阅读说明：本技术 一种基于频率自动跟踪的超声理疗仪及频率自动跟踪方法 (Ultrasonic physiotherapy instrument based on frequency automatic tracking and frequency automatic tracking method ) 是由 庞宇 王志成 袁鹏飞 蒋伟 张博臻 赵鸿毅 雷鹏 何思佳 于 2020-04-16 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种基于频率自动跟踪的超声理疗仪,包括：微控制器、信号发生模块、功率放大模块、阻抗匹配模块、频率跟踪模块；本发明的频率自动跟踪系统采用闭环反馈跟踪系统,在超声电源系统工作过程中,频率跟踪模块实时采集超声波换能器两端的电压信号和电流信号并转换成第四驱动信号送入微控制器进而输出脉冲信号至模糊控制器进行自适应调节,最后将自适应调节后的脉冲信号经过DDS电路输出超声激励信号,经过整形滤波电路输出第一驱动信号,经过占空比调节电路输出第二驱动信号,经过功率放大模块输出高稳定和高精度的超声激励信号,经过阻抗匹配模块输出电压信号和电流信号,使得信号输出频率与输入频率逐渐保持一致,实现频率自动跟踪。(The invention discloses an ultrasonic physiotherapy instrument based on frequency automatic tracking, which comprises: the device comprises a microcontroller, a signal generation module, a power amplification module, an impedance matching module and a frequency tracking module; the frequency automatic tracking system adopts a closed-loop feedback tracking system, in the working process of an ultrasonic power supply system, a frequency tracking module collects voltage signals and current signals at two ends of an ultrasonic transducer in real time and converts the voltage signals and the current signals into fourth driving signals to be sent to a microcontroller so as to output pulse signals to a fuzzy controller for self-adaptive adjustment, finally, the pulse signals after self-adaptive adjustment output ultrasonic excitation signals through a DDS circuit, first driving signals are output through a shaping filter circuit, second driving signals are output through a duty ratio adjusting circuit, high-stability and high-precision ultrasonic excitation signals are output through a power amplifying module, and voltage signals and current signals are output through an impedance matching module, so that the output frequency of the signals is gradually consistent with the input frequency, and the frequency automatic tracking is realized.)

一种基于频率自动跟踪的超声理疗仪及频率自动跟踪方法

技术领域

本发明涉及一种超声理疗仪，具体涉及一种基于频率自动跟踪的超声理疗仪及频率自动跟踪方法。

背景技术

慢性软组织损伤作为一种常见病多发病其病因尚未定论。常规的治疗方式是利用超声波疗法，超声波具有机械效应、热效应和物理化学效应，对治疗不同类型慢性软组织损伤具有积极的治疗作用。

随着智能化与高精度化的发展，超声波电源的性能在超声波应用中有了越来越严格的要求。由于外界环境的不确定性，超声换能器的固有谐振频率很容易发生漂移，当换能器工作在非谐振点上，不但不能产生应有的效果，还会损坏换能器。

目前市场上出现了大量超声仪理疗设备，更多的是应用在一些医院中，太高昂的价格和较大的体积不适合家用，更不具有可穿戴性。而普通的家用型超声理疗仪的电声转化效率不高，并且采用市电作为电源模块的输入，并没有实现真正意义上的便携。通过对目前出现的部分超声理疗仪分析，当前存在的主要问题：

(1)装置大型化。大部分治疗仪体积大，充电复杂，并没有实现真正的便携。

(2)无频率自动跟踪功能，声电转化效率低。由于外界环境的不确定性，超声换能器的固有谐振频率很容易发生漂移，当换能器工作在非谐振点上，不但不能产生应有的效果，还会损坏换能器。

