STM32F4的交变磁场治疗系统

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STM32F4的交变磁场治疗系统
①意大利ONDAMED脉冲磁场治疗仪，如图1.1所示，是根据电容放电的原理制
作的磁疗产品，中文产品译名“安达优”。系统可以提供四个不同的治疗频率资源，分
别是和器官系统共振的频率两个频率、170个指示程序、200个与微生物和寄生虫相关
的特定频率和5个与营养有关的频率。治疗频率范围从0.1 Hz到32kHz，产生磁感应强
度峰值从O.SmT到SmT o

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②以色列Curatron 2000PC脉冲磁疗仪，如图1.2所示，输出脉冲频率范围1 }S OHz
输出磁感应强度峰值小于16mT。对于多种病症均有解决方案，内置骨质疏松症自动化
治疗方案程序，输入骨密度值即可生成针对性的解决方案。

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国内的磁疗仪产品和国外的相关产品相比，主要有以下差距:
①国外磁疗仪产品较为成熟，往往有完备的相关临床试验及理论支持。比如意大
利ONDAMED脉冲磁场治疗仪官方网站就对各个治疗频率段所能治疗的各种病症进行
了详细说明，而国内磁疗仪产品则只有大致的说明甚至没有说明。
②国外磁疗产品的人机交互界面相对来说更为人性化，他们大多采用可触摸彩色
液晶屏来进行人机交互，操作界面更为美观、方便。国内相关产品通常选用单色液晶屏
甚至数码管来进行显示，采用按键进行输入，给用户获取信息和输入指令造成很大的不
便。

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①人机交互界面落后，用户体验不佳。国内市场上的交变磁场治疗仪往往是以低
分辨液晶屏或者黑白液晶屏甚至数码管做显示，以按键作为用户输入方式。按键容易失
灵，且很不方面用户进行选择，液晶屏等作为显示界面存在不美观且程序开发维护困难
的问题。
②输出频率固定，不可无级调频。虽然市场上有的交变磁疗仪号称在某些很大的
频率范围内可调，但是实际上他们只能在某几个档位中进行选择。
③输出磁感应强度有效值往往不大。市场上有的交变磁疗仪虽然号称达到十几mT
的磁场强度，但这往往是指的以牺牲交变磁场波形为代价获取的峰值，其磁感应强度有
效值往往不到3mTa
要做出输出频率和输出电压都宽范围无级可调的交变磁场治疗仪，关键是一定要解
决设备功率因数过低的问题、感性负载随着频率增大阻抗快速增大的问题、逆变器宽输
出滤波的问题和提出适合驱动感性负载的SPWM算法。

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系统要求：
(1)交变磁感应强度有效值0}3mT连续可调，磁感应强度值误差控制在士5%以
内。
(2)正弦交变磁场频率5}200Hz连续可调，输出频率误差精度控制在士1%以内。
(3)输出磁场为正弦交变磁场。
(5)输出匀强磁场范围要大，使治疗部位受到的磁感应强度要均匀。
(6) 40个预定义处方及20个自定义处方。
(7)单通道温振热磁导子辅助治疗，其温度可控。
(8)可根据处方播放适合的音乐。
(9)实时监测治疗环到达了人体的哪一个位置。
(10)控制治疗环向前向后运动。
(11)控制系统应具有掉电数据存储功能，以方便存储用户自定义处方以及其他
用户设定数据。
(12)控制系统安全可靠，符合国家相关医疗产品电磁兼容和电气安全等要求。
(13)控制系统需要具有良好的可扩展性和可维护性，方便以后设计升级以及非
设计人员进行故障定位。

