康復(fù)治療床的無(wú)線充電器設(shè)計(jì)

蔣求生 周姣

摘要： 康復(fù)治療床的心電、肌電信號(hào)等控制模塊采用鋰電池供電，鋰電池的充電采用無(wú)線充電方式，本文介紹了充電器的功能需求，分析了關(guān)鍵技術(shù)，闡述了充電器的設(shè)計(jì)方案，講解了電能發(fā)送部分、接收部分的構(gòu)成與工作原理，經(jīng)測(cè)試，本設(shè)計(jì)達(dá)到了預(yù)期的目的。

【關(guān)鍵詞】康復(fù)治療床 無(wú)線充電 鋰電池

康復(fù)治療床結(jié)合了智能護(hù)理床與康復(fù)機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)，具有頭部、腰部、四肢的運(yùn)動(dòng)康復(fù)治療功能，同時(shí)配置心電、肌電、血壓、血氧等控制模塊，實(shí)時(shí)監(jiān)控康復(fù)患者的電生理參數(shù)，可根據(jù)電生理參數(shù)調(diào)整康復(fù)治療成的工作狀態(tài)，達(dá)到最佳最安全最有效的康復(fù)運(yùn)動(dòng)治療效果。檢測(cè)模塊的用鋰電池供電，可避免采用電源適配器的接線多使用不便，避免可能漏電導(dǎo)致的安全問(wèn)題。鋰電池采用無(wú)線充電方式，可提高設(shè)備的使用便捷性，提高設(shè)備的性能。

1 需求分析

康復(fù)治療床的無(wú)線充電器主要用于給系統(tǒng)的電生理參數(shù)檢測(cè)模塊充電，涉及系統(tǒng)信號(hào)的采集、放大與計(jì)算處理，對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求高，不能影響控制模塊的信號(hào)檢測(cè)精度，不能對(duì)信號(hào)的檢測(cè)過(guò)程產(chǎn)生干擾，檢測(cè)模塊在患者進(jìn)行康復(fù)治療過(guò)程中佩戴，工作時(shí)間長(zhǎng)，要求系統(tǒng)對(duì)鋰電池充電時(shí)，要采用最佳的充電方式，提高鋰電池的使用壽命，提高產(chǎn)品的性能。系統(tǒng)的無(wú)線轉(zhuǎn)換效率達(dá)60%，充電電流大于500mA，另外充電器配備狀態(tài)指示以及安全保護(hù)電路。

2 設(shè)計(jì)原理

2.1 無(wú)線功率傳輸原理

按照無(wú)線電聯(lián)盟（WPC）制定的短距離移動(dòng)設(shè)備無(wú)線充電標(biāo)準(zhǔn)Qi，利用發(fā)射線圈與接收線圈耦合工作，發(fā)射線圈產(chǎn)生交變電流，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)原理，在線圈的周圍產(chǎn)生交變的磁場(chǎng)，將接收靠近發(fā)射線圈，接收線圈在交變的磁場(chǎng)中，線圈兩端將產(chǎn)生交變的電場(chǎng)，設(shè)計(jì)接收電路，就可以將發(fā)射端的電能傳遞到接收端。

