基于ARM与FPGA的中频干扰电疗仪

发布时间：2020-08-29 07:49

　　 在经济与科技快速腾飞的现代化社会中,人们的生活水平与质量得到了迅速的提升,人们的健康意识得到了逐渐的增强,人们对康复理疗的关注度越来越高。中频干扰电疗法是通过把两路或者两路以上的中频电流交错地传输至人体,因两路中频电流的频率不同,在人体体内两路中频电流产生干扰形成低频干扰电流并且利用这种干扰电流来达到治疗疾病的效果。最近几年,立体动态干扰电疗法在临床中应用广泛,立体动态干扰电疗法是以传统的干扰电疗法为基础,结合了动态干扰电疗法而产生的,它将三路频率不同的中频电流交错地传输至人体,三路中频电流在人体体内产生干扰,形成一个三维的电流干扰场。并且使用低频幅度调制的方法对三路中频电流进行处理,进而在人体病症部位形成不同方向、角度或形状的动态电刺激效应,从而达到缓解疼痛、促进血液循环和引起局部神经肌肉电刺激等效果。本课题以传统的干扰电治疗仪的技术原理为基础,结合了国外最新的科学研究成果,提出与设计了一种基于ARM和FPGA的中频干扰电治疗仪。医护人员通过操作使用触摸屏来进行人机交互,选择所需的治疗方案;采用ST公司的STM32作为系统的主控制器,其作用是对接收到的指令进行解析后向FPGA发送对应相关的治疗数据参数;采用Altera公司的Cyclone Ⅳ系列的FPGA芯片作为系统的核心单元,并设计了波形发生模块、扫频模块以及调制与幅度调节模块等,从而实现了治疗波形输出的幅度调制、频率调制以及差频频率的可调节。本论文主要研究内容有:(1)以分析与研究国内外的中频干扰电治疗仪为基础,设计了基于ARM与FPGA的软件系统框架,针对ARM平台的应用程序的开发特性,设计了层次化的系统架构,按照系统的功能划分,设计了用户端、处理端、输出端的层次架构,让系统的模块化更加鲜明,具有更好的可扩展性和可移植性。(2)由于DDS芯片的可扩展性较差,为了保证系统未来的可扩展性与可移植性,设计了基于FPGA的DDS波形发生技术以及数字幅度调制技术,使其能够通过更简单的代码架构,来更高效地实现DDS波形发生与数字幅度调制。(3)由于键盘式或按键式的操作体验差、使用寿命短等缺点,本课题采用了触摸屏设计,充分结合触摸屏的高清晰度、动态画面显示灯特点,设计了完美的用户操作界面,使得操作更加便利,操作体验更加人性化。(4)通过对整个系统所有的输出波形进行了全面的性能参数的测试,并且通过相关临床验证的方式,采用中心分层随机化的评价方法,以临床验证中心的分层结果对比分析方法为基础,更加直观有效地分析了实验数据。本论文的主要是设计及实现基于ARM与FPGA的中频干扰电疗仪的设计方案。通过采用模块化的设计方法,有效地利用FPGA的可编程性,将实现干扰电波形输出所必需的扫频功能、调制度控制功能和幅度调制功能集成至FPGA芯片内,再利用微控制器STM32的特性设计系统主控功能、触摸屏操作控制功能、驱动控制FPGA等功能,此方案实现了治疗波形输出的幅度调制、频率调制以及差频频率的可调节,并且使用低频幅度调制的方法对三路中频电流进行处理,进而在人体病症部位形成不同方向、角度或形状的动态电刺激效应,从而达到缓解疼痛、促进血液循环和引起局部神经肌肉电刺激等效果。最终测试结果表明,该系统具有缓解疼痛、促进血液循环和引起局部神经肌肉电刺激等功效,其治疗效果较其他厂家有显著提升。
【学位单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TH772.1
【部分图文】：

择使用满足ＲＳ２３２串行通信标准以及单端进行数据的输入及输出的ＭＡＸ２３２Ａ芯片作为逡逑串口通信电路的电平转换芯片。ＭＡＸ２３２Ａ芯片在通过输出较大摆幅的输出电压的方式逡逑来有效降低在数据传输通信的过程中存在噪声干扰。如图３－９所示是串口通信电路图。逡逑１Ｃ３５逦３．３邋Ｖ逡逑ＩＩ逦＂邋ＧＮＤ逦ＲＩＮ１逦＾逦？逡逑逦Ｕ９邋０．１邋ｕＦ逦ＰＯＵＴ邋Ｉ邋］邋＾逡逑Ｍｎ邋Ｓ１＋逦Ｈｒ－１邋Ｔ逦ＧＫＤ，｜ＩＩ逦１３逡逑ＵＬＭ逦ｕ邋ｃｌ邋ｄｏｕｔｉ邋丨邋１４邋ｄｏｕｔ１逡逑逦逦Ｃ２＋邋ｍｈ邋ｉ邋１３邋ＲＩＮ１逡逑．５逦丨邋１２邋ＲＯＵＴ１逦ＲＩＮ２逦！，逡逑Ｚ±＝１Ｃ３２逦逦６＿逦Ｉ邋１１邋ＤｆＮｌ逦ＤＯＵＴ２邋，逡逑ＵＬｌｉｉＬＪ邋ｇ＾Ｔ２邋７邋ｄ0ＵＴ２逦ＧＮＤｉ｜｜ｌ＿＿ｊ邋３逦］逡逑啤ｇ．．邋８邋Ｒ１Ｎ２邋Ｒ＿」．ＲＱＵ．Ｔ２逦＇Ｉ邋逦＾逡逑逦１Ｃ；４邋ＭＡＸ２３２逦？逡逑０．１邋ｕＦ逡逑ＧＮＤ逡逑图３－９串口通信电路图逡逑３．２．４数模转换电路逡逑２５逡逑

