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为了研制生成中频脉冲信号的仪，研究脉冲波形生成方法、特点与用法，确定中频脉冲仪整体功能、技术参数与软件工作流程。在uCOS系统基础上，编码实现2.5KHz与4KHz基波脉冲信号；利用基波脉冲生成方波、三角波、阶 梯波等波形；组合波形实现具有按摩、锤击与针灸疗效的14种方案。在STM32WB55主处理器基础上，设计实现脉冲仪主板整流滤波电路、电压转换电路、电平转换与蜂鸣器电路、数模信号转换电路、脉冲信号放大电路等；并完成对脉冲仪的测试。 1.引言
日新月异的变化、激烈的竞争与巨大的生活压力使人们需要面对高强度的工作，这容易诱发各类疾病。包括：腰背痛、颈肩痛、失眠与神经衰弱等（乔志恒，理疗学：华夏出版社，2016）。在这种亚健康的状态下，人们的生活质量受到了极大影响。
三辊轧管机目前疾病的方式包括四种：药物、手术、心理与康复理疗设备。脉冲仪是康复理疗类设备中的重要组成部分，利用脉冲仪进行疾病的，不仅能够消除疾病引发的疼痛，而且能降低服用药物诱发的不良反应与手术产生的副作用（白晓东，李顺月，张东，等.针灸仪作用原理及其临床应用：中华中医药杂志，2015）。脉冲仪为部分疾病提供了新的方式。
脉冲仪的原理是：电脉冲信号能够兴奋神经与肌肉组织，促进人体内活性物质与有益酶的分泌。此外，电脉冲刺激能够影响细胞与体液内离子的比例，促进人体物质代谢（金荣疆，张宏，物理学：人民卫生出版社，2012）。通过增强细胞膜通透性，实现对人体内分泌机能的调节（Nakamura S,Azuma M,Maruhashi T,et al.Steroid pulse therapy in patients with encephalopathy associated with severe fever with thrombocytopenia syndrome:Journal of Infection,2018）。电脉冲信号还能改善细胞内部营养成分，增强细胞的修复与再生功能（Kawashima H,Kobayashi
Y ,Suwa T,et al.Successful switch from bilateral brief pulse to right unilateral ultrabrief pulse electroconvulsive therapy after failure to seizures:Neuropsychiatric Disease and Treatment,2018）。
近年，微处理器技术、传感器技术与软件设计技术的发展为脉冲仪的研制提供了解决方案（蔡延光，马培深，蔡颢，基于大数据的脉冲宽度调制健康仪的研制及应用：自动化与信息工程，2017）。本文结合信号处理技术、嵌入式与软件开发技术设计并研制了能够实现多种方案的中频脉冲仪。
2.脉冲仪整体功能设计
2.1 功能框架设计
图1所示为中频脉冲仪功能架构图。包括：主控部分、波形输出部分、交互控制部分、数据接口部分、深浅控制部分、温度控制部分与电源管理部分。
主控部分由微处理器与外围电路组成，是脉冲仪的控制中心。电源管理部分包括：电源开关模块、过流保护模块、降压模块、整流与滤波模块、稳压模块、电压转换模块与电平转换模块，能够实现电压转换、滤波等功能，为仪主板各芯片供电，同时生成原始信号。波形输出部分包括：数模转换模块、运放模块、功放模块、升压模块，实现对电信号的处理。交互控制部分由触摸屏控制部分、液晶显示部分、蜂鸣器及其驱动电路组成，能够实现对仪的交互控制以及生成预警信号。深浅控制部分能实现深部与浅部的切换，温度控制部分能够实现对用电极板温度的调节，数据接口包括：通用输入或输出（Input/Output ，I/O ）端口与串口通信模块，实现处理器对各功能芯
片的控制以及不同功能部分间的数据通信。
图1 中频脉冲仪功能框架图
2.2 工作流程设计
图2是中频脉冲仪工作流程图。电极板通过线
• 115棘轮棘爪
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与中频脉冲仪相连。开启中频脉冲仪的电源开关，脉冲仪开始正常工作。脉冲仪的电源模块为仪提供工作电压。液晶屏显示配置操作界面。通过触控液晶屏可以设置方案、时间与强度。同时根据者具体情况，通过操作功能按键可以设置电极板的温热状态和深浅方式。在整个过程中也可通过触控液晶屏和功能按键调节强度、时间、温热状态与深浅状态。当结束时，脉冲仪通过蜂鸣器提醒患者已
结束。此时脉冲仪会恢复到初始配置状态。
图2 中频脉冲仪工作流程设计图
3.脉冲仪硬件电路设计与实现
3.1 整机控制系统
图3是中频脉冲仪硬件框图。硬件系统包括：主处理器、整流电路、滤波电路、稳压电路、温控
