引言

直流電源在很多場合經常使用,比如企業(yè)研發(fā)產品時、高校實驗室科研與教學實驗時,在產品中也被廣泛應用,例如在數字醫(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

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

可調參數: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≤ 10mA,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,即根據采集的肌電電壓信號,經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控制器內置模數轉換模塊進行A/D轉換,得到數據經過數字濾波、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數據采集,并將得到的數據用于反饋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ARMCortex—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 KBSRAM和256KBFLASH;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調整 , 經過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0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470μF電容、470μH電感、1N4148高速開關管構成。用5 Ω水泥電阻模擬負載,經過0.1 Ω采樣電阻給LM358運放進行一級同向放大,放大倍數約為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。

圖5程序流程圖具體程序流程如下:

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 實驗數據及分析

實際肌電誘發(fā)康復器的輸出恒流值如表1所示。

表1測量的恒流值數據

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0~1000,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模塊中的兩路模數轉換模塊進行A/D轉換。對數控恒流電流源進行程序功能測試,分析測試結果數據,考慮器件實際溫漂的影響,通過數據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具有顯示、數據上傳等功能。實驗數據表明,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。

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2024年第10期第12篇