(3)功率可调问题。由于不同的使用者对超声的敏感程度不同，也就是说他们所能承受的最大超声剂量也不同，目前的超声理疗仪没有实现真正的输出超声功率可调。

(4)智能化程度低。常规的理疗仪输入频率单一，单频输出，脉冲波形单一。

(5)安全性能低。常规的理疗仪缺少故障检测电路和安全预警功能。

发明内容

为了克服现有技术中的不足，本发明的目的在于提供一种基于频率自动跟踪的便携式超声理疗仪，该发明可以有效避免现有技术中的缺点。

本发明通过下述技术方案实现：

一种基于频率自动跟踪的超声理疗仪，包括：微控制器、信号发生模块、功率放大模块、阻抗匹配模块，还包括频率跟踪模块；

所述信号发生模块包括模糊控制器、DDS电路、整形滤波电路和占空比调节电路；

所述阻抗匹配模块包括阻抗匹配网络、超声波换能器；

所述微控制器一输出端与模糊控制器的输入端连接，模糊控制器的输出端与DDS电路的输入端连接，DDS电路的输出端与整形滤波电路的输入端连接，整形滤波电路的输出端与占空比调节电路的输入端连接，占空比调节电路的输出端与功率放大模块的输入端连接，功率放大模块的输出端与阻抗匹配网络连接，阻抗匹配网络的输出端与超声波换能器的输入端连接，超声波换能器的采样输出端与频率跟踪模块连接，频率跟踪模块的输出端与微控制器的输入端连接；

所述微控制器发出脉冲信号到模糊控制器；

所述模糊控制器将脉冲信号转换输出为自适应调节后的脉冲信号后传输到DDS电路；

所述DDS电路将自适应调节后的脉冲信号转换输出为超声激励信号后传输到整形滤波电路；

所述整形滤波电路将超声激励信号转换输出为第一驱动信号后传输到占空比调节电路；

所述占空比调节电路将第一驱动信号转换输出为第二驱动信号后传输到功率放大模块；

所述功率放大模将第二驱动信号转换输出为高稳定和高精度的超声激励信号后传输到阻抗匹配网络；

所述阻抗匹配网络将高稳定和高精度的超声激励信号转换输出为第三驱动信号后传输到超声波换能器；

所述超声波换能器将第三驱动信号转换输出为电压信号和电流信号后传输到频率跟踪模块；

所述频率跟踪模块将电压信号和电流信号转换输出为第四驱动信号后传输到微控制器；

频率跟踪模块实时采集超声波换能器两端的电压信号和电流信号并转换成第四驱动信号送入微控制器进而输出脉冲信号至模糊控制器进行自适应调节，最后将自适应调节后的脉冲信号经过DDS电路输出超声激励信号，经过整形滤波电路输出第一驱动信号，经过占空比调节电路输出第二驱动信号，经过功率放大模块输出高稳定和高精度的超声激励信号，经过阻抗匹配模块输出电压信号和电流信号，使得信号输出频率与输入频率逐渐保持一致，实现频率自动跟踪。

进一步地，一种基于频率自动跟踪的超声理疗仪，所述频率跟踪模块包括：电压采样电路、电流采样电路、信号放大滤波电路、锁相环、低通滤波器；

所述锁相环包括：鉴相器、环路滤波器、压控振荡器；

所述超声波换能器的采样输出端与电压采样电路和电流采样电路的输入端连接，电压采样电路和电流采样电路的输出端均连接信号放大滤波电路，信号放大滤波电路的输出端连接鉴相器，鉴相器的输出端连接环路滤波器，环路滤波器的输出端连接压控振荡器，压控振荡器输出端连接低通滤波器，低通滤波器的输出端连接微控制器；

频率跟踪模块的电压采样电路、电流采样电路实时采集超声波换能器两端的电压信号和电流信号，将采集到的电压信号和电流信号经信号放大滤波电路送入鉴相器得到相位差信号，相位差信号送入环路滤波器进行整形并通过压控振荡器进行频率调节，再经过低通滤波器输出第四驱动信号送入微控制器。

一种基于频率自动跟踪的超声理疗仪，还包括电源模块和温度控制模块。所述电源模块利用稳压芯片LM2596-5.0把12V电压转化为5V为信号发生模块供电，利用稳压芯片TLV70033把5V电压转化为3.3V为微处理器模块供电；同时boost升压模块将12V电压升为48V，为功率放大模块供电，并且驱动超声凹型压电陶瓷片产生超声波；充电模块采用QI标准无线充电模块为整个装置提供能源，电池采用12.6V 1800mAh的可充电聚合锂电池组，电池尺寸为62mm×52mm×14mm。该电池有自我保护功能，当电池电量低于9.5V时，停止供电。温度控制模块利用热敏电阻采集超声换能器的温度，输入微控制器，判断温度是否超过设定的安全阈值，如果温度超过阈值，则利用两个LED灯交替闪烁提醒用户，确保用户的安全。

