基于頻率自動(dòng)跟蹤的便攜式超聲理療儀研制

王志成 龐宇 蔣偉 張博臻 趙鴻毅

（重慶郵電大學(xué)光電信息感測與傳輸技術(shù)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 重慶市 400065）

醫(yī)學(xué)研究表明，超聲波對(duì)治療慢性軟組織損傷具有顯著作用[1]。傳統(tǒng)的醫(yī)用超聲理療儀具有體積大，操作復(fù)制，不方便攜帶等缺點(diǎn)[1]。而家用超聲理療儀頻率跟蹤響應(yīng)能力弱，輸出功率不穩(wěn)定，精度低，并且不能實(shí)現(xiàn)的超聲波強(qiáng)度的動(dòng)態(tài)可調(diào)。由于外界環(huán)境的不確定性，當(dāng)超聲理療儀頻率跟蹤響應(yīng)能力弱時(shí)，換能器的諧振頻率非常容易發(fā)生漂移[4]。當(dāng)超聲理療儀工作在非諧振點(diǎn)時(shí)，不但電-聲轉(zhuǎn)化效率會(huì)大大降低，還會(huì)損害超聲理療儀本身。

為了實(shí)現(xiàn)超聲理療儀的智能化，理療儀不僅需要方便攜帶，還需輸出功率穩(wěn)定，聲強(qiáng)動(dòng)態(tài)可調(diào)，電-聲轉(zhuǎn)化效率高的高精度超聲波。

1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖1 為超聲理療儀系統(tǒng)框架圖，主要采用STM32 平臺(tái)搭建動(dòng)態(tài)匹配網(wǎng)絡(luò)，利用微控制器結(jié)合信號(hào)發(fā)生模塊產(chǎn)生超聲激勵(lì)信號(hào)，通過功率放大模塊調(diào)節(jié)后,連接阻抗匹配模塊進(jìn)行動(dòng)態(tài)阻抗匹配，驅(qū)動(dòng)凹型超聲陶瓷片產(chǎn)生頻率為1 MHz，四種不同強(qiáng)度的超聲波，同時(shí)采用頻率跟蹤模塊進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)。

1.1 電源模塊

電源模塊使用三個(gè)電壓系統(tǒng)：功率放大模塊（12V）、信號(hào)發(fā)生模塊（5V）、微控制器和人機(jī)交互模塊（3.3V）。如圖2 所示，為防止壓降過大，利用穩(wěn)壓芯片LM7805 把12V 電壓轉(zhuǎn)化為5V 為信號(hào)發(fā)生模塊供電。如圖3 所示采用低功耗穩(wěn)壓器TLV70033DCK將5V 電壓轉(zhuǎn)換為3.3v，為微處理器模塊供電。在低功耗穩(wěn)壓芯片TLV70033DCK 兩端分別連接一個(gè)2.2μF 的電容來減少雜波對(duì)電路的干擾。為進(jìn)一步減少理療儀的體積，采用QI 標(biāo)準(zhǔn)無線充電模塊為理療儀充電，電池采用12.6V 1800mAh 的可充電聚合鋰電池組，聚合鋰電池組體積僅為45 立方厘米。

1.2 信號(hào)發(fā)生模塊

信號(hào)發(fā)生模塊采用低功耗STM32L151 微控制器結(jié)合模糊控制器自適應(yīng)調(diào)節(jié)直接數(shù)字合成器（DDS）產(chǎn)生超聲激勵(lì)信號(hào)，通過整形濾波器電路和占空比調(diào)整電路可實(shí)現(xiàn)四種不用強(qiáng)度的超聲波輸出。為提高頻率轉(zhuǎn)化速度，DDS 電路采用AD9833 芯片，如圖4 所示。AD9833 信號(hào)產(chǎn)生芯片通過串行總線連接微控制器，時(shí)鐘源采用16MHz 有源晶振。超聲波頻率轉(zhuǎn)化速度快，精度高，輸出超聲波信號(hào)頻率的精度可以達(dá)到0.06hz。

圖1：理療儀系統(tǒng)框架圖

圖2：12V 轉(zhuǎn)化為5V 電路

表1：各級(jí)超聲波對(duì)于的電壓值

圖4：AD9833 芯片連接圖

1.3 功率放大模塊

功率放大模塊如圖5 所示，DDS 產(chǎn)生的信號(hào)輸入邏輯芯片74HC74D 進(jìn)行濾波處理，然后送入柵極驅(qū)動(dòng)芯片UCC27525 進(jìn)行放大。通過功率放大模塊調(diào)節(jié)后, 采用新型T 型匹配網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行動(dòng)態(tài)阻抗匹配，驅(qū)動(dòng)凹型超聲陶瓷片產(chǎn)生頻率為1 MHz，四種不同強(qiáng)度的超聲波。

1.4 阻抗匹配模塊

利用機(jī)電等效模型分析換能器，換能器的阻抗特性總體上是電容性[7-8]。在理療儀工作的過程中，由于容性特性的存在，超聲電源的無功功率會(huì)增加，聲-電轉(zhuǎn)化效率會(huì)變低。為了解決這個(gè)痛點(diǎn)，采用新型T 型匹配方式來消除等效電路中的容抗成分，使得電路整體呈純阻態(tài)。如圖6 所示，單獨(dú)看虛線框內(nèi)，電容Cn，電阻Rn，電感Ln構(gòu)成串聯(lián)電路，匹配網(wǎng)絡(luò)整體等效為一個(gè)靜態(tài)電容C0和串聯(lián)電路相并聯(lián)的電路網(wǎng)絡(luò)[6]。當(dāng)理療儀輸入頻率和輸出頻率相同時(shí)，理療儀阻抗值