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   (1)通断控制调压
通断控制调压是通过在正弦波波形过零时开关管进行开关，根据控制正弦波导通和
关断的数量进行调压。通断控制调压的优点就是开关管承受的电压小，因此对开关管的
要求不高;输出的波形仍然是正弦波，只不过是间断的。缺点就是无法进行无级别调压，
调压倍数从1倍直接跳到了0.5倍，幅值跳跃过大;输出波形有间断造成驱动不稳定。
通断控制调压如用于产生磁场，会造成磁场不连续，并会在通断过程中产生很大的
续流电流。
   C2)相位控制调压
相位控制调压使用晶闸管通过控制正弦波的导通角a来控制输出电压，其在正弦波
的正半周和负半周的导通角是相同的，因此正负半周输出波形面积仍然是相等的[[32] o
相位控制调压方法较简单，但是其输出的电压波形不是正弦波，不满足本文需求。
   (3)斩波控制调压
斩波控制调压利用脉宽调试技术(PWM)将交流电压波形分割成细小的方波脉冲，
通过调节方波脉冲的占空比即可改变输出电压[[33]。斩波控制满足本文需求，不过为了控
制输出电压精度，本文需要先通过对交流进行斩波控制来得到直流电，然后再通过斩波
控制逆变为期望的正弦波。

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需求:正弦交变磁场频率5}200Hz连续可调。
分析:此项需求对设计输出提出了变频的要求。
从结构上看，电源变频可分为交一交变频和交一直一交变频两种。交一交变频的开关管一
般是晶闸管，利用晶闸管在交变电网中电压过零并为负的特点使晶闸管能够自然关断。
虽然交一交变频中有很多优点比如不含有直流成分、晶闸管自然关断等优点，也存在使
用晶闸管过多、功率因数过低等缺点[[34]0
交一直一交变频是先将电网中的交流电整流并滤波成直流电，然后通过脉宽调制技术
逆变输出任意想要的波形[[35]。交一直一交变频虽然成本较高，但是能很好的达到本文需求，
因此本文选用交一直一交的变频方法。

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(1)控制系统:控制系统是磁疗仪的核心，它通过对霍尔电压反馈、霍尔电流反
馈、DS 18B20温度反馈和对射式超声波位置反馈数据进行处理和分析，分别来调节磁感
应强度及频率输出、温振热磁振子输出和治疗位置;通过串口屏来进行友好的人机交互，
将上述反馈信息及时的呈现在控制人员面前并快速的相应控制人员的相关操作。
(2)磁场产生系统:通过交一直一交的波形逆变，控制系统可以通过使用单片机定
时器来实现准确的频率控制，通过霍尔电流反馈来实现准确的磁感应强度控制。逆变器
的PFC功率因数校正模块为外购部件。
(3)治疗环定位系统:治疗环定位系统产生符合系统要求的频率和磁感应强度的
磁场，并通过对射式超声波准确定位人体治疗位置。
(4)隔离电源:在控制系统中，为了减小各电路模块之间的千扰以及控制系统电
路的安全，本设计采用了四部分相互隔离的地。分别是主控电路、温度传感器电路、逆
变器驱动电路和继电器驱动电路
(5)温振热磁振子系统:此模块为外购模块，独立于磁疗环系统为被治疗者提供
集磁场、震动和温度于一体的保健作用。