2.2 功率傳輸系統(tǒng)控制原理

在Qi標(biāo)準(zhǔn)中，電能從發(fā)射端到接收端共分四個(gè)階段，即選擇、Ping、標(biāo)識(shí)配置、功率傳輸階段。選擇階段，功率發(fā)射器通過(guò)傳感器感知接收器是安放在充電平臺(tái)上，還是從平臺(tái)上取走，并智能識(shí)別是有效的功率接收器還是異物，識(shí)別成功則進(jìn)入下一階段；Ping階段，功率發(fā)射器啟動(dòng)功率傳輸65ms，在此時(shí)間內(nèi)等待功率接收器的反饋信號(hào)，根據(jù)反饋信號(hào)判別是否需要進(jìn)行充電，以及充電的參數(shù)，識(shí)別后進(jìn)入下一階段；標(biāo)識(shí)和配置階段，功率發(fā)射器提取接收器反饋參數(shù)，如果參數(shù)在功率發(fā)射器設(shè)定的范圍內(nèi)，發(fā)射器智能調(diào)整工作狀態(tài)，匹配接收器的要求，進(jìn)入下一階段；功率傳輸階段，功率發(fā)射器提供連續(xù)的功率輸出，同時(shí)檢測(cè)接收器的反饋信號(hào)，根據(jù)反饋信號(hào)調(diào)整發(fā)射器的工作狀態(tài)，如果已充滿電發(fā)射器就停止功率傳輸，進(jìn)入選擇階段。

3 具體設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

無(wú)線充電器由電源適配器、功率發(fā)射器、功率接收器以及負(fù)載構(gòu)成，如圖1所示。電源適配器采用市面上成熟的5V/2A的手機(jī)充電器，負(fù)載為鋰電池，功率發(fā)射器向功率接收器傳送電能，功率接收器向功率發(fā)射器傳送狀態(tài)信息。

功率發(fā)射器由直流穩(wěn)壓、高頻逆變器、反饋信號(hào)模塊、MCU控制器、諧振電容、發(fā)射線圈構(gòu)成。功率發(fā)射器首先將電源適配器提供的5V直流電壓進(jìn)行濾波穩(wěn)壓處理，MCU控制器產(chǎn)生Qi的標(biāo)準(zhǔn)頻率165KHz的信號(hào)控制高頻逆變器驅(qū)動(dòng)LC諧振回路，產(chǎn)生電能的輻射，發(fā)射線圈接收功率接收器發(fā)送的狀態(tài)編碼信息給反饋信號(hào)單元，反饋信號(hào)單元將調(diào)制信號(hào)解碼傳給發(fā)射器的MCU控制器，MCU控制器根據(jù)反饋信號(hào)調(diào)整發(fā)射器的工作狀態(tài)。

功率接收器由AC/DC轉(zhuǎn)換器、輸出電壓控制器、接收器MCU控制器、信號(hào)調(diào)制器、諧振電容、接收線圈構(gòu)成。LC諧振回路接收發(fā)射器傳送的電能，產(chǎn)生交流電傳給AC/DC單元轉(zhuǎn)換為直流電，接收器MCU控制器通過(guò)檢測(cè)鋰電池的狀態(tài)調(diào)節(jié)輸出電壓控制器產(chǎn)生符合負(fù)載性能充電電流、電壓。接收器MCU控制器產(chǎn)生信號(hào)控制信號(hào)調(diào)制單元驅(qū)動(dòng)接收器的LC回路產(chǎn)生接收器的狀態(tài)射頻信號(hào)傳送給功率發(fā)射器。

3.2 主要單元電路設(shè)計(jì)

3.2.1 MCU控制器

MCU控制器采用意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的STM8L超低功耗單片機(jī)，哈佛結(jié)構(gòu)，三級(jí)流水線設(shè)計(jì)，8K的閃存，1K的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，16MHz的晶振，32個(gè)中斷，16位高級(jí)控制定時(shí)器，16位通用定時(shí)器，8位基本定時(shí)器，5路10位ADC，支持UART、SPI、I2C總線，28個(gè)I/O，體積小，功耗低，功能強(qiáng)，用于識(shí)別信號(hào)，產(chǎn)生PWM，產(chǎn)生通訊基帶信號(hào)，控制電壓輸出等。