逦ＪＴＡＧ逦ｇ！ｄ逡逑图３－８ＦＰＧＡ配置电路图逡逑配置芯片ＥＰＣＳ１芯片有ＳＩ邋（数据输入）、ＣＬＫ邋（时钟输入）、ＣＳ邋（片选）以及ＳＯ逡逑（数据输出）共４个端口。其中，配置芯片捕获到ＣＬＫ引脚输入的时钟脉冲信号的上逡逑升沿时锁住控制信号以及输入信号，然后在捕获到ＣＬＫ引脚输入的时钟脉冲信号的下逡逑降沿通过ＳＯ端口将数据传输至ＦＰＧＡ；邋ＣＳ引脚直接与ＦＰＧＡ的配置引脚相连，在上电逡逑配置时ＦＰＧＡ根据ＣＳ端选择配置器件，将控制信号数据以及地址数据通过串行地址、逡逑串行时钟端口传输至需配置的器件；配置芯片传输完配置数据后，就停止捕获时钟脉冲逡逑信号输入。若配置过程中发送错误，则ＦＰＧＡ芯片控制ＣＳ端口重置配置芯片并拉低逡逑ｎＣｏｎｆｉｇ信号端口的电平并保持低电平信号５０ｕｓ以上即进行重新配置。逡逑３．２．３串口通信电路逡逑本系统的串口通信电路实现主控ＭＣＵ与触摸屏的指令数据传输的功能。本系统选逡逑择使用满足ＲＳ２３２串行通信标准以及单端进行数据的输入及输出的ＭＡＸ２３２Ａ芯片作为逡逑串口通信电路的电平转换芯片。ＭＡＸ２３２Ａ芯片在通过输出较大摆幅的输出电压的方式逡逑来有效降低在数据传输通信的过程中存在噪声干扰。如图３－９所示是串口通信电路图。逡逑１Ｃ３５逦３．３邋Ｖ逡逑ＩＩ逦＂邋ＧＮＤ逦ＲＩＮ１逦＾逦？逡逑逦Ｕ９邋０．１邋ｕＦ逦ＰＯＵＴ邋Ｉ邋］邋＾逡逑Ｍｎ邋Ｓ１＋逦Ｈｒ－１邋Ｔ逦ＧＫＤ，｜ＩＩ逦１３逡逑ＵＬＭ逦ｕ邋ｃｌ邋ｄｏｕｔｉ邋丨邋１４邋ｄｏｕｔ１逡逑逦逦Ｃ２＋邋ｍｈ邋ｉ邋１３邋ＲＩＮ１逡逑．５逦丨邋１２邋ＲＯＵＴ１逦ＲＩＮ２逦！

ｆｓ．ＦＳ邋１０２４逡逑式（３．２）与式（３．３）中，０９／）五是Ｄ／Ａ转换器的Ｄ０－Ｄ９的数据位的十进制表达方逡逑式。其中，输出电流／Ｏｔ／Ｔｌ与／ＯＬＴ２驱动负载电阻或者等效于负载电阻的变压器。逡逑将输出电流／ＯＬＴ１与／ＯＣ／Ｔ２转换为单端型的输出电压ＦＯＬＴ１与ＷＬＴ２邋，其具体表示如逡逑下所示：逡逑ＶＯＵＴ＼邋＝邋ＩＯＵＴ＼ｘＲｌｏｒｄ邋＝＾＾ｘＩ0ＵＴｆｓｘＲｗｒｄ逦（３．４）逡逑ＶＯＵＴ２邋＝邋ＩＯＵＴｌｘＲｌ0ｒｄ邋＝逦ｘＩＯＵＴＰＳ邋ｘＲｗｒｄ逦（３．５）逡逑而微分输出电压的表亦如下所不：逡逑ＶＯＵＴｄｉｆｆ邋＝邋ＶＯＵＴＩ－ＶＯＵＴ２邋＝邋（２ＣＱ＾－１０２３）邋ｘＩＯＵＴｆｓ邋ｘＲｗｒｄ逦（３．６）逡逑Ｄ／Ａ转换芯片ＴＨＳ５６５１Ａ的ＩＯＵＴｌ与ＩＯＵＴ２端口的输出电压直接决定了它的输出逡逑阻抗。在实际应用中通过使用运放的方式来达到效果最佳的直流积分非线性。为了提高逡逑运放电路的转换效率使用反馈电容对Ｄ／Ａ转换芯片ＴＨＳ５６５１Ａ输出电流的陡峭边缘进逡逑行过滤处理。数模转换电路图如图３－１０所示。逡逑９Ｕ逡逑

【参考文献】

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本文编号：2808283