wěn)定性，對此信號源進行放電實驗，搭建實驗平臺部分實物如圖12所示。實驗平臺主要由恒流脈沖電信號源、不同阻值的采樣電阻和示波器等器件構成。將示波器和萬用表分別接在負載及采樣電阻兩端，并實時記錄電流和電壓數值，最后進行相互比較，以確保負載和采樣電阻兩端的電壓和電流具有相應變化。負載兩端的脈沖電流波形如圖13所示。

圖13 示波器顯示負載兩端脈沖電流波形

為了保證所設計的恒流脈沖電流源的恒流作用，對于不同的負載，能通過調節(jié)電壓的變化使得電流不隨負載電阻的改變而變化，因此對于負載電阻的電流大小進行了測量，其測量結果如圖14所示，測量數據如表2所示。

圖14 不同負載的輸出電流值

表2 不同負載情況下的電壓值

從以上數據可知，對于不同負載，其輸出的恒流脈沖電信號始終保持在一個定值，且一組的恒流脈沖電信號值為5mA，另一組為3mA，可以證明加入模糊PI控制算法的系統(tǒng)，具有良好的穩(wěn)定性，符合實際應用系統(tǒng)要求。

5 結束語

本文針對恒流脈沖電信號源控制策略進行研究，對恒流脈沖電信號源的工作原理進行分析，發(fā)現原系統(tǒng)相當于一個開環(huán)，難以滿足其恒流源系統(tǒng)的穩(wěn)定性，因此模糊PI控制法由此提出。通過實驗對模糊PI控制方法進行研究分析得出，與原系統(tǒng)相比系統(tǒng)超調量有明顯減少，輸出性能受到的影響大大降低，從而使系統(tǒng)工作更加平穩(wěn)。使系統(tǒng)運行更加穩(wěn)定、可靠，從而提升了恒流脈沖電信號源的工作性能，能更好適應實際需求。