CN109276806A - 刺激强度可实时调整的可穿戴式恒流输出装置与控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种刺激强度可实时调整的可穿戴式恒流输出装置与控制方法。包括处理器及与该处理器连接的用于实现处理器与上位机通信的通讯模块、用于为整个装置供电的电源模块、升压单元、恒流输出单元；所述升压模块包括分别与处理器连接的N通道升压模块，所述恒流输出单元包括分别与处理器连接的N通道恒流输出模块，其中，N为正整数；该装置通过处理器实时调整刺激参数和多通道输出双极性恒流脉冲的功能。本发明通过接收串口数据实现对刺激参数的调整，可以实时对输出脉冲的频率、幅度和脉宽进行调整；本发明输出波形是双极性脉冲，提供正负电荷相等，不易在身体组织积累电荷，对身体组织造成的伤害较小，不容易造成肌肉疲劳，很好的解决了单极性脉冲刺激肌肉导致电荷在组织中积累而产生肌肉疲劳的问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种刺激强度可实时调整的可穿戴式恒流输出装置与控制方法。
背景技术
功能性电刺激（Functional Electrical Stimulation，FES）疗法是一种在中枢神经系统缺失刺激输出时的替代疗法，是指利用安全电流刺激主要由脊髓损伤、脑创伤和中风等中枢神经病变导致功能性障碍的目标肌肉再次传出神经兴奋，使肌肉收缩从而获得功能恢复的技术手段。目前，该技术已经应用在脊髓损伤患者的心血管锻炼、辅助瘫痪个体移动肢体、修正不完全脊髓损伤患者行走期间的步态和恢复组织器官功能等康复领域。目前，采用FES恢复脊髓损伤、脑创伤和中风患者的运动功能是康复工程研究的热门课题，并且已经显示出在功能上恢复具有运动障碍的个体，例如中风，多发性硬化和创伤性脑损伤等。
目前，大多数临床应用的FES系统属于开环系统，开环的FES系统是在满足特定条件时执行预设刺激序列或需要用户连续输入刺激命令，这意味着控制器不会收到有关实际状态的信息，也就无法根据患者自身情况修改刺激参数。然而，在已发表的论文和临床应用中发现，对于脊髓损伤患者的许多潜在应用需要实时控制FES系统来完成复杂的刺激，例如维持站立期间的平衡、坐下时躯干控制和步行等等。这些应用需要补偿由于模型不准确和干扰引起的误差，需要闭环FES系统根据患者自身情况调节刺激参数，用于补偿模型不准确和干扰引起的误差，而开环的FES系统显然无法做到，因此，闭环控制的FES刺激系统就显得尤其重要。此外，闭环的FES刺激系统比开环系统需要更少的用户交互，以便用户在使用系统时可以专注于其他活动。
虽然市场上已经有一些FES设备用于临床治疗，但是大多数FES设备都存在一些缺陷：一、输出的电刺激强度序列是预先设定，无法在使用过程中根据患者实际情况实时调整刺激参数；二、输出脉冲为单极性，造成电荷累积导致肌肉疲劳；三、多为单通道FES设备，无法满足同时对多块肌肉进行电刺激的应用需求；四、刺激输出为非恒流，造成刺激量不稳定，患者使用舒适度差；五、采用市电供电，体积较大，无法在需要进行穿戴的场合下应用，例如在足下垂患者行走时的应用。
本发明克服了现有技术中FES设备的上述缺点，实现了可以实时调整刺激参数和多通道输出双极性脉冲的功能，并且输出恒流脉冲信号，同时本发明采用锂电池供电，体积小，重量轻，便于穿戴，这也是本发明的优点。本发明可以应用于FES闭环系统的研究，能够实现在FES闭环系统中对刺激参数实时控制，解决了现有FES设备不能实时控制刺激参数和单通道输出单极性脉冲的技术难题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种刺激强度可实时调整的可穿戴式恒流输出装置与控制方法，可以实现实时调整刺激参数和多通道输出双极性脉冲的功能，并且输出恒流脉冲信号，同时本发明采用锂电池供电，体积小，重量轻，便于穿戴。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种刺激强度可实时调整的可穿戴式恒流输出装置，包括处理器及与该处理器连接的用于实现处理器与上位机通信的通讯模块、用于为整个装置供电的电源模块、升压单元、恒流输出单元；所述升压模块包括分别与处理器连接的N通道升压模块，所述恒流输出单元包括分别与处理器连接的N通道恒流输出模块，其中，N为正整数；该装置通过处理器实时调整刺激参数和多通道输出双极性恒流脉冲的功能。
在本发明一实施例中，所述电源模块包括锂电池及与其连接的USB充电电路、电压转换电路。
在本发明一实施例中，所述N通道升压模块均包括与所述锂电池连接的初级升压电路、与所述初级升压电路连接的次级升压电路、与所述初级升压电路连接的DAC转换器、与所述次级升压电路连接的数字电位器，所述DAC转换器、数字电位器还分别连接至所述处理器。
在本发明一实施例中，所述N通道恒流输出模块包括与所述次级升压电路连接的H桥电路、与所述H桥电路连接的恒流输出电路，所述H桥电路、恒流输出电路还分别连接至所述处理器。
本发明还提供了一种基于上述所述刺激强度可实时调整的可穿戴式恒流输出装置的控制方法，包括如下步骤，