电路、电平转换电路、电压转换电路、深浅控制电路、数模转换电路、运算放大电路、功率放大电路、蜂鸣器电路。采用ST-M32WB55作为主处理器，该芯片是ARM架构的Cortex-M4内核，支持uCOS系统（张建中，郝允梁，刘海洋，基于STM32单片机的智能消防机器人的设计与应用：电子技术应用，2017）。利用降压变压器，通过桥式整流电路将交流信号调理为中频脉冲基准信号。得到的直流电压为中频脉冲仪供电。升压变压器利用经过模数转换、运算放大与功率放大处理的电信号得到供医用电极板使用的信号。将电极板紧贴于部位即可进行脉冲。温控电路可以调节电极板的温度。蜂鸣器电路可以实现对蜂鸣器的控制。电平转换电路实现高低电平信号的转换。电压转换电路实现不同电压之间的转换。深浅控制电路实现对人体部位深浅的控制。
3.2 整流滤波电路设计
中频脉冲仪整流滤波电路如图4所示，该电路由交流信号转接端子P1、普通电容C2、极性电容C1、整流二极管D1-D4、输出端C5+与C5-组成。其中C2电容值为4700uF，C1电容值为100uF，整流二极管为IN4001。该电路将经过变压器降压得到的交流信号转换为12V
的直流电压，为中频脉冲仪主板供电。
图3 中频脉冲仪硬件框图
图4 整理滤波电路图
3.3 电压转换电路设计
图5所示为电压转换电路，采用的电压转换芯片为LM2576S-5.0。L M2576系列芯片内部有基准稳压器（1.23V）与固定频率的振荡器（52kHz），也有较完善的保护电路（李杰，程为彬，冯笃，等.低纹波双电池直流稳压电源设计与实现：现代电子技术，2016；吕栋腾，一种过流保护直流稳压电源设计：自动化技术与应用，2016）。使用这类电压转换芯片，通过简单的外围器件就能够实现高效的电压转换电路（刘祥，曾立波，吴琼水，基于STM32F407的AOTF光谱仪双通道信号检测系统：仪表技术与传感器，2018）。电路中C5+与C5-是12V输入电压的正负极，电压转换电路的构成包括：电容C3-C6、电感L1、电阻R1与二极管D5。C4与C5的电容值为0.1uF，C3是47uF/35V的极性电容，C6是220uF/25V的普通电容，L1的电感值为68uH，R1电阻值为0Ω，D5是IN5825二极管。利用电压转换电路将整流过的12V直流电压转换为5V的
电压为中频脉冲仪主板上各功能芯片供电。
图5 电压转换电路图
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3.4 电平转换与蜂鸣器电路设计
图6所示U2为3.3V-5V 逻辑电平信号转换芯片LSF0102。该芯片为蜂鸣器电路提供逻辑控制信号，其中蜂鸣器控制电路包括：蜂鸣器P2、二极管D6-D7、三极管Q1、电阻R2-R3。P2是有源电磁式蜂鸣器（王志宇，邱仅朋，刘童，12bit 高稳定性数模转换器设计：半导体技术，2017），D6和D7分别为IN1418与SS34，R2与R3的阻值分别为1K 和100Ω，Q1是三极管S8550。该电路为患者提供结束与脉冲仪工作异常预警信
号。
图6 电平转换与蜂鸣器电路图
3.5 数模信号转换电路设计
图7为数模转换电路，TLC7528为数模转换处理芯片。其驱动电路由电阻R4与R5、电容C7-C9组成。
其中R4和R5分别为30K 与1K ，C7-C9为30pF 。TLC7528功耗低于15mW ，易与微处理器接口，是双路数模转换器（周晓慧，陈岳坪，基于UG 的数控机床串口通讯系统开发：机械设计与制造，2018）。TLC7528根据主处理器的指令实现对中频脉冲仪输出频率、电压和波形的调
节控制。
钢水温度>屋顶融雪装置图7 数模信号转换电路图
3.6 脉冲信号放大电路设计
脉冲信号放大电路如图8所示，运算放大芯片采用LM324。其外围电路由电阻R6与R7以及电容C10构成，R6与R7的阻值分别为1K 和120K.，电容C10为330pF 。功率放大部分由电容C11与C12、三极管Q2-Q5、二极管D8与D9、电阻R8组成，三极管Q2和Q4分别为BD438与S8050，三极管Q3和Q5分别为BD437和S8050，Q2加上Q4与Q3加上Q5形成对称结构，对信号功率进行放大。另外，C11和C12的容值为100pF ，二极管D8和D9为SS34，电阻R8的阻值是100Ω。脉冲信号放大电路对数模转换电路产生的
信号进行运算与功率放大，为输出电路提供可用信号。
图8 脉冲信号放大电路图
3.7 串口通信与液晶显示电路设计
图9为串口通信与液晶显示电路，U6为主处理器与液晶间通信数据转换芯片MAX3232，其驱动电路由4个0.1uF 的电容组成，即C13-C16。MAX3232包含2路的驱动器以及接收器，提供1uA 的关断模式，在高数据速率下工作也能保持RS-232通信标准的要求（徐志军，张浩，一种基于STM32F407与AD9957的射频数字化短波激励器：通信技术，2017）。图9所示P3是液晶模块的调试接口，U5是液晶模块的接口，