其中，ωs為諧振點(diǎn)。通過串聯(lián)電感

通過公式可得，新型T 型匹配只需要改變C1的大小，就可以改變理療儀的整體阻抗，解決了普通串聯(lián)電感匹配網(wǎng)絡(luò)諧調(diào)和變阻不明顯的痛點(diǎn)，計(jì)算簡單，調(diào)節(jié)方便。

1.5 過流過溫保護(hù)模塊

如圖7 所示，為了進(jìn)一步減小理療儀的大小，采用靈敏度高，體積小的LM358 電壓比較器進(jìn)行過流保護(hù)，通過LM358 電壓比較器結(jié)合微控制器，判斷電壓值是否超過安全閾值電壓0.36V。過熱保護(hù)電路采用常溫25℃是電阻是10kΩ 的NTC 熱敏電阻，利用熱敏電阻實(shí)時(shí)采集超聲換能器的溫度，通過LM358 電壓比較器結(jié)合微控制器，時(shí)刻監(jiān)測換能器兩端的溫度，確保使用者的安全。

2 反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)

2.1 自動(dòng)頻率跟蹤模塊

采用基于鎖相環(huán)模塊的閉環(huán)反饋跟蹤系統(tǒng)進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)。如圖8 所示鎖相環(huán)模塊主要有三部分組成：PD、LF 和VCO。

理療儀通過電壓電流采樣電路實(shí)時(shí)采集超聲換能器兩端的信號(hào)，將采集到的信號(hào)送人信號(hào)放大濾波電路調(diào)節(jié)后送入鑒相器（PD），得到相位差信號(hào)后送入LF 進(jìn)行整形，同時(shí)結(jié)合VCO 進(jìn)行頻率的調(diào)節(jié)。再經(jīng)過低通濾波器輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)送入微控制器和模糊控制器進(jìn)行調(diào)節(jié)，最后重新作用信號(hào)發(fā)生模塊和阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，使得信號(hào)輸出頻率與輸入頻率逐漸保持一致，實(shí)現(xiàn)反饋調(diào)節(jié)。

圖5：功率放大模塊

圖6：新型T 型阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)

圖7：過流過溫保護(hù)模塊

圖8：閉環(huán)反饋跟蹤系統(tǒng)

圖9：鑒相器

圖10：軟件流程圖

圖11：超聲理療儀

圖12：波器測試的PWM 波

圖13：示波器測試的超聲波形

如圖9 所示，采集的電流電壓分別輸入抗干擾能力強(qiáng)的LF353運(yùn)算放大器，結(jié)合過零比較器LM339 轉(zhuǎn)換為3.3v 方波信號(hào)。 轉(zhuǎn)化后的信號(hào)通過74HC74 芯片來鑒定電壓和電流相位關(guān)系，當(dāng)電壓相位在電流之前時(shí)，74HC74 芯片輸出邏輯信號(hào)“1”。反之，當(dāng)電流相位在電壓之前時(shí)，74HC74 芯片輸出邏輯信號(hào)“0”。同時(shí)將兩路信號(hào)通入異或門74LS86,得到輸入信號(hào)的異或值out。最后74HC74芯片的輸出信號(hào)flag 和74LS86 異或門的輸出信號(hào)out 送入微控制器和模糊控制器進(jìn)行調(diào)節(jié)。

2.2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

如圖10 所示，理療儀上電后，首先進(jìn)入系統(tǒng)自檢程序，檢測各個(gè)模塊是否可以正常運(yùn)行。當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，用兩個(gè)LED 燈交替閃爍來提醒用戶，當(dāng)系統(tǒng)自檢無誤時(shí)，進(jìn)行各個(gè)子模塊的初始化。然后進(jìn)入頻率掃描子程序判斷相位差是否一致，當(dāng)不一致時(shí)，利用基于鎖相環(huán)模塊的閉環(huán)反饋跟蹤系統(tǒng)進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)，循環(huán)往復(fù)，直到相位差為零。

3 測試結(jié)果與分析

換能器驅(qū)動(dòng)凹型超聲陶瓷片產(chǎn)生頻率為1MHz，四種不同強(qiáng)度的超聲波。硬件實(shí)物如圖11 所示。理療儀通過改變PWM 波的占空比，實(shí)現(xiàn)超聲波四種不同強(qiáng)度的輸出。四個(gè)等級(jí)平穩(wěn)的PWM 波如圖12 所示。

利用示波器測試四個(gè)級(jí)位超聲強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的超聲波如圖13所示，基于頻率自動(dòng)跟蹤的便攜式超聲理療儀產(chǎn)生頻率為1MHz，四種不同強(qiáng)度的超聲波，超聲波精度高，無畸變。四個(gè)級(jí)位的超聲波對(duì)應(yīng)的電壓值如表1 所示。

4 結(jié)語

基于頻率自動(dòng)跟蹤的便攜式超聲理療儀采用STM32 結(jié)合DDS技術(shù)產(chǎn)生超聲激勵(lì)信號(hào)。DDS 產(chǎn)生的信號(hào)通過邏輯芯片74HC74D進(jìn)行濾波處理，然后送入柵極驅(qū)動(dòng)芯片UCC27525 進(jìn)行放大。后端采用新型T 型匹配網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行動(dòng)態(tài)阻抗匹配，驅(qū)動(dòng)凹型超聲陶瓷片產(chǎn)生頻率為1 MHz，四種不同強(qiáng)度的超聲波。用基于鎖相環(huán)模塊的閉環(huán)反饋跟蹤系統(tǒng)進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，該理療儀具有輸出功率穩(wěn)定，輸出聲強(qiáng)動(dòng)態(tài)可調(diào)，精度高，方便攜帶等優(yōu)點(diǎn)。