步骤S1、处理器上电初始化后，判断串口通过通讯模块接收一组数据后产生的标记bRxCmdReady 是否为 1，如果bRxCmdReady≠1，则无电刺激脉冲输出，直到标记bRxCmdReady等于1，才执行后续步骤；
步骤S2、将串口接收一组数据后产生的标记bRxCmdReady置0，然后根据接收的通道信号选择对应电刺激的通道；
步骤S3、判断是否对相应通道使能，如果没有对该相应通道使能，则关闭升压单元，封锁恒流输出单元的H桥电路，无电刺激脉冲输出；如果确定对该相应通道使能，再执行下一步；
步骤S4、判断是否需要调节输出电刺激脉冲的幅值，如果不需要调节电刺激脉冲的幅度，则执行步骤S6，如果需要调整幅值，则执行下一步；
步骤S5、执行升压操作，计算出初级升压参数、次级升压参数和用于控制H桥电路工作的定时器中断控制参数，以及在满足配置升压参数的条件下，将初级升压参数和次级升压参数通过STM32处理器的I2C接口配置升压单元的DAC转换器和数字电位器的寄存器；
步骤S6、根据串口接收的数据计算出H桥电路的控制参数，其中包括和输出高低电平的定时时间；
步骤S7、根据步骤S5中计算得到的该相应通道恒流输出单元的H桥电路的定时器中断的控制参数使能定时器中断或者禁止定时器中断，然后返回判断bRxCmdReady是否等于1，如果条件不成立，保持输出电刺激脉冲，如果条件成立，执行步骤S2及后续步骤，如此反复循环，实现对幅度、频率和脉宽的实时控制；当定时器中断使能后，通过定时器中断服务子程序控制恒流输出单元的H桥电路输出脉冲以及控制H桥电路的恒流输出。
在本发明一实施例中，当处理器接收的数据只启动一个通道时，则所述刺激强度可实时调整的可穿戴式恒流输出装置为单通道输出电刺激，当处理器接收到不同的数据启动不同通道时，则所述刺激强度可实时调整的可穿戴式恒流输出装置为多通道输出电刺激。
在本发明一实施例中，所述步骤S5的具体实现步骤如下：
步骤S51、根据状态机状态State的值执行相应的操作：
①当状态机状态State=0，参数初始化，将Set_up、bEa和bTimer赋值为0，分别表示配置升压参数的条件不成立、次级升压电路不启动和控制H桥电路工作的定时器的中断不启动，当Set_up等于1表示可以进行配置升压参数，bEa等于1表示可以启动次级升压，bTimer等于1表示使能控制H桥的定时器的中断，然后将状态机状态State赋值为1；
②当状态机State=1，由LoadRes=(OutPSum-OutNSum)/((OutNSum-IsSum)/1500)计算得到与所述刺激强度可实时调整的可穿戴式恒流输出装置连接的电极片两端的平均负载大小，判断LoadRes是否在900欧姆到4000欧姆之间，如果在这个范围内，则将状态机状态State赋值为2，如果负载不在这个范围内，则将Set_up赋值为1；
③当状态机State=2，由TargetVol=Amp*LoadRes计算出升压单元的次级升压电路的输出电压值，其中Amp是从串口接收的参数，表示电刺激脉冲的幅值，再判断TargetVol是否大于电压临界值HighLimit，如果TargetVol大于HighLimit，将bEa赋值为1，表示需要进行次级升压，如果TargetVol小于HighLimit，将bEa赋值为0，表示不需要进行次级升压；然后将State赋值为3和bEa赋值为1以及bTimer赋值为1；
④当状态机State不等于0、1和2，将Set_up赋值为1；
步骤S52、根据步骤S51的结果，判断次级升压控制量bEa是否为1，如果bEa=1，则根据TargetVol的大小，通过查询和线性插值的方法匹配对应的次级升压参数，如果bEa≠1，则得到次级升压参数为0；再判断步骤S51中的状态标志State是否大于2，如果State不大于2，得到初级升压参数则为0，如果State大于2，再判断bEa是否为1，如果bEa=1，得到的初级升压参数也为0，如果bEa≠1，同样根据TargetVol的大小，通过查询和线性插值的方法匹配对应的初级升压参数；
步骤S53、判断配置升压参数的条件是否成立，当Set_up不为1时，即配置升压参数的条件不成立，则返回继续执行步骤S51和步骤S52的操作，直到Set_up为1时，即配置升压参数的条件成立，将计算得到的初级升压参数和次级升压参数分别用于控制升压单元的DAC转换器和数字电位器的寄存器。
在本发明一实施例中，所述步骤S6的具体实现步骤如下：
步骤S61、定时器中断产生后，关闭定时器；
步骤S62、根据当前脉冲状态标志设置定时器的定时时间和脉冲状态标记，其中初始状态标志为CH_INIT；其中，当LowTime超过定时器计数最大值，定时器需要先工作LowPeriod个周期，PosLowPeriod和NegLowPeriod分别用于判断输出正、反向脉冲时定时器当前计数周期是否达到LowPeriod，当这个条件成立，才会改变脉冲的状态标志；
步骤S63、启动定时器；
步骤S64、当脉冲状态标志State=CLTP_HIGH或State=CLTN_HIGH条件成立时，即表示输出高电平期间，执行步骤S65，条件不成立时，退出中断服务子程序；