与MAX3232管脚直接相连。该电路能够实现对脉冲仪液
晶屏显示内容的修改和触摸状态的控制。
图9 串口通信与液晶显示电路图
4.脉冲波形设计与实现
4.1 脉冲基波的类型
本文研制的脉冲仪能生成两种基波，分别为2.5KHz 和4KHz 的方波。其脉幅可以调节，图10(1)为示波器测得的脉冲仪生成的2.5KHz 方波，图10(2)为示波器测得的脉冲
仪生成的4KHz
丙烷脱氢制丙烯
方波。
图10 中频脉冲仪生成基波图
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4.2 基波生成波形
在基波的基础上设计脉冲波形，通过调节脉宽和脉幅生成具有不同疗效的波形。图11(1)是利用基波生成的方波；图11（2）是三角波，在一个波形周期中，将基波脉幅先递增然后再递减变化生成三角波；图11(3)是利用基波生成的尖波，生成方法是：在一个波形周期中，前1/3个尖波为定值脉幅基波，中间1/3个尖波与三角波的生成方式相同，后1/3个尖波与前1/3个尖波相同；图11(4)是前锯齿波，生成方式是：在一个波形周期中，以基波脉幅递增的方式生成；图11(5)是后锯齿波，生成方式是：在一个波形周期中，以基波脉幅递减的方式生成；图11(6)是阶梯波，生成方式是：在一个波形周期中，以定值脉幅先生成1/3个阶梯波，中间1/3个阶梯波的脉幅为初始定值脉幅的2倍，后1/3个阶梯波的脉幅
与初始值相同。
图11 中频脉冲仪生成波形图
电缆架空支架
4.3 利用波形实现方案
临床使用的波形有：方波、三角波、阶梯波、锯齿波等。临床实践验证：几种波形的交替输出或者疏密组合，可消除人体对脉冲的适应性。方波对痛症、痉挛及炎症疗效显著；尖波可用于瘫痪病症的；此外，方波和梯形波的组合具有推拿效果；梯形波与指数波结合能够实现拔火罐的疗效；脉宽与间隔相等的正负脉冲，能实现锤击的效果（周思妍，辛勤，安春晓，一种康复理疗仪的改进：黑龙江科学，2017）。
根据部位的特点设计了14种方案，编写方案程序代码并试验验证。方案对应的波形与适应病症如表1所示。方案对应的病症有膝关节痛、颈部疼痛、肩部
疼痛等。每种方案中的波形类型不少于3种，目的是降低部位对脉冲波形的适应性。方案1、2、3和4是利用三角波、尖波、前锯齿波以及后锯齿波的组合，根据膝关节、颈部、肩部以及腰背的不同特点，实现针灸效果；方案5、6和7利用方波、阶梯波与梯形波的组合，实现锤击的疗效，对肩部和颈部的疼痛采用的是慢节奏的锤击方式，对腰背的疼痛采用的是快节奏的锤击方式；方案8、9和10在前锯齿波和后锯齿波的基础上增加方波、阶梯波与梯形波中之一，实现按摩的效果，对膝关节和颈部的采用轻柔按摩，对腰背部的按摩增强力度；方案11、12、13和14兼具针灸、锤击以及按摩的效果。
表1 方案适用的病症
方案脉冲波形适应病症1三角波、尖波、等幅波膝关节痛-针灸效果2三角波、尖波、前锯齿波颈部疼痛-针灸效果3三角波、尖波、后锯齿波肩部疼痛-针灸效果4三角波、尖波、前锯齿波、后锯齿波
腰背疼痛-针灸效果5方波、阶梯波、等幅波颈部疼痛-锤击效果6方波、梯形波、等幅波肩部疼痛-锤击效果7方波、阶梯波、梯形波腰背疼痛-锤击效果8前锯齿波、后锯齿波、方波膝关节痛-按摩效果9前锯齿波、后锯齿波、阶梯波颈部疼痛-按摩效果10前锯齿波、后锯齿波、梯形波腰背疼痛-按摩效果11尖波、方波、三角波、梯形波膝关节痛-混合效果12尖波、方波、三角波、阶梯波颈部疼痛-混合效果13前锯齿波、方波、后锯齿波、梯形波肩部疼痛-混合效果14
前锯齿波、阶梯波、后锯齿波、梯形波
腰背疼痛-混合效果
5.结论
本文研制的脉冲仪输出低频调制的中频电流信号，根据部位的特点与病患的类型将频率、波形、节奏与时间等参数优选组合，预先编码成处方存储在脉冲仪中。在时，选择脉冲仪内置的处方，仪就能够运行指定的程序，输出具有作用的中频电流，实现对患者的
。
本文在精准脉冲与脉冲数据采集方面有所思考。下一步研究工
作包括：（1）剖析康复理疗学中的物理学问题，寻物理学与脉冲机制之间的深层关系。在此基础上，针对各年龄阶段人、不同的疾病，设计实现针对性更强的方案。（2）为脉冲仪增加无线网络功能，在此基础上，采集有效数据。利用机器学习、深度学习及其它数据处理方法，从采集的数据中挖掘出可反馈临床的有效信息。
作者简介：刘源（1986—），硕士，现供职于中粮集团有限公司，研究方向：嵌入式系统、电气工程、电力电子。
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