基于STM32肌電采集康復器的恒流源設計

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)康復器的恒流源設計，能夠實現(xiàn)電流的步進可調控制，電流調節(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驅動模塊、信號處理模塊、AD采集模塊、按鍵模塊、串口通信模塊構成；軟件系統(tǒng)通過PI調節(jié)反饋控制，對電流進行PWM輸出驅動控制，實現(xiàn)了設定的電流值準確、穩(wěn)定輸出，同時具有精度高、穩(wěn)定性好和成本低等特點。

關鍵詞：恒流源；PI反饋調節(jié)；STM32微控器；PWM輸出

中圖分類號：TH79? ? 文獻標志碼：A? ? 文章編號：1671-0797（2024）10-0049-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.10.012

0? ? 引言

直流電源在很多場合經(jīng)常使用，比如企業(yè)研發(fā)產(chǎn)品時、高校實驗室科研與教學實驗時，在產(chǎn)品中也被廣泛應用，例如在數(shù)字醫(yī)療設備中直流電源也常被使用。當前，雖然市面上有很多數(shù)控直流電源，但是市場上既采用STM32作為肌電誘發(fā)康復器的控制器，又采用STM32控制進行恒流輸出的產(chǎn)品較少[1]。目前的狀況是或者性能單一，或者功能齊全但價格昂貴，因此，研發(fā)一種精度高、功能強、成本低的基于STM32的數(shù)控肌電誘發(fā)康復器的恒流電源具有現(xiàn)實意義，可以兼顧性能和成本。

1? ? 性能指標與總體設計方案

根據(jù)肌電誘發(fā)康復器的系統(tǒng)要求，采用STM32數(shù)控恒流源設計具有如下性能指標：

可調參數(shù)：電流值。

可調范圍：電流0～3 000 mA。

可調精度：電流設定值和實際值相對誤差為±5%。

工作方式：具有步進“+” “-”調整功能，步進≤10 mA，按鍵設置輸出值。

系統(tǒng)總體組成框架圖如圖1所示。

本肌電誘發(fā)康復器設備第一路ADC監(jiān)控肌電信號的電壓值，即根據(jù)采集的肌電電壓信號，經(jīng)高輸入阻抗的隔離放大器進行放大，并進行低通濾波后，送入STM32控制器內置模數(shù)轉換模塊進行A/D轉換，得到數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)字濾波、運算處理，最終得到肌電信號值。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進行放大，送入STM32控制器進行ADC數(shù)據(jù)采集，并將得到的數(shù)據(jù)用于反饋PI調節(jié)控制，輸出PWM控制波給驅動電路，從而形成閉環(huán)反饋恒定電流控制。

2? ? 主要模塊的實現(xiàn)方案

2.1? ? 核心處理器選擇

STM32微控制器（MCU）是意法半導體公司生產(chǎn)的，主要應用于項目要求運算速度比較快、主頻較高、實時性好的中高端市場。本設計使用的是一款采用高性能ARM Cortex-M3處理器內核的控制器STM32F103VCT6。其采用32位RISC中央處理器，工作主頻為72 MHz；包含3個12 bit的ADC轉換器，轉換范圍0～3.6 V；64 kB SRAM和256 kB FLASH；多達11個通用16位定時器，其中4個PWM定時器等片內資源。

2.2? ? PWM驅動與采樣模塊

采用N溝道金屬氧化物半導體場效應管（NMOS）作為恒流源的開關管。由單片機控制輸出PWM波電壓控制信號[2]，通過BUCK降壓電路輸出所需電流值。

PI調節(jié)[2]與驅動控制原理框圖如圖2所示。

2.3? ? 量程切換與放大電路

本肌電誘發(fā)康復器的恒定電流源輸出部分采用一片八選一的多路模擬開關CD4051實現(xiàn)量程切換，使輸出放大倍數(shù)有8種選擇，方便電路自動調節(jié)控制。STM32通過引腳PA0、PA1、PA2對其通道進行選擇控制，從而實現(xiàn)量程自動切換。將該電路作為放大器LM358的反饋通路進行放大倍數(shù)調整，經(jīng)過LM358其中的一個運算放大器組成的電壓跟隨器后，對電路起到隔離緩沖作用，從而使進入STM32中的A/D轉換信號更合理。量程切換與放大電路如圖3所示。