步骤S65、判断定时器当前计数值是否小于T，T为小于并且接近定时器设定值的数；当定时器当前计数值小于T时，通过AD模块采样负载电流，将负载电流与设定电流进行比较得到电流偏差值，其中，If为当前负载电流、Ir为电流设定值，根据偏差值微调数字电位器，当>0，增大升压单元的数字电位器的阻值，减小升压单元的升压电路的输出电压，从而减小负载电流；当<0，减少升压单元的数字电位器的阻值，增大升压单元的升压电路的输出电压，从而增大负载电流；然后返回继续执行当前步，直到定时器当前计数值大于T时，退出定时器中断服务子程序。
相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明可以实时调整刺激参数和多通道输出双极性脉冲的功能，并且输出恒流脉冲信号，同时本发明采用锂电池供电，体积小，重量轻，便于穿戴；本发明可以应用于FES闭环系统的研究，能够实现在FES闭环系统中对刺激参数实时控制，解决了现有FES设备不能实时控制刺激参数和单通道输出单极性脉冲的技术难题；本发明是恒流输出装置，采用恒流的脉冲刺激人体肌肉产生的治疗效果更好。
附图说明
图1为本发明装置原理框图。
图2为STM32工作电路。
图3为USB转串口工作电路。
图4为USB充电工作电路。
图5为锂电池电压检测工作电路。
图6为3.3V电压转换工作电路。
图7为通道一的初级升压工作电路。
图8为DAC转换工作电路。
图9为通道一的次级升压工作电路。
图10为通道一的H桥工作电路。
图11为生成12V电压工作电路。
图12为通道一的恒流输出工作电路。
图13为通道一的采样H桥两个输出端电压工作电路。
图14为通道二、三、四的初级升压工作电路。
图15为通道二、三、四的次级升压工作电路。
图16为通道二、三、四的H桥工作电路。
图17为通道二、三、四的恒流输出工作电路。
图18为通道二、三、四的采样H桥两个输出端电压工作电路。
图19为主程序流程图。
图20为串口中断程序流程图。
图21为升压操作程序流程图。
图22为计算频率和脉宽流程图。
图23为定时器中断程序流程图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。
本发明提供了一种刺激强度可实时调整的可穿戴式恒流输出装置，包括处理器及与该处理器连接的用于实现处理器与上位机通信的通讯模块、用于为整个装置供电的电源模块、升压单元、恒流输出单元；所述升压模块包括分别与处理器连接的N通道升压模块，所述恒流输出单元包括分别与处理器连接的N通道恒流输出模块，其中，N为正整数；该装置通过处理器实时调整刺激参数和多通道输出双极性恒流脉冲的功能。
所述电源模块包括锂电池及与其连接的USB充电电路、电压转换电路。所述N通道升压模块均包括与所述锂电池连接的初级升压电路、与所述初级升压电路连接的次级升压电路、与所述初级升压电路连接的DAC转换器、与所述次级升压电路连接的数字电位器，所述DAC转换器、数字电位器还分别连接至所述处理器。所述N通道恒流输出模块包括与所述次级升压电路连接的H桥电路、与所述H桥电路连接的恒流输出电路，所述H桥电路、恒流输出电路还分别连接至所述处理器。
本发明还提供了一种基于上述所述刺激强度可实时调整的可穿戴式恒流输出装置的控制方法，包括如下步骤，
步骤S1、处理器上电初始化后，判断串口通过通讯模块接收一组数据后产生的标记bRxCmdReady 是否为 1，如果bRxCmdReady≠1，则无电刺激脉冲输出，直到标记bRxCmdReady等于1，才执行后续步骤；
步骤S2、将串口接收一组数据后产生的标记bRxCmdReady置0，然后根据接收的通道信号选择对应电刺激的通道；
步骤S3、判断是否对相应通道使能，如果没有对该相应通道使能，则关闭升压单元，封锁恒流输出单元的H桥电路，无电刺激脉冲输出；如果确定对该相应通道使能，再执行下一步；
步骤S4、判断是否需要调节输出电刺激脉冲的幅值，如果不需要调节电刺激脉冲的幅度，则执行步骤S6，如果需要调整幅值，则执行下一步；
步骤S5、执行升压操作，计算出初级升压参数、次级升压参数和用于控制H桥电路工作的定时器中断控制参数，以及在满足配置升压参数的条件下，将初级升压参数和次级升压参数通过STM32处理器的I2C接口配置升压单元的DAC转换器和数字电位器的寄存器；
步骤S6、根据串口接收的数据计算出H桥电路的控制参数，其中包括和输出高低电平的定时时间；
步骤S7、根据步骤S5中计算得到的该相应通道恒流输出单元的H桥电路的定时器中断的控制参数使能定时器中断或者禁止定时器中断，然后返回判断bRxCmdReady是否等于1，如果条件不成立，保持输出电刺激脉冲，如果条件成立，执行步骤S2及后续步骤，如此反复循环，实现对幅度、频率和脉宽的实时控制；当定时器中断使能后，通过定时器中断服务子程序控制恒流输出单元的H桥电路输出脉冲以及控制H桥电路的恒流输出。
当处理器接收的数据只启动一个通道时，则所述刺激强度可实时调整的可穿戴式恒流输出装置为单通道输出电刺激，当处理器接收到不同的数据启动不同通道时，则所述刺激强度可实时调整的可穿戴式恒流输出装置为多通道输出电刺激。
所述步骤S5的具体实现步骤如下：
步骤S51、根据状态机状态State的值执行相应的操作：