进一步地，一种基于频率自动跟踪的超声理疗仪，还包括人机交互模块；

所述人机交互模块包括：nrf24l01模块；

所述nrf24l01模块用于无线控制超声理疗仪，利用按键实现两个频率的切换以及档位的加减，采用不同颜色的LED灯来实现不同频率的提醒。

进一步地，一种基于频率自动跟踪的超声理疗仪，所述人机交互模块还包括：故障检测电路；

所述故障检测电路用于实时检测式超声理疗仪。

进一步地，一种基于频率自动跟踪的超声理疗仪，该超声理疗仪是便携式频率自动跟踪超声理疗仪。

进一步地，一种基于频率自动跟踪的超声理疗仪，该超声理疗仪采用双理疗头、智能双频输出。

进一步地，一种基于频率自动跟踪的超声理疗仪，该超声理疗仪可输出具有两个中心频率的超声波，分别为1MHz和3MHz。

进一步地，一种基于频率自动跟踪的超声理疗仪，该超声理疗仪有效声强达到3W/cm230％，有效输出声强在0W/cm2到3W/cm2范围内连续可调。

一种基于频率自动跟踪的超声理疗仪的频率自动跟踪方法，包括如下步骤：

S1：频率跟踪模块实时采集超声波换能器两端的电压信号和电流信号，采集到的电压信号和电流信号经信号放大滤波电路送入鉴相器得到相位差信号；

S2：相位差信号送入环路滤波器进行整形；

S3：整形之后的相位差信号通过压控振荡器进行频率调节；

S4：通过压控振荡器进行频率调节后的相位差信号再经过低通滤波器转换输出第四驱动信号，并送入微控制器，微控制器输出脉冲信号至模糊控制器进行自适应调节；

S5：最后将自适应调节后的脉冲信号经过DDS电路输出超声激励信号，经过整形滤波电路输出第一驱动信号，经过占空比调节电路输出第二驱动信号，经过功率放大模块输出高稳定和高精度的超声激励信号，经过阻抗匹配模块输出电压信号和电流信号；

通过“微控制器——信号发生模块——功率放大模块——阻抗匹配模块——频率跟踪模块——微控制器”的闭环反馈跟踪系统调节，信号输出频率与输入频率逐渐保持一致，实现频率自动跟踪，提高超声理疗仪电声转化效率。

本发明电源系统采用STM32平台搭建动态匹配电路，采用低功耗STM32L151微控制器结合模糊控制器自适应调节直接数字合成器(DDS)产生超声激励信号，经功率放大模块处理后,实现驱动信号的输入频率可调和输出声强动态可调。电源系统后端采用新型T型匹配方式进行动态阻抗匹配，同时将信号发生模块、阻抗匹配模块、频率跟踪模块、微控制器形成闭环的结构，提高了动态匹配的效果，从而提高超声理疗仪的转化效率。利用闭环反馈跟踪系统进行频率自动跟踪，在超声电源系统工作过程中，利用锁相环模块实时采集换能器两端的电压电流信号，得到相位差，通过锁相环模块的闭环反馈跟踪系统调节，然后输入微控制器和模糊控制器进行调节，最后重新作用信号发生模块和阻抗匹配网络，使得信号输出频率与输入频率逐渐保持一致，实现频率自动跟踪。后期测试通过超声功率计测输出超声强度，计算电声转化效率。本发明的目的在于发明一种具有输入频率可调、输出声强动态可调和频率自动跟踪等特点的便携式超声理疗仪。同时该理疗仪采用双理疗头、智能双频输出，根据人体耐受度和疼痛度，通过大量试验确定了理疗仪的中心频率分别为1MHz和3MHz，有效声强达到3W/cm²±30％，有效输出声强0W/cm²到3W/cm²可调。并且基于频率自动跟踪的便携式超声理疗仪可以进行无线控制，具有体积小，移动性强，电声转化效率高的特点，这在人们软组织损伤治疗应用中没有出现过，是一种低成本家用康复理疗设备，受众面广，市场庞大。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本发明的频率自动跟踪系统采用闭环反馈跟踪系统，在超声电源系统工作过程中，利用锁相环模块实时采集换能器两端的电压电流信号，得到相位差通过锁相环模块的闭环反馈跟踪系统调节，结合STM32主控器进行PI控制，输入模糊控制器，调节DDS信号发生器输出频率，最后重新作用信号发生模块和阻抗匹配网络，使得信号输出频率与输入频率逐渐保持一致，实现频率自动跟踪。