2.4? ? PWM驅動控制仿真電路

脈沖寬度調制PWM（Pulse Width Modulation）控制輸出開關管的通斷時間，給后級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高速開關管構成。用5 Ω水泥電阻模擬負載，經(jīng)過0.1 Ω采樣電阻給LM358運放進行一級同向放大，放大倍數(shù)約為6。PWM驅動仿真控制硬件電路如圖4所示。

3? ? 軟件設計

采用三個按鍵作為人機交互輸入，按鍵1是恒流輸出控制按鍵，實現(xiàn)對恒流輸出啟動和停止控制；按鍵2是恒流步進增加鍵，按鍵3是恒流步進減少鍵。

根據(jù)電路原理圖電路板接入的負載電阻為5 Ω，加上采樣電阻0.1 Ω，根據(jù)歐姆定律計算求得輸出電流的可調范圍為0～3 A。

程序流程圖如圖5所示。

具體程序流程如下：

首先，對STM32的PWM、ADC、GPIO等相關片內外設進行初始化，并設置目標電流值。

然后，啟動定時器TIM的PWM功能，通過配置寄存器設置PWM不同占空比。

通過檢測按鍵觸發(fā)事件，主要檢測降低電流按鍵、提高電流按鍵和停止電流按鍵的觸發(fā)，檢測程序進行對應調整。

最后，完成ADC采樣輸出，這一過程中對采樣電壓轉化得到的電流值與目標電流值進行對比，若結果有較大偏差需進入反饋程序進行PI反饋調節(jié)校正，從而通過調整PWM占空比來減小偏差，直至兩者對比一致或者誤差（error）在所允許的精度范圍內[4-5]。

4? ? 實驗數(shù)據(jù)及分析

實際肌電誘發(fā)康復器的輸出恒流值如表1所示。

由表1分析可知，恒流源輸出的實際測量值與理論值的相對誤差不超過±5%，滿足測量的精度要求。

STM32的PWM占空比取值范圍0～100%，對應寄存器設置的值域為0～1 000，即步進10表征1%的占空比。信號頻率為20 kHz，最高電壓為參考電壓3.3 V。輸出電流與PWM占空比關系如圖6所示。

5? ? 結束語

本肌電誘發(fā)康復器的恒流源設計，采用STM32F-

103VCT6的微控制器，利用其內部集成的A/D模塊中的兩路模數(shù)轉換模塊進行A/D轉換。對數(shù)控恒流電流源進行程序功能測試，分析測試結果數(shù)據(jù)，考慮器件實際溫漂的影響，通過數(shù)據(jù)擬合方法以及程序的PI反饋校正功能，設置目標電流值，能得到較好的輸出電流質量。同時，該恒流源對測量參數(shù)具有顯示、數(shù)據(jù)上傳等功能。實驗數(shù)據(jù)表明，該康復器的恒流源輸出具有測量精度高、穩(wěn)定性好、體積小、成本低、便于攜帶等優(yōu)點，大眾家用前景很好。

[參考文獻]

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[2] 李貴嬌，魯爭艷，李金寶，等.一種可PWM調制的恒流源電路[J].電子制作，2023，31（15）：92-95.

[3] 張士飛，肖高博，劉志國，等.基于寬范圍恒壓源的恒流源設計[J].科學技術創(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)設計[J].現(xiàn)代電子技術，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用[J].通信電源技術，2014，31（1）：5-7.

收稿日期：2024-01-29

作者簡介：榮華（1987—），男，湖南株洲人，碩士，工程師/實驗師，研究方向：醫(yī)用電子儀器、康復設備設計與開發(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)品設計與高職教育。

基金項目：2022年度湖南省教育廳科學研究項目“研究一種基于肌電信號+物聯(lián)網(wǎng)技術的穿戴式康復仿生設備”（22C1296）；2023年湘潭市科技計劃項目“基于皮膚表面肌電信號驅動的肌肉康復器設計”（CG-ZDJH20231017）