①当状态机状态State=0，参数初始化，将Set_up、bEa和bTimer赋值为0，分别表示配置升压参数的条件不成立、次级升压电路不启动和控制H桥电路工作的定时器的中断不启动，当Set_up等于1表示可以进行配置升压参数，bEa等于1表示可以启动次级升压，bTimer等于1表示使能控制H桥的定时器的中断，然后将状态机状态State赋值为1；
②当状态机State=1，由LoadRes=(OutPSum-OutNSum)/((OutNSum-IsSum)/1500)计算得到与所述刺激强度可实时调整的可穿戴式恒流输出装置连接的电极片两端的平均负载大小，判断LoadRes是否在900欧姆到4000欧姆之间，如果在这个范围内，则将状态机状态State赋值为2，如果负载不在这个范围内，则将Set_up赋值为1；
③当状态机State=2，由TargetVol=Amp*LoadRes计算出升压单元的次级升压电路的输出电压值，其中Amp是从串口接收的参数，表示电刺激脉冲的幅值，再判断TargetVol是否大于电压临界值HighLimit，如果TargetVol大于HighLimit，将bEa赋值为1，表示需要进行次级升压，如果TargetVol小于HighLimit，将bEa赋值为0，表示不需要进行次级升压；然后将State赋值为3和bEa赋值为1以及bTimer赋值为1；
④当状态机State不等于0、1和2，将Set_up赋值为1；
步骤S52、根据步骤S51的结果，判断次级升压控制量bEa是否为1，如果bEa=1，则根据TargetVol的大小，通过查询和线性插值的方法匹配对应的次级升压参数，如果bEa≠1，则得到次级升压参数为0；再判断步骤S51中的状态标志State是否大于2，如果State不大于2，得到初级升压参数则为0，如果State大于2，再判断bEa是否为1，如果bEa=1，得到的初级升压参数也为0，如果bEa≠1，同样根据TargetVol的大小，通过查询和线性插值的方法匹配对应的初级升压参数；
步骤S53、判断配置升压参数的条件是否成立，当Set_up不为1时，即配置升压参数的条件不成立，则返回继续执行步骤S51和步骤S52的操作，直到Set_up为1时，即配置升压参数的条件成立，将计算得到的初级升压参数和次级升压参数分别用于控制升压单元的DAC转换器和数字电位器的寄存器。
所述步骤S6的具体实现步骤如下：
步骤S61、定时器中断产生后，关闭定时器；
步骤S62、根据当前脉冲状态标志设置定时器的定时时间和脉冲状态标记，其中初始状态标志为CH_INIT；其中，当LowTime超过定时器计数最大值，定时器需要先工作LowPeriod个周期，PosLowPeriod和NegLowPeriod分别用于判断输出正、反向脉冲时定时器当前计数周期是否达到LowPeriod，当这个条件成立，才会改变脉冲的状态标志；
步骤S63、启动定时器；
步骤S64、当脉冲状态标志State=CLTP_HIGH或State=CLTN_HIGH条件成立时，即表示输出高电平期间，执行步骤S65，条件不成立时，退出中断服务子程序；
步骤S65、判断定时器当前计数值是否小于T，T为小于并且接近定时器设定值的数；当定时器当前计数值小于T时，通过AD模块采样负载电流，将负载电流与设定电流进行比较得到电流偏差值，其中，If为当前负载电流、Ir为电流设定值，根据偏差值微调数字电位器，当>0，增大升压单元的数字电位器的阻值，减小升压单元的升压电路的输出电压，从而减小负载电流；当<0，减少升压单元的数字电位器的阻值，增大升压单元的升压电路的输出电压，从而增大负载电流；然后返回继续执行当前步，直到定时器当前计数值大于T时，退出定时器中断服务子程序。
以下为本发明的具体实现实例。
本实例提供一种4通道的刺激强度可实时调整的可穿戴式恒流输出装置，具体的本实例基于STM32处理器（选用STM32F407VET6等具有同功能芯片）设计刺激强度可实时调整的可穿戴式恒流输出装置，采用的技术方案是，通过通讯模块接收上位机发送的通道信号、通道使能信号和刺激参数等数据，刺激参数包括频率、幅度和脉宽，实现实时调整恒流输出强度。具体硬件组成包括：STM32处理器、通讯模块、电源模块、升压模块、恒流输出模块。本装置采用4.2V可充电锂电池作为电源，通过USB线对锂电池充电，锂电池经过电压转换电路作为STM32的驱动电压，同时锂电池作为升压模块的输入电压，升压模块的输出电压作为恒流输出模块的工作电压。恒流输出装置的各模块连接如图1，其中四个通道的升压模块、以及恒流输出模块的电路结构相同。
本实例的硬件功能模块设计如下：
STM32处理器选用STM32F407VET6，是一款32位处理器，CPU工作频率为72MHz，外设丰富，满足恒流输出装置需要的定时器、ADC、I2C、GPIO和USART功能模块。I2C外设模块用于配置DAC转换器和数字电位器的寄存器；8个普通I/O口用于控制4个通道的恒流输出模块；ADC模块用于采集电池电压和各通道恒流输出电路的电压。STM32工作电路如附图2。