2、本发明采用双理疗头、智能双频输出，脉冲波形可调、输入频率可调、输出声强动态可调。采用低功耗STM32L151微控制器结合模糊控制器自适应调节直接数字合成器(DDS)产生超声激励信号，经功率放大模块处理后,实现驱动信号的输入频率可调和输出声强动态可调。同时该理疗仪采用双理疗头、智能双频输出，根据人体耐受度和疼痛度，通过大量试验确定了该理疗仪的中心频率分别为1MHz和3MHz，有效声强达到3W/cm²±30％，有效输出声强0W/cm²到3W/cm²可调。

3、本发明声电转化效率高。超声理疗仪中动态阻抗匹配的设计，采用新型T型匹配方式来消除等效电路中的容抗成分，使得电路整体呈纯阻态，同时将信号发生模块、阻抗匹配模块、频率跟踪模块与微控制器形成闭环的结构，提高了动态匹配的效果，从而提高超声理疗仪的转化效率。

4、本发明的便携式设计，通过减少复杂的人机交互界面，具有体积小，移动性强，治疗效率高的特点，这在人们软组织损伤治疗应用中没有出现过，是一种低成本家用康复理疗设备，受众面广，市场庞大。

5、本发明安全性能高，具有故障检测电路和安全预警功能，确保用户的安全。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1是本发明提供优选实施例超声理疗仪的系统框架图。

图2是本发明锁相环原理关系图。

图3是本发明锁相环模块的闭环反馈跟踪系统调节示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例

如图1所示，一种基于频率自动跟踪的超声理疗仪，包括：微控制器、信号发生模块、功率放大模块、阻抗匹配模块，还包括频率跟踪模块；

所述信号发生模块包括模糊控制器、DDS电路、整形滤波电路和占空比调节电路；

所述阻抗匹配模块包括阻抗匹配网络、超声波换能器；

所述微控制器一输出端与模糊控制器的输入端连接，模糊控制器的输出端与DDS电路的输入端连接，DDS电路的输出端与整形滤波电路的输入端连接，整形滤波电路的输出端与占空比调节电路的输入端连接，占空比调节电路的输出端与功率放大模块的输入端连接，功率放大模块的输出端与阻抗匹配网络连接，阻抗匹配网络的输出端与超声波换能器的输入端连接，超声波换能器的采样输出端与频率跟踪模块连接，频率跟踪模块的输出端与微控制器的输入端连接；

所述微控制器发出脉冲信号到模糊控制器；

所述模糊控制器将脉冲信号转换输出为自适应调节后的脉冲信号后传输到DDS电路；

所述DDS电路将自适应调节后的脉冲信号转换输出为超声激励信号后传输到整形滤波电路；

所述整形滤波电路将超声激励信号转换输出为第一驱动信号后传输到占空比调节电路；

所述占空比调节电路将第一驱动信号转换输出为第二驱动信号后传输到功率放大模块；

所述功率放大模将第二驱动信号转换输出为高稳定和高精度的超声激励信号后传输到阻抗匹配网络；

所述阻抗匹配网络将高稳定和高精度的超声激励信号转换输出为第三驱动信号后传输到超声波换能器；

所述超声波换能器将第三驱动信号转换输出为电压信号和电流信号后传输到频率跟踪模块；

所述频率跟踪模块将电压信号和电流信号转换输出为第四驱动信号后传输到微控制器；

频率跟踪模块实时采集超声波换能器两端的电压信号和电流信号并转换成第四驱动信号送入微控制器进而输出脉冲信号至模糊控制器进行自适应调节，最后将自适应调节后的脉冲信号经过DDS电路输出超声激励信号，经过整形滤波电路输出第一驱动信号，经过占空比调节电路输出第二驱动信号，经过功率放大模块输出高稳定和高精度的超声激励信号，经过阻抗匹配模块输出电压信号和电流信号，使得信号输出频率与输入频率逐渐保持一致，实现频率自动跟踪。

