基于C8051F015的手持式電刺激器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.引言

隨著社會(huì)的不斷進(jìn)步，人們的健康意識(shí)不斷增強(qiáng)，家庭保健儀器得到越來(lái)越廣泛得應(yīng)用。電刺激器是產(chǎn)生一序列電壓或是電流脈沖的保健儀器。通過(guò)將電傳遞到神經(jīng)或是肌肉組織上，以達(dá)到診斷或是醫(yī)療保健的目的。從生物學(xué)觀點(diǎn)來(lái)看，生物體興奮組織對(duì)外界刺激均能產(chǎn)生反應(yīng)，但只有對(duì)電的刺激可以精確地控制其參數(shù)。而且適度的電刺激即使重復(fù)多次也不會(huì)使組織損傷。電刺激器可依靠產(chǎn)生電流脈沖頻率的高低，使電流經(jīng)過(guò)皮膚，進(jìn)而刺激感覺(jué)神經(jīng)，常應(yīng)用在舒緩疼痛方面，對(duì)于急、慢性與神經(jīng)性疼痛均有治療效果。

目前的醫(yī)用電刺激器通常都自成一體^[1]。但是在一些較大型的醫(yī)療設(shè)備中，電刺激器常常只作為設(shè)備中的一個(gè)組成部分，它既要受控于主機(jī)系統(tǒng)，又要與主系統(tǒng)良好地隔離，以免對(duì)主系統(tǒng)設(shè)備的其它部分產(chǎn)生干擾。本文介紹的使由高速單片機(jī)控制的電刺激器，特點(diǎn)是成本低、體積小、重量輕、便于家庭或社區(qū)醫(yī)院使用。

2． 整體設(shè)計(jì)

手持刺激器系統(tǒng)基本的功能要求如下。

2.1設(shè)備的每個(gè)脈沖寬度均為最大輸出幅度的50%，脈沖寬度為250μs 1%。

2.2設(shè)備脈沖的上升時(shí)間和下降時(shí)間小于5 μs；脈沖的頂降小于2%，為矩形脈沖。在任意的輸出電流或負(fù)載時(shí)輸出波形不失真。

2.3設(shè)備輸出幅度在最大時(shí)，額定負(fù)載阻抗為0～6kΩ時(shí)，流入負(fù)載的電流為80mA，但不大于80mA。輸出電流為恒定不變，恒流誤差1%。

2.4設(shè)備的額定負(fù)載阻抗為0～6kΩ，在負(fù)載阻抗大于6kΩ時(shí)，切斷輸出（電流和電壓為0），并且報(bào)警。設(shè)備輸出的直流分量為零。

2.5設(shè)備輸出幅度的調(diào)節(jié)應(yīng)連續(xù)均勻,波形不失真，最小輸出不大于最大輸出的1%。

2.6 設(shè)備開路測(cè)量時(shí)，輸出電壓峰值應(yīng)不大于500V。

根據(jù)上述要求，系統(tǒng)采用一塊單片機(jī)作為主控制芯片?？紤]到手持設(shè)備的要求，選擇41.2V鎳鉻電池組作為供電電源，并挑選合適的電源管理芯片，提高系統(tǒng)的使用時(shí)間，并可通過(guò)適配器輸出12V直流電壓進(jìn)行充電，配合軟件采集電池電壓參數(shù)，實(shí)時(shí)計(jì)算電池剩余容量，在低電量時(shí)蜂鳴警報(bào)用戶。采用壓控恒流源的方法，快速打開和關(guān)閉電流，使脈沖上升時(shí)間和下降時(shí)間的要求。采用外部存儲(chǔ)器，記錄不同用戶的刺激參數(shù)。采用串口接口，使刺激器和PC機(jī)能方便的進(jìn)行通信。采用LCD，設(shè)計(jì)圖形文字界面，操作簡(jiǎn)單，大幅度提高系統(tǒng)的便利性^[2] 。

3．硬件設(shè)計(jì)

采用C8051F015單片機(jī)作為系統(tǒng)的主控制芯片^[3]，液晶顯示和鍵盤實(shí)現(xiàn)了人機(jī)對(duì)話的功能。DataFlash空間較大，存儲(chǔ)各記錄號(hào)對(duì)應(yīng)的刺激參數(shù)，F(xiàn)RAM允許較多的讀寫次數(shù)，實(shí)時(shí)保存當(dāng)前用戶的刺激參數(shù)，并在關(guān)機(jī)時(shí)將數(shù)據(jù)保存到DataFlash中。時(shí)鐘芯片提供系統(tǒng)實(shí)時(shí)時(shí)鐘，包括年、月、日、時(shí)、分、秒，通過(guò)串口與PC機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。加速度傳感器用于檢測(cè)人體顫抖情況，信號(hào)經(jīng)過(guò)整形、放大和濾波處理后，輸入單片機(jī)的ADC端口。