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磁疗仪硬件系统结构如图2.3所示，由于控制系统以12V和3.3V电源为主，而逆
变系统电源直流电压高达389V，因此硬件系统按照弱电和强电来区分，主要包括电子
系统和电力系统两部分:
(1)电子系统电路设计，即控制电路的设计，主要包括以下几个部分。
①中央处理器电路:中央处理器电路主要是MCU的最小系统电路加上一些方便测
试的指示元件，比如LED灯和蜂鸣器等。
②触控式串口屏电路:触控式串口屏主要是为了进行人机交互，将使用者需要的
信息及时地显示在屏幕上。
③反馈电路:一共有四路反馈电路，分别是逆变输出霍尔电压反馈、线圈负载回
路中的电流反馈、治疗环位置反馈和磁振热温振子的温度反馈。输出电压电流采样电路
是通过霍尔传感器来采集输出回路中的电压和电流，使逆变器输出成为闭环输出，方便
进行Pm调节。
④继电器驱动电路:由于需要在不同频率段进行串联谐振电容的切换，因此需要
较多的继电器，单片机本身不足以驱动继电器，且考虑到隔离的因素，因此需要专门的
驱动电路。
⑤隔离及电源电路:隔离芯片和隔离电源组成了四路相互隔离的地。
(2)电力系统电路，主要为DC/AC电路及其带线圈负载输出电路，包括以下几
个部分
①全桥逆变主电路:将389V直流侧电压逆变成任意频率的正弦波。
②MOSFET吸收电路:释放和吸收在突然断开电路后感性中存储的能量，防止其
在MOSFET两端产生高压将其损坏。
③输出滤波电路:将 SPWM产生的高频方波逆变出需要的低频正弦波。
④串联谐振电路:抵消在逆变输出频率较高时线圈电感产生的感抗来增大回路电
流，最终达到在不增加输出电压的情况下增大输出磁感应强度。
⑤继电器灭弧电路:通过限制继电器开关瞬间感性负载产生的电压来避免继电器
触头产生电弧来延长继电器寿命。
⑥MOSFET驱动电路:驱动MO SFET使其能够可靠快速地开关，减小其平台期，
控制发热量。

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(1)  SPWM任务:AD任务传回的输出电压和电流反馈基础数据进行P}计算后
进行SPWM计算表的更新，然后用查表法进行SPWM输出。
(2)串口屏任务:方便快捷地进行人机交互。
<3)磁疗环定位任务:读取治疗位置，准确定位治疗位置，控制各部位治疗时间。
   (4)温热治疗任务:控制温热磁振子的通断时间，读取磁振子自带的温度传感器
DS 18B20返回的温度数值，进而控制温热磁振子的温度。
(5)存储任务:在EEPROM上存储用户自定义处方和用户设置数据，使数据能
够掉电保存。
   (6)报警任务:根据标准YY0709(医用电气设备第1-8部分:安全通用要求并
列标准:通用要求医用电气设备和医用电气系统中报警系统的测试和指南)的要求安
排各项报警。

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磁疗仪进行治疗时治疗环在长度为2米的导轨上进行反复移动，为了准确定位治疗
位置，需要实时知道治疗环所处位置。
   (1)拉线传感器和拉杆传感器
拉线传感器通过将位移量转化为传感器拉线的电阻量，可以在恶劣环境下可靠工
作。拉线传感器可以输出电阻信号、0}-SVDC电压信号、0^-l OVDC电压信号、4 }-20mA
电流信号等供用户进行选择。拉线传感器测量精度不高，测量距离远;拉杆传感器测量
精度较高，但是测量距离比较近。对于本文而言，拉线传感器成本偏高且拉线可能与治
疗环的电源线和信号线相互缠绕，造成拉线传感器测量失准或者失败。不过拉线传感器
可以作为本文治疗环位移检测的备用方案。
   (2)一体式超声波
超声波测距是非接触式测量，可以比一般接触式测量更为可靠的工作。超声波检测
按照检测方法分为相位检测法、幅值检测法和渡越时间检测法三种，相位检测是通过比
较声波发送端和接收端的相位差判定距离，幅值检测法是通过比较发送和接收端超声波
幅值的衰减程度来判定距离，渡越时间检测是通过比较发送端发送超声波时间和接收端
接收超声波的时间差来判定距离「84]0
一体式超声波指超声波发射部分和超声波接收部分在一起的模块，优点是能够节省
空间和减少布线。但是由于本文测距模块是在狭长空间环境中的应用，超声波发射端发
射角比较大，因此一体式超声波不适用于本文。
   (3)对射式超声波
对射式超声波是发射和接收端分别在待测距离的两端，其发送端和接收端有一端是
需要跟着治疗环同步移动。对射式超声波和一体式超声波相比，测试距离大幅增加，且
比较适合于狭小空间内的测距。在实验室原有一体式超声波测距的技术基础上，本文将
其改为对射式超声波。

STM32F4的交变磁场治疗系统

技术奇才奖章

伴坛终老