王志成 龐宇 蔣偉 張博臻 趙鴻毅

（重慶郵電大學光電信息感測與傳輸技術重慶市重點實驗室 重慶市 400065）

醫(yī)學研究表明，超聲波對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，操作復制，不方便攜帶等缺點[1]。而家用超聲理療儀頻率跟蹤響應能力弱，輸出功率不穩(wěn)定，精度低，并且不能實現的超聲波強度的動態(tài)可調。由于外界環(huán)境的不確定性，當超聲理療儀頻率跟蹤響應能力弱時，換能器的諧振頻率非常容易發(fā)生漂移[4]。當超聲理療儀工作在非諧振點時，不但電-聲轉化效率會大大降低，還會損害超聲理療儀本身。

為了實現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，聲強動態(tài)可調，電-聲轉化效率高的高精度超聲波。

1 硬件系統(tǒng)設計

圖1 為超聲理療儀系統(tǒng)框架圖，主要采用STM32 平臺搭建動態(tài)匹配網絡，利用微控制器結合信號發(fā)生模塊產生超聲激勵信號，通過功率放大模塊調節(jié)后,連接阻抗匹配模塊進行動態(tài)阻抗匹配，驅動凹型超聲陶瓷片產生頻率為1 MHz，四種不同強度的超聲波，同時采用頻率跟蹤模塊進行反饋調節(jié)。

1.1 電源模塊

電源模塊使用三個電壓系統(tǒng)：功率放大模塊（12V）、信號發(fā)生模塊（5V）、微控制器和人機交互模塊（3.3V）。如圖2 所示，為防止壓降過大，利用穩(wěn)壓芯片LM7805 把12V 電壓轉化為5V 為信號發(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2.2μF 的電容來減少雜波對電路的干擾。為進一步減少理療儀的體積，采用QI 標準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 信號發(fā)生模塊

信號發(fā)生模塊采用低功耗STM32L151 微控制器結合模糊控制器自適應調節(jié)直接數字合成器（DDS）產生超聲激勵信號，通過整形濾波器電路和占空比調整電路可實現四種不用強度的超聲波輸出。為提高頻率轉化速度，DDS 電路采用AD9833 芯片，如圖4 所示。AD9833 信號產生芯片通過串行總線連接微控制器，時鐘源采用16MHz 有源晶振。超聲波頻率轉化速度快，精度高，輸出超聲波信號頻率的精度可以達到0.06hz。

圖1：理療儀系統(tǒng)框架圖

圖2：12V 轉化為5V 電路

表1：各級超聲波對于的電壓值

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 產生的信號輸入邏輯芯片74HC74D 進行濾波處理，然后送入柵極驅動芯片UCC27525 進行放大。通過功率放大模塊調節(jié)后, 采用新型T 型匹配網絡進行動態(tài)阻抗匹配，驅動凹型超聲陶瓷片產生頻率為1 MHz，四種不同強度的超聲波。

1.4 阻抗匹配模塊

利用機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增加，聲-電轉化效率會變低。為了解決這個痛點，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，單獨看虛線框內，電容Cn，電阻Rn，電感Ln構成串聯電路，匹配網絡整體等效為一個靜態(tài)電容C0和串聯電路相并聯的電路網絡[6]。當理療儀輸入頻率和輸出頻率相同時，理療儀阻抗值

其中，ωs為諧振點。通過串聯電感

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，解決了普通串聯電感匹配網絡諧調和變阻不明顯的痛點，計算簡單，調節(jié)方便。

1.5 過流過溫保護模塊

如圖7 所示，為了進一步減小理療儀的大小，采用靈敏度高，體積小的LM358 電壓比較器進行過流保護，通過LM358 電壓比較器結合微控制器，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，利用熱敏電阻實時采集超聲換能器的溫度，通過LM358 電壓比較器結合微控制器，時刻監(jiān)測換能器兩端的溫度，確保使用者的安全。

2 反饋調節(jié)系統(tǒng)

2.1 自動頻率跟蹤模塊

采用基于鎖相環(huán)模塊的閉環(huán)反饋跟蹤系統(tǒng)進行反饋調節(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時采集超聲換能器兩端的信號，將采集到的信號送人信號放大濾波電路調節(jié)后送入鑒相器（PD），得到相位差信號后送入LF 進行整形，同時結合VCO 進行頻率的調節(jié)。再經過低通濾波器輸出驅動信號送入微控制器和模糊控制器進行調節(jié)，最后重新作用信號發(fā)生模塊和阻抗匹配網絡，使得信號輸出頻率與輸入頻率逐漸保持一致，實現反饋調節(jié)。

圖5：功率放大模塊

圖6：新型T 型阻抗匹配網絡

圖7：過流過溫保護模塊

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的LF353運算放大器，結合過零比較器LM339 轉換為3.3v 方波信號。 轉化后的信號通過74HC74 芯片來鑒定電壓和電流相位關系，當電壓相位在電流之前時，74HC74 芯片輸出邏輯信號“1”。反之，當電流相位在電壓之前時，74HC74 芯片輸出邏輯信號“0”。同時將兩路信號通入異或門74LS86,得到輸入信號的異或值out。最后74HC74芯片的輸出信號flag 和74LS86 異或門的輸出信號out 送入微控制器和模糊控制器進行調節(jié)。

2.2 控制系統(tǒng)軟件設計

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

3 測試結果與分析

換能器驅動凹型超聲陶瓷片產生頻率為1MHz，四種不同強度的超聲波。硬件實物如圖11 所示。理療儀通過改變PWM 波的占空比，實現超聲波四種不同強度的輸出。四個等級平穩(wěn)的PWM 波如圖12 所示。

利用示波器測試四個級位超聲強度對應的超聲波如圖13所示，基于頻率自動跟蹤的便攜式超聲理療儀產生頻率為1MHz，四種不同強度的超聲波，超聲波精度高，無畸變。四個級位的超聲波對應的電壓值如表1 所示。

4 結語

基于頻率自動跟蹤的便攜式超聲理療儀采用STM32 結合DDS技術產生超聲激勵信號。DDS 產生的信號通過邏輯芯片74HC74D進行濾波處理，然后送入柵極驅動芯片UCC27525 進行放大。后端采用新型T 型匹配網絡進行動態(tài)阻抗匹配，驅動凹型超聲陶瓷片產生頻率為1 MHz，四種不同強度的超聲波。用基于鎖相環(huán)模塊的閉環(huán)反饋跟蹤系統(tǒng)進行反饋調節(jié)。實驗結果證明，該理療儀具有輸出功率穩(wěn)定，輸出聲強動態(tài)可調，精度高，方便攜帶等優(yōu)點。