通讯模块由STM32自带外设的USART串口功能。STM32与上位机通讯时，串口通讯参数要互相匹配才能互相传输数据，串口通讯参数如下：波特率为115200kb/s、8位数据位、1位停止位和无校验位。上位机选择其他MCU时，MCU的RDX和TDX引脚分别接在STM32的TDX和RDX引脚上，串口通讯协议保持一致就可以实现串口通信；当上位机选用PC的控制程序时，在串口通讯协议保持一致的情况下，STM32与PC控制程序通过CH340C芯片实现串口通讯，CH340C是一个USB总线的转接芯片，实现USB转串口，其工作电路如附图3。采用常用的MODEM联络信号，这里使用CH340C芯片的RTS和DTR引脚，CH340C芯片内置上拉电阻，D+和D-作为USB信号直接接到USB总线的D+和D-数据线上，RDX1和TDX1作为串行数据输入、输出端口，用于STM32接收数据和发送数据。
电源模块由电池、USB充电电路和电压转换电路组成，电池选用一节4.2V的可充电锂电池，通过USB线对电池充电，电池充电电路采用MP2615高效率充电器芯片，电压转换电路将电池电压转换为供STM32工作的电压。USB充电电路如附图4。在本装置中，绿灯D21和红灯D22分别表示有效电源输入指示灯和充电指示灯，当USB线输入5V电压时，红灯和绿灯常亮。充电电路只需对1节4.2V锂电池充电，因此，MP2615第4引脚通过0R电阻和VCC引脚连接，设置为对1节电池充电，第5引脚悬空，设置为对4.2V电池充电。锂电池电压检测电路如附图5，为了防止锂电池电压超过ADC模块的允许电压范围，锂电池需要串联2个100K电阻分压，分压后输入到STM32的ADC模块，用于检测电池电量，当绿灯D16熄灭，表示电池电压过低，STM32无法正常工作，需要对锂电池充电。3.3V电压转换工作电路如附图6，锂电池串联一个开关，再与XC6206芯片连接，当开关闭合，4.2V电压经过XC6206芯片转换为3V3电压作为STM32的驱动电压。
升压模块是包括初级升压电路和次级升压电路的两级升压电路，初级升压电路和次级升压电路采用并联的方式一起将电源电压升高到需要的电压。锂电池作为初级升压电路的输入电压，经初级升压后的电压作为次级升压电路的输入电压。初级升压采用FP6296XR芯片，其工作电路如附图7，下面具体说明通道1的控制方法，其它三个通道（图14）控制方法相同。在本装置中，初级升压电路的输入电压为4.2V，输出电压高达13V，初级升压芯片的第5引脚作为电压反馈引脚，反馈电压VFB为1.2V，外接一个线性加法电路。通过控制加法电路输入端CH1_ADJ2的电压大小，从而控制输出电压。增大CH1_ADJ2的电压，可以减小初级升压电路的输出电压；反之，则增大初级升压电路的输出电压。CH1_ADJ2的电压由STM32的I2C接口控制DAC转换器输出的电压决定，DAC转换工作电路如附图8。将输出电压作为次级升压电路的输入电压，次级升压电路采用Boost升压电路，其工作电路如附图9，下面具体说明通道1的控制方法，其它三个通道（图15）控制方法相同。在本系统中，采用高性能PWM控制器BIT3260控制MOS管的开关，其OCP引脚电压为0.5V，外接一个数字电位器MCP4018-502，数字电位器再串联一个100K的电阻R7，通过分压原理计算输出电压为（假设数字电位器的电阻为）。通过STM32的I2C接口配置数字电位器的寄存器，改变数字电位器的阻值，实现控制次级升压的输出电压。
恒流输出模块由H桥电路和恒流输出电路组成，四个通道（图16、图17、图18）的控制方法相同，下面具体描述通道1的控制方法，通道1的H桥工作电路如附图10。STM32的I/O口控制H桥的交替导通，根据计算出的频率和脉宽控制输出双极性脉冲的频率和脉宽。H桥的下管采用MOS管，它的驱动电压设置为12V，生成12V电压工作电路如附图11，本装置采用FP6291升压集成芯片，5引脚的反馈电压为0.6V，外接分压电阻R149和R150，确定其输出电压为12V，提供MOS管的驱动电压。恒流输出电路如附图12，R50电阻用于小电流输出和负载电阻测量。R50电阻若接入电路，则与负载形成串联电路，通过H桥两个输出端的电压和R50电阻的电压，可以测量负载电阻大小，CH1_SW2开关决定是否接通旁路R50,CH1_SW1决定是否打开该通道。采样H桥两个输出端的电压的工作电路如附图13，为了防止电压超过ADC模块的允许电压范围，采用电阻分压后再输入ADC模块。恒流输出实际上是由电压控制的恒流输出电路，先计算出输出所需电流对应的电压，通过I2C接口配置DAC转换器和数字电位器对应的寄存器，使得次级升压电路的输出电压稳定，检测流过负载的电流，当负载电流小于设定值值，减少数字电位器的阻值，增大升压电路的输出电压，从而增大负载电流；当负载电流大于设定值，增大数字电位器的阻值，减小升压电路的输出电压，从而减小负载电流，最终实现恒流输出。
本实例的刺激强度可实时调整的恒流输出装置的控制方法设计如下：
通过串口中断服务子程序接收来自上位机的数据，上位机包括但不仅限于ARM处理器和PC控制程序等。STM32接收寄存器接收到一个字符的数据产生一次串口中断，将数据读取到STM32中，其中包括通道信号、通道使能信号、幅值、频率和脉宽等数据，再根据串口中断接收的数据计算升压参数和H桥控制参数，其中升压参数包括初级升压参数和次级升压参数，H桥控制参数包括输出高低电平对应的时间。具体步骤如下：
1、STM32上电初始化后，判断串口接收一组数据后产生的标记bRxCmdReady 是否为 1，如果bRxCmdReady≠1，则无电刺激脉冲输出，直到标记bRxCmdReady等于1，才执行后续步骤；