3.2.2 高頻逆變電路

如圖2所示，全橋逆變主電路在發(fā)射端MCU控制下，將+5V的直流電能轉(zhuǎn)化為165KHz的交流電能通過(guò)線圈以電磁能的形式傳給功率接收器，Tl、T2、T3、T4四個(gè)CMOS組成全橋逆變電路，Tl、T4分別接MCU的一組正負(fù)輸出端，T3、T2分別接MCU另一組正負(fù)輸出端。當(dāng)Tl、T4導(dǎo)通、T2、T3截至?xí)r，線圈Ll產(chǎn)生左+右.的電壓；當(dāng)Tl、T4截至、T2、T3導(dǎo)通時(shí)，線圈Ll產(chǎn)生右+左，的電壓，Tl、T2、T3、T4由MCU控制產(chǎn)生。

3.2.3 信號(hào)解調(diào)電路設(shè)計(jì)

如圖3所示，信號(hào)解調(diào)電路從功率發(fā)射器的線圈獲取從功率接收器發(fā)送的調(diào)制信號(hào)IN，將調(diào)制信號(hào)解碼后從OUT端輸出給MCU的ADC控制端進(jìn)行處理。信號(hào)解調(diào)電路包括檢波、電壓跟隨、放大、取出疊加分量取出信號(hào)四個(gè)階段。信號(hào)經(jīng)二極管Dl與電容Cl進(jìn)行包絡(luò)檢波，電容C2為耦合電容，用于隔離直流成分，Rl、R2用于產(chǎn)生2V的直流分壓疊加到Ul運(yùn)放LM324的輸入端，確保單電源供電的運(yùn)放，信號(hào)不失真，Ul輸出信號(hào)經(jīng)R3、03組成的濾波電路，濾除高頻分量，經(jīng)U2運(yùn)放放大，U2的輸出經(jīng)R6、C6構(gòu)成的濾波電路濾除高頻分量，R8、C7構(gòu)成2V的參考電路同構(gòu)U3運(yùn)放的反向端取出在Ul運(yùn)放中的直流分量2V，等到解調(diào)后的信號(hào)傳給MCU。

3.2.4 電壓及電流采樣電路

如圖4所示，電壓取樣電路的輸入來(lái)自功率發(fā)射器的LC諧振電路中間取樣Uin，Uin經(jīng)耦合電容Cl進(jìn)行隔直處理，Rl、R2構(gòu)成分壓電路對(duì)Uin進(jìn)行分壓衰減處理，再經(jīng)整流二極管Dl進(jìn)行整流，后經(jīng)RC濾波，將信號(hào)送至功率發(fā)射器的MCU的ADC端進(jìn)行處理與識(shí)別電壓信號(hào)。如圖5所示，電流采樣電路的信號(hào)來(lái)自功率發(fā)射器的0 05歐姆取樣電阻的電壓值，信號(hào)先經(jīng)Rl、Cl進(jìn)行阻容濾波器進(jìn)行濾波處理，后經(jīng)同相比例運(yùn)放進(jìn)行放大，再經(jīng)RC濾波電路進(jìn)行濾波，將信號(hào)送至功率發(fā)射器的MCU的ADC輸入端進(jìn)行信號(hào)的識(shí)別與處理。

4 測(cè)試

測(cè)試條件為電源識(shí)別器采用華為SV/2A的手機(jī)充電器，功率發(fā)射器采用本設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)樣品，功率接收器采用TI公司的BQ51013的無(wú)線充電器接收端。測(cè)試方法為在接收端皆不同的負(fù)載，測(cè)量功率發(fā)射端與功率接收端的電壓與電流，計(jì)算功率轉(zhuǎn)換效率，具體見表1。

5 結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)用于康復(fù)治療床的傳感設(shè)備的智能充電，設(shè)計(jì)采用STM8L作為系統(tǒng)的MCU進(jìn)行Qi標(biāo)準(zhǔn)的控制中心，沒有采用專用的Qi標(biāo)準(zhǔn)芯片作為系統(tǒng)的控制中心，因?yàn)椴捎肕CU編程具有更大的靈活性與可擴(kuò)展性，測(cè)試表明系統(tǒng)的充電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了66%，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期目標(biāo)。

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