进一步地，一种基于频率自动跟踪的超声理疗仪，所述频率跟踪模块包括：电压采样电路、电流采样电路、信号放大滤波电路、锁相环、低通滤波器；

如图2所示，所述锁相环包括：鉴相器、环路滤波器、压控振荡器；

所述超声波换能器的采样输出端与电压采样电路和电流采样电路的输入端连接，电压采样电路和电流采样电路的输出端均连接信号放大滤波电路，信号放大滤波电路的输出端连接鉴相器，鉴相器的输出端连接环路滤波器，环路滤波器的输出端连接压控振荡器，压控振荡器输出端连接低通滤波器，低通滤波器的输出端连接微控制器；

频率跟踪模块的电压采样电路、电流采样电路实时采集超声波换能器两端的电压信号和电流信号，将采集到的电压信号和电流信号经信号放大滤波电路送入鉴相器得到相位差信号，相位差信号送入环路滤波器进行整形并通过压控振荡器进行频率调节，再经过低通滤波器输出第四驱动信号送入微控制器。

进一步地，一种基于频率自动跟踪的超声理疗仪，还包括人机交互模块；

所述人机交互模块包括：nrf24l01模块；

所述nrf24l01模块用于无线控制超声理疗仪，利用按键实现两个频率的切换以及档位的加减，采用不同颜色的LED灯来实现不同频率的提醒。

进一步地，一种基于频率自动跟踪的超声理疗仪，所述人机交互模块还包括：故障检测电路；

所述故障检测电路用于实时检测式超声理疗仪。

进一步地，一种基于频率自动跟踪的超声理疗仪，该超声理疗仪是便携式频率自动跟踪超声理疗仪。

进一步地，一种基于频率自动跟踪的超声理疗仪，该超声理疗仪采用双理疗头、智能双频输出。

进一步地，一种基于频率自动跟踪的超声理疗仪，该超声理疗仪可输出具有两个中心频率的超声波，分别为1MHz和3MHz。

进一步地，一种基于频率自动跟踪的超声理疗仪，该超声理疗仪有效声强达到3W/cm230％，有效输出声强在0W/cm2到3W/cm2范围内连续可调。

一种基于频率自动跟踪的超声理疗仪的频率自动跟踪方法，包括如下步骤：

S1：频率跟踪模块实时采集超声波换能器两端的电压信号和电流信号，采集到的电压信号和电流信号经信号放大滤波电路送入鉴相器得到相位差信号；

S2：相位差信号送入环路滤波器进行整形；

S3：整形之后的相位差信号通过压控振荡器进行频率调节；

S4：通过压控振荡器进行频率调节后的相位差信号再经过低通滤波器转换输出第四驱动信号，并送入微控制器，微控制器输出脉冲信号至模糊控制器进行自适应调节；

S5：最后将自适应调节后的脉冲信号经过DDS电路输出超声激励信号，经过整形滤波电路输出第一驱动信号，经过占空比调节电路输出第二驱动信号，经过功率放大模块输出高稳定和高精度的超声激励信号，经过阻抗匹配模块输出电压信号和电流信号；

通过“微控制器——信号发生模块——功率放大模块——阻抗匹配模块——频率跟踪模块——微控制器”的闭环反馈跟踪系统调节，信号输出频率与输入频率逐渐保持一致，实现频率自动跟踪，提高超声理疗仪电声转化效率。

该基于频率自动跟踪的超声理疗仪的阻抗匹配模块的设计方法，包括如下步骤：

(1)设计新型T型匹配电路：在串联电感调谐电路的基础上增加一个匹配电容C₉与匹配电感L₂；

(2)利用超声波换能器阻抗测试仪分析匹配电容与匹配电感；

(3)当电路处于谐振点ω_s附近时，超声波换能器整体等效电路与串联电感的等效阻抗计算公式如下：

其中，C_n为超声波换能器的静态电容，是真正的电学量，ω_s为谐振点，R_m是超声波换能器损耗的等效参数，z_eq为超声波换能器整体等效电路与串联电感的等效阻抗；

(4)通过串联电感为L₁来消除换能器的容性负载特性，计算公式如下：

其中，L₁为串联电感，R_ω为换能器的整体阻抗；

(5)同理取匹配电感的大小为L₂,来消除换能器的容性负载特性，计算公式如下：

其中，L₂为L₁旁额外增加的串联电感，z_eq为谐振状态下电路的等效阻抗值；通过公式可得，只需要改变C₉的大小，就可以调节阻抗匹配网络。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。