2、将串口接收一组数据后产生的标记bRxCmdReady置0，然后根据接收的通道信号选择对应电刺激的通道；
3、判断是否对该通道使能，如果没有对该通道使能，则关闭升压电路，封锁H桥，无电刺激脉冲输出；如果确定对该通道使能，再执行下一步；
4、判断是否需要调节输出电刺激脉冲的幅值，如果不需要调节电刺激脉冲的幅度，则执行第6步，如果需要调整幅值，则执行下一步；
5、执行升压操作，计算出初级升压参数、次级升压参数和用于控制H桥工作的定时器中断控制参数，以及在满足配置升压参数的条件下，将初级升压参数和次级升压参数通过I2C接口配置DAC转换器和数字电位器的寄存器；
6、根据串口接收的数据计算出H桥的控制参数，其中包括和输出高低电平的定时时间；
7、根据第5步中计算得到的该通道H桥的定时器中断的控制参数使能定时器中断或者禁止定时器中断，然后返回判断bRxCmdReady是否等于1，如果条件不成立，保持输出电刺激脉冲，如果条件成立，执行第2步及后续步骤，如此反复循环，实现对幅度、频率和脉宽的实时控制。当定时器中断使能后，通过定时器中断服务子程序控制H桥输出脉冲的波形以及控制H桥恒流输出。
此外，需要说明的是，当STM32接收的数据只启动一个通道时，则可穿戴式恒流输出装置为单通道输出电刺激，当STM32接收到不同的数据启动不同通道时，则可穿戴式恒流输出装置为多通道输出电刺激。其主程序控制流程图如图19。
串口中断程序流程图如图20，通信格式是由2个字节的帧头、6个字节的数据参数和2个字节的帧尾组成。STM32接收寄存器接收到一个字节的数据产生一次串口中断，将数据读取到STM32中，当串口接收的前2个字节分别为5A和A5时，即前2个字节为帧头，然后将后面接收的6个字节作为数据参数，存在STM32自定义数组Buf的第2位到第7位，再接收后两个字节分别为3C和C3时,即最后2个字节为帧尾，表示完成接收一组数据，将标记bRxCmdReady赋值为1。其中6个字节的数据参数分别表示通道信号、通道使能信号、频率、幅值和脉宽,脉宽占2个字节，频率为0-100Hz、幅度为0-50mA以及脉宽为0-1000μs。
在需要改变幅值的情况下，需要进行升压操作，升压操作包括计算参数和配置升压参数两部分，具体程序流程图如图21，采用状态机的方式计算参数，状态机初始状态State=0。先计算出电极两端的负载大小，因为现有文献中指出在皮肤湿润的情况下，人体阻抗约为1千欧，考虑到实际使用情况下皮肤湿润程度不高，导致人体阻抗升高，判断电极两端断阻抗是否在900Ω到4000Ω之间，如果在这个范围内，则认为电极片贴好，否则认为电极片脱落、未贴好或者电极片不够湿润，需要重新粘贴电极片或者更换湿润的电极片。当电极两端的负载在正常范围内，可以输出电刺激，根据负载的大小计算出升压电路需要输出的电压值，根据输出电压计算初级升压参数和次级升压参数，在满足配置升压参数的条件下进行参数配置。具体步骤如下：
1、根据状态机状态State的值执行相应的操作：
①当状态机状态State=0，参数初始化，将Set_up、bEa和bTimer赋值为0，分别表示配置升压参数的条件不成立、次级升压电路不启动和控制H桥工作的定时器的中断不启动，当Set_up等于1表示可以进行配置升压参数，bEa等于1表示可以启动次级升压，bTimer等于1表示使能控制H桥的定时器的中断，然后将状态机状态State赋值为1；
②当状态机State=1，由LoadRes=(OutPSum-OutNSum)/((OutNSum-IsSum)/1500)计算得到电极片两端的平均负载大小，判断LoadRes是否在900欧姆到4000欧姆之间，如果在这个范围内，则将状态机状态State赋值为2，如果负载不在这个范围内，则将Set_up赋值为1；
③当状态机State=2，由TargetVol=Amp*LoadRes计算出次级升压电路的输出电压值，其中Amp是从串口接收的参数，表示电刺激脉冲的幅值，再判断TargetVol是否大于电压临界值HighLimit，如果TargetVol大于HighLimit，将bEa赋值为1，表示需要进行次级升压，如果TargetVol小于HighLimit，将bEa赋值为0，表示不需要进行次级升压。然后将State赋值为3和bEa赋值为1以及bTimer赋值为1；
④当状态机State不等于0、1和2，将Set_up赋值为1；
2、根据第1步的结果，判断次级升压控制量bEa是否为1，如果bEa=1，则根据TargetVol的大小，通过查询和线性插值的方法匹配对应的次级升压参数，如果bEa≠1，则得到次级升压参数为0。再判断第一步的状态标志State是否大于2，如果State不大于2，得到初级升压参数则为0，如果State大于2，再判断bEa是否为1，如果bEa=1，得到的初级升压参数也为0，如果bEa≠1，同样根据TargetVol的大小，通过查询和线性插值的方法匹配对应的初级升压参数；
3、判断配置升压参数的条件是否成立，当Set_up不为1时，即配置升压参数的条件不成立，则返回继续执行第1步和第2步的操作，直到Set_up为1时，即配置升压参数的条件成立，将计算得到的初级升压参数和次级升压参数分别用于控制DAC转换器和数字电位器的寄存器。
