榮華 王選 朱承志

摘 要：介紹了一種基于STM32控制的肌電誘發(fā)康復(fù)器的恒流源設(shè)計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)電流的步進(jìn)可調(diào)控制，電流調(diào)節(jié)范圍：0～3 000 mA。恒流電源系統(tǒng)包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)，硬件系統(tǒng)以控制器STM32為核心，由恒流輸出模塊、PWM驅(qū)動(dòng)模塊、信號(hào)處理模塊、AD采集模塊、按鍵模塊、串口通信模塊構(gòu)成；軟件系統(tǒng)通過(guò)PI調(diào)節(jié)反饋控制，對(duì)電流進(jìn)行PWM輸出驅(qū)動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)了設(shè)定的電流值準(zhǔn)確、穩(wěn)定輸出，同時(shí)具有精度高、穩(wěn)定性好和成本低等特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：恒流源；PI反饋調(diào)節(jié)；STM32微控器；PWM輸出

中圖分類(lèi)號(hào)：TH79? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? 文章編號(hào)：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(chǎng)合經(jīng)常使用，比如企業(yè)研發(fā)產(chǎn)品時(shí)、高校實(shí)驗(yàn)室科研與教學(xué)實(shí)驗(yàn)時(shí)，在產(chǎn)品中也被廣泛應(yīng)用，例如在數(shù)字醫(yī)療設(shè)備中直流電源也常被使用。當(dāng)前，雖然市面上有很多數(shù)控直流電源，但是市場(chǎng)上既采用STM32作為肌電誘發(fā)康復(fù)器的控制器，又采用STM32控制進(jìn)行恒流輸出的產(chǎn)品較少[1]。目前的狀況是或者性能單一，或者功能齊全但價(jià)格昂貴，因此，研發(fā)一種精度高、功能強(qiáng)、成本低的基于STM32的數(shù)控肌電誘發(fā)康復(fù)器的恒流電源具有現(xiàn)實(shí)意義，可以兼顧性能和成本。

1? ? 性能指標(biāo)與總體設(shè)計(jì)方案

根據(jù)肌電誘發(fā)康復(fù)器的系統(tǒng)要求，采用STM32數(shù)控恒流源設(shè)計(jì)具有如下性能指標(biāo)：

可調(diào)參數(shù)：電流值。

可調(diào)范圍：電流0～3 000 mA。

可調(diào)精度：電流設(shè)定值和實(shí)際值相對(duì)誤差為±5%。

工作方式：具有步進(jìn)“+” “-”調(diào)整功能，步進(jìn)≤10 mA，按鍵設(shè)置輸出值。

系統(tǒng)總體組成框架圖如圖1所示。

本肌電誘發(fā)康復(fù)器設(shè)備第一路ADC監(jiān)控肌電信號(hào)的電壓值，即根據(jù)采集的肌電電壓信號(hào)，經(jīng)高輸入阻抗的隔離放大器進(jìn)行放大，并進(jìn)行低通濾波后，送入STM32控制器內(nèi)置模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，得到數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)數(shù)字濾波、運(yùn)算處理，最終得到肌電信號(hào)值。第二路ADC監(jiān)控恒流電源輸出，將電流采集電路采集的信號(hào)進(jìn)行放大，送入STM32控制器進(jìn)行ADC數(shù)據(jù)采集，并將得到的數(shù)據(jù)用于反饋PI調(diào)節(jié)控制，輸出PWM控制波給驅(qū)動(dòng)電路，從而形成閉環(huán)反饋恒定電流控制。

2? ? 主要模塊的實(shí)現(xiàn)方案

2.1? ? 核心處理器選擇

STM32微控制器（MCU）是意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的，主要應(yīng)用于項(xiàng)目要求運(yùn)算速度比較快、主頻較高、實(shí)時(shí)性好的中高端市場(chǎng)。本設(shè)計(jì)使用的是一款采用高性能ARM Cortex-M3處理器內(nèi)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(gè)12 bit的ADC轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換范圍0～3.6 V；64 kB SRAM和256 kB FLASH；多達(dá)11個(gè)通用16位定時(shí)器，其中4個(gè)PWM定時(shí)器等片內(nèi)資源。

2.2? ? PWM驅(qū)動(dòng)與采樣模塊

采用N溝道金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管（NMOS）作為恒流源的開(kāi)關(guān)管。由單片機(jī)控制輸出PWM波電壓控制信號(hào)[2]，通過(guò)BUCK降壓電路輸出所需電流值。

PI調(diào)節(jié)[2]與驅(qū)動(dòng)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(fā)康復(fù)器的恒定電流源輸出部分采用一片八選一的多路模擬開(kāi)關(guān)CD4051實(shí)現(xiàn)量程切換，使輸出放大倍數(shù)有8種選擇，方便電路自動(dòng)調(diào)節(jié)控制。STM32通過(guò)引腳PA0、PA1、PA2對(duì)其通道進(jìn)行選擇控制，從而實(shí)現(xiàn)量程自動(dòng)切換。將該電路作為放大器LM358的反饋通路進(jìn)行放大倍數(shù)調(diào)整，經(jīng)過(guò)LM358其中的一個(gè)運(yùn)算放大器組成的電壓跟隨器后，對(duì)電路起到隔離緩沖作用，從而使進(jìn)入STM32中的A/D轉(zhuǎn)換信號(hào)更合理。量程切換與放大電路如圖3所示。