计算H桥控制参数程序流程图如图22，控制参数包括高、低电平持续时间，其中Freq表示频率，Width表示脉冲宽度，也表示正反向高电平持续时间，这两个变量是串口接收的刺激参数，Period表示电刺激的周期，是频率的倒数，这里换算成微秒计算，LowTime表示低电平持续时间，输出双极性脉冲时，LowTime等于周期的一半减去脉宽，为了确定电刺激脉冲低电平持续时间是否超出定时器计数最大值，其中定时器计数最大值2的16次方，在程序中引入中间量LowPeriod，其大小等于LowTime整除2的16次方，如果LowPeriod大于0，表示LowTime超出定时器计数最大值，定时器先工作LowPeriod个周期，定时器再计数us_Low个脉冲，在此期间输出低电平脉冲；如果LowPeriod等于0，表示LowTime未超出定时器计数最大值，定时器计数us_Low个脉冲，在此期间输出低电平脉冲。
控制H桥输出脉冲是通过定时器中断实现的，其控制流程图如图23。在定时器中断服务子程序中，根据脉冲状态标志设置定时器的定时时间和设置H桥输出正反向脉冲的开关状态，实现控制输出高低电平的持续时间和输出正向或反向的脉冲；在输出高电平期间，采样流过负载电流，进行闭环控制，实现恒流输出。具体步骤如下：
1、定时器中断产生后，关闭定时器；
2、根据当前脉冲状态标志设置定时器的定时时间和脉冲状态标记，其中初始状态标志为CH_INIT，具体步骤在流程图中已经详细描述，这里不再赘述。其中，当LowTime超过定时器计数最大值，定时器需要先工作LowPeriod个周期，PosLowPeriod和NegLowPeriod分别用于判断输出正、反向脉冲时定时器当前计数周期是否达到LowPeriod，当这个条件成立，才会改变脉冲的状态标志；
3、启动定时器；
4、当脉冲状态标志State=CLTP_HIGH或State=CLTN_HIGH条件成立时，即表示输出高电平期间，执行第5步，条件不成立时，退出中断服务子程序；
5、判断定时器当前计数值是否小于T，T为小于并且接近定时器设定值的数。当定时器当前计数值小于T时，通过AD模块采样负载电流，将负载电流与设定电流进行比较得到电流偏差值，其中，根据偏差值微调数字电位器，当>0，增大数字电位器的阻值，减小升压电路的输出电压，从而减小负载电流；当<0，减少数字电位器的阻值，增大升压电路的输出电压，从而增大负载电流；然后返回继续执行当前步，直到定时器当前计数值大于T时，退出定时器中断服务子程序。
本发明是一种用于FES闭环系统研究的刺激强度可实时调整的恒流输出装置。该装置的使用步骤：
第一步，先将电极片与电刺激输出通道连接好；
第二步，上位机发送满足通讯格式的指令，STM32接收到指令后输出对应幅度、频率和脉宽；
第三步，STM32不断接收上位机发送的数据，实现对刺激参数的实时控制。
以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种刺激强度可实时调整的可穿戴式恒流输出装置，其特征在于，包括处理器及与该处理器连接的用于实现处理器与上位机通信的通讯模块、用于为整个装置供电的电源模块、升压单元、恒流输出单元；所述升压模块包括分别与处理器连接的N通道升压模块，所述恒流输出单元包括分别与处理器连接的N通道恒流输出模块，其中，N为正整数；该装置通过处理器实时调整刺激参数和多通道输出双极性恒流脉冲的功能。
2.根据权利要求1所述的刺激强度可实时调整的可穿戴式恒流输出装置，其特征在于，所述电源模块包括锂电池及与其连接的USB充电电路、电压转换电路。
3.根据权利要求2所述的刺激强度可实时调整的可穿戴式恒流输出装置，其特征在于，所述N通道升压模块均包括与所述锂电池连接的初级升压电路、与所述初级升压电路连接的次级升压电路、与所述初级升压电路连接的DAC转换器、与所述次级升压电路连接的数字电位器，所述DAC转换器、数字电位器还分别连接至所述处理器。
4.根据权利要求3所述的刺激强度可实时调整的可穿戴式恒流输出装置，其特征在于，所述N通道恒流输出模块包括与所述次级升压电路连接的H桥电路、与所述H桥电路连接的恒流输出电路，所述H桥电路、恒流输出电路还分别连接至所述处理器。
5.一种基于权利要求1至4任一所述刺激强度可实时调整的可穿戴式恒流输出装置的控制方法，其特征在于，包括如下步骤，
步骤S1、处理器上电初始化后，判断串口通过通讯模块接收一组数据后产生的标记bRxCmdReady 是否为 1，如果bRxCmdReady≠1，则无电刺激脉冲输出，直到标记bRxCmdReady等于1，才执行后续步骤；
步骤S2、将串口接收一组数据后产生的标记bRxCmdReady置0，然后根据接收的通道信号选择对应电刺激的通道；
步骤S3、判断是否对相应通道使能，如果没有对该相应通道使能，则关闭升压单元，封锁恒流输出单元的H桥电路，无电刺激脉冲输出；如果确定对该相应通道使能，再执行下一步；
步骤S4、判断是否需要调节输出电刺激脉冲的幅值，如果不需要调节电刺激脉冲的幅度，则执行步骤S6，如果需要调整幅值，则执行下一步；
步骤S5、执行升压操作，计算出初级升压参数、次级升压参数和用于控制H桥电路工作的定时器中断控制参数，以及在满足配置升压参数的条件下，将初级升压参数和次级升压参数通过STM32处理器的I2C接口配置升压单元的DAC转换器和数字电位器的寄存器；
步骤S6、根据串口接收的数据计算出H桥电路的控制参数，其中包括和输出高低电平的定时时间；
步骤S7、根据步骤S5中计算得到的该相应通道恒流输出单元的H桥电路的定时器中断的控制参数使能定时器中断或者禁止定时器中断，然后返回判断bRxCmdReady是否等于1，如果条件不成立，保持输出电刺激脉冲，如果条件成立，执行步骤S2及后续步骤，如此反复循环，实现对幅度、频率和脉宽的实时控制；当定时器中断使能后，通过定时器中断服务子程序控制恒流输出单元的H桥电路输出脉冲以及控制H桥电路的恒流输出。
6.根据权利要求5所述的刺激强度可实时调整的可穿戴式恒流输出装置的控制方法，其特征在于，当处理器接收的数据只启动一个通道时，则所述刺激强度可实时调整的可穿戴式恒流输出装置为单通道输出电刺激，当处理器接收到不同的数据启动不同通道时，则所述刺激强度可实时调整的可穿戴式恒流输出装置为多通道输出电刺激。
7.根据权利要求5所述的刺激强度可实时调整的可穿戴式恒流输出装置的控制方法，其特征在于，所述步骤S5的具体实现步骤如下：
步骤S51、根据状态机状态State的值执行相应的操作：
①当状态机状态State=0，参数初始化，将Set_up、bEa和bTimer赋值为0，分别表示配置升压参数的条件不成立、次级升压电路不启动和控制H桥电路工作的定时器的中断不启动，当Set_up等于1表示可以进行配置升压参数，bEa等于1表示可以启动次级升压，bTimer等于1表示使能控制H桥的定时器的中断，然后将状态机状态State赋值为1；
②当状态机State=1，由LoadRes=(OutPSum-OutNSum)/((OutNSum-IsSum)/1500)计算得到与所述刺激强度可实时调整的可穿戴式恒流输出装置连接的电极片两端的平均负载大小，判断LoadRes是否在900欧姆到4000欧姆之间，如果在这个范围内，则将状态机状态State赋值为2，如果负载不在这个范围内，则将Set_up赋值为1；
③当状态机State=2，由TargetVol=Amp*LoadRes计算出升压单元的次级升压电路的输出电压值，其中Amp是从串口接收的参数，表示电刺激脉冲的幅值，再判断TargetVol是否大于电压临界值HighLimit，如果TargetVol大于HighLimit，将bEa赋值为1，表示需要进行次级升压，如果TargetVol小于HighLimit，将bEa赋值为0，表示不需要进行次级升压；然后将State赋值为3和bEa赋值为1以及bTimer赋值为1；
④当状态机State不等于0、1和2，将Set_up赋值为1；
步骤S52、根据步骤S51的结果，判断次级升压控制量bEa是否为1，如果bEa=1，则根据TargetVol的大小，通过查询和线性插值的方法匹配对应的次级升压参数，如果bEa≠1，则得到次级升压参数为0；再判断步骤S51中的状态标志State是否大于2，如果State不大于2，得到初级升压参数则为0，如果State大于2，再判断bEa是否为1，如果bEa=1，得到的初级升压参数也为0，如果bEa≠1，同样根据TargetVol的大小，通过查询和线性插值的方法匹配对应的初级升压参数；
步骤S53、判断配置升压参数的条件是否成立，当Set_up不为1时，即配置升压参数的条件不成立，则返回继续执行步骤S51和步骤S52的操作，直到Set_up为1时，即配置升压参数的条件成立，将计算得到的初级升压参数和次级升压参数分别用于控制升压单元的DAC转换器和数字电位器的寄存器。
8.根据权利要求5所述的刺激强度可实时调整的可穿戴式恒流输出装置的控制方法，其特征在于，所述步骤S6的具体实现步骤如下：
步骤S61、定时器中断产生后，关闭定时器；
步骤S62、根据当前脉冲状态标志设置定时器的定时时间和脉冲状态标记，其中初始状态标志为CH_INIT；其中，当LowTime超过定时器计数最大值，定时器需要先工作LowPeriod个周期，PosLowPeriod和NegLowPeriod分别用于判断输出正、反向脉冲时定时器当前计数周期是否达到LowPeriod，当这个条件成立，才会改变脉冲的状态标志；
步骤S63、启动定时器；
步骤S64、当脉冲状态标志State=CLTP_HIGH或State=CLTN_HIGH条件成立时，即表示输出高电平期间，执行步骤S65，条件不成立时，退出中断服务子程序；
步骤S65、判断定时器当前计数值是否小于T，T为小于并且接近定时器设定值的数；当定时器当前计数值小于T时，通过AD模块采样负载电流，将负载电流与设定电流进行比较得到电流偏差值，其中，If为当前负载电流、Ir为电流设定值，根据偏差值微调数字电位器，当>0，增大升压单元的数字电位器的阻值，减小升压单元的升压电路的输出电压，从而减小负载电流；当<0，减少升压单元的数字电位器的阻值，增大升压单元的升压电路的输出电压，从而增大负载电流；然后返回继续执行当前步，直到定时器当前计数值大于T时，退出定时器中断服务子程序。
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