2.4? ? PWM驅(qū)動(dòng)控制仿真電路

脈沖寬度調(diào)制PWM（Pulse Width Modulation）控制輸出開(kāi)關(guān)管的通斷時(shí)間，給后級(jí)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(kāi)關(guān)管構(gòu)成。用5 Ω水泥電阻模擬負(fù)載，經(jīng)過(guò)0.1 Ω采樣電阻給LM358運(yùn)放進(jìn)行一級(jí)同向放大，放大倍數(shù)約為6。PWM驅(qū)動(dòng)仿真控制硬件電路如圖4所示。

3? ? 軟件設(shè)計(jì)

采用三個(gè)按鍵作為人機(jī)交互輸入，按鍵1是恒流輸出控制按鍵，實(shí)現(xiàn)對(duì)恒流輸出啟動(dòng)和停止控制；按鍵2是恒流步進(jìn)增加鍵，按鍵3是恒流步進(jìn)減少鍵。

根據(jù)電路原理圖電路板接入的負(fù)載電阻為5 Ω，加上采樣電阻0.1 Ω，根據(jù)歐姆定律計(jì)算求得輸出電流的可調(diào)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(duì)STM32的PWM、ADC、GPIO等相關(guān)片內(nèi)外設(shè)進(jìn)行初始化，并設(shè)置目標(biāo)電流值。

然后，啟動(dòng)定時(shí)器TIM的PWM功能，通過(guò)配置寄存器設(shè)置PWM不同占空比。

通過(guò)檢測(cè)按鍵觸發(fā)事件，主要檢測(cè)降低電流按鍵、提高電流按鍵和停止電流按鍵的觸發(fā)，檢測(cè)程序進(jìn)行對(duì)應(yīng)調(diào)整。

最后，完成ADC采樣輸出，這一過(guò)程中對(duì)采樣電壓轉(zhuǎn)化得到的電流值與目標(biāo)電流值進(jìn)行對(duì)比，若結(jié)果有較大偏差需進(jìn)入反饋程序進(jìn)行PI反饋調(diào)節(jié)校正，從而通過(guò)調(diào)整PWM占空比來(lái)減小偏差，直至兩者對(duì)比一致或者誤差（error）在所允許的精度范圍內(nèi)[4-5]。

4? ? 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

實(shí)際肌電誘發(fā)康復(fù)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(shí)際測(cè)量值與理論值的相對(duì)誤差不超過(guò)±5%，滿足測(cè)量的精度要求。

STM32的PWM占空比取值范圍0～100%，對(duì)應(yīng)寄存器設(shè)置的值域?yàn)?～1 000，即步進(jìn)10表征1%的占空比。信號(hào)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(guān)系如圖6所示。

5? ? 結(jié)束語(yǔ)

本肌電誘發(fā)康復(fù)器的恒流源設(shè)計(jì)，采用STM32F-

103VCT6的微控制器，利用其內(nèi)部集成的A/D模塊中的兩路模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。對(duì)數(shù)控恒流電流源進(jìn)行程序功能測(cè)試，分析測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)，考慮器件實(shí)際溫漂的影響，通過(guò)數(shù)據(jù)擬合方法以及程序的PI反饋校正功能，設(shè)置目標(biāo)電流值，能得到較好的輸出電流質(zhì)量。同時(shí)，該恒流源對(duì)測(cè)量參數(shù)具有顯示、數(shù)據(jù)上傳等功能。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，該康復(fù)器的恒流源輸出具有測(cè)量精度高、穩(wěn)定性好、體積小、成本低、便于攜帶等優(yōu)點(diǎn)，大眾家用前景很好。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 張紅賓，李曉晨，趙二剛，等.基于STM32的便攜式數(shù)控直流電源設(shè)計(jì)[J].實(shí)驗(yàn)室科學(xué)，2019，22（3）：53-56.

[2] 李貴嬌，魯爭(zhēng)艷，李金寶，等.一種可PWM調(diào)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(guó)，等.基于寬范圍恒壓源的恒流源設(shè)計(jì)[J].科學(xué)技術(shù)創(chuàng)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(tǒng)設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，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(yīng)用[J].通信電源技術(shù)，2014，31（1）：5-7.

收稿日期：2024-01-29

作者簡(jiǎn)介：榮華（1987—），男，湖南株洲人，碩士，工程師/實(shí)驗(yàn)師，研究方向：醫(yī)用電子儀器、康復(fù)設(shè)備設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)。

通信作者：朱承志（1976—），男，湖南株洲人，碩士，副教授，研究方向：醫(yī)用電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)與高職教育。

基金項(xiàng)目：2022年度湖南省教育廳科學(xué)研究項(xiàng)目“研究一種基于肌電信號(hào)+物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的穿戴式康復(fù)仿生設(shè)備”（22C1296）；2023年湘潭市科技計(jì)劃項(xiàng)目“基于皮膚表面肌電信號(hào)驅(qū)動(dòng)的肌肉康復(fù)器設(shè)計(jì)”（CG-ZDJH20231017）