C8051F015是Silicon Labs公司的一款單片機(jī)，完全集成的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)芯片（SoC），具有與8051兼容的高速CIP-51內(nèi)核，與MCS-51指令集完全兼容，外部有豐富的IO資源，片內(nèi)集成了2304字節(jié)的數(shù)據(jù)RAM和32K字節(jié)的Flash，10位的ADC模塊和兩個(gè)12位的DAC和兩個(gè)模擬比較器，能滿足系統(tǒng)對(duì)硬件資源的要求。此外，該芯片中帶有交叉開關(guān)模塊，通過(guò)設(shè)置，可以控制寄存器將片內(nèi)的計(jì)數(shù)器/定時(shí)器、串行總線、硬件中斷、ADC轉(zhuǎn)換啟動(dòng)輸入、比較器輸出以及微控制器內(nèi)部的其它數(shù)字信號(hào)配置為出現(xiàn)在端口I/O引腳。這就允許用戶根據(jù)自己的特定應(yīng)用選擇通用端口I/O和所需數(shù)字資源的組合，簡(jiǎn)化了硬件電路上的設(shè)計(jì)，提高系統(tǒng)的可靠性，降低生產(chǎn)成本。LCD采用12864的YM12864 LCD模塊。FRAM使用RAMTRON公司的FM25256，容量為256K。DataFlash使用Atmel公司的AT45DB081B，容量為8M。時(shí)鐘芯片使用RICOH公司的RS5C348A。采用SPI接口的FRAM、Flash和時(shí)鐘芯片能節(jié)省I/O資源。采用這些常用芯片既能減少開支，又可保證貨源充足。

C8051F015與FM25256、AT45DB081B、RS5C348A的接口連接如圖2所示。

電源管理芯片的硬件連接如圖3所示，,芯片采用MAX712，圖中Vin是輸入電壓，V_B接電池兩端，在充電時(shí)LED打開，系統(tǒng)可以在充電時(shí)使用?？捎?2V直流電源供電并對(duì)電池充電，攜帶時(shí)也可由41.2V鎳鉻電池組供電。

升壓部分的電路連接，如圖4所示，采用國(guó)家半導(dǎo)體公司的升壓芯片LM2577為核心，前端使用MOSFET連接2577的接地端以達(dá)到控制的目的，輸出端通過(guò)反饋電阻連接到FB端，反饋控制輸出電壓。

4． 軟件設(shè)計(jì)

設(shè)備系統(tǒng)分成4個(gè)模式：?jiǎn)?dòng)系統(tǒng)、菜單模式、回放模式和刺激模式。

圖5設(shè)備系統(tǒng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換示意圖

(1) 啟動(dòng)系統(tǒng)

執(zhí)行系統(tǒng)初始化工作，LCD顯示歡迎信息。

(2) 菜單模式

響應(yīng)鍵盤操作，新增和修改記錄號(hào)及其對(duì)應(yīng)的刺激參數(shù)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話，包括電流、模式、人員、回放、連接、聲音、背光、時(shí)間、內(nèi)存和初值。

選擇電流，確定刺激強(qiáng)度（1～80mA），默認(rèn)值為60mA。選擇刺激，確定刺激模式（STC、TS、TOF、DBS和PTC）。選擇人員，確定記錄號(hào)，設(shè)置范圍：000～999。選擇回放，進(jìn)入回放模式。選擇連接，經(jīng)串口和PC通信。選擇聲音和背光，確定聲音和LCD背光的開關(guān)。選擇時(shí)間，修改和確定時(shí)間。選擇內(nèi)存，查看現(xiàn)有記錄占總內(nèi)存的百分比。選擇初值，可以將內(nèi)存清零，所有設(shè)置成默認(rèn)值。

(3) 回放模式

查看各記錄對(duì)應(yīng)的刺激參數(shù)，選擇相應(yīng)的記錄號(hào)，進(jìn)入刺激模式。此模式下不能修改刺激參數(shù)。

(4) 刺激模式

在刺激時(shí)，可以根據(jù)LCD的顯示，響應(yīng)鍵盤操作，對(duì)刺激參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，并保存。在某些非周期刺激模式下，需要用戶按鍵對(duì)刺激間隔時(shí)間進(jìn)行控制。

該統(tǒng)主要任務(wù)是LCD的文字界面顯示和響應(yīng)用戶的按鍵操作，因此程序的主循環(huán)是按鍵響應(yīng)程序，同時(shí)對(duì)其三級(jí)菜單共四十余種狀態(tài)，用一個(gè)8位狀態(tài)字進(jìn)行區(qū)別和比對(duì)。三級(jí)菜單的狀態(tài)字的高2bit，表示0級(jí)的四個(gè)狀態(tài)，其后4bit表示1級(jí)的十個(gè)狀態(tài)，低位2bit表示最后級(jí)的子狀態(tài)，只有時(shí)間模式用到4個(gè)。

系統(tǒng)主要記錄當(dāng)前狀態(tài)字和上一個(gè)狀態(tài)字，根據(jù)其相互關(guān)系決定用戶輸入的命令內(nèi)容，進(jìn)而執(zhí)行響應(yīng)的操作。

6． 系統(tǒng)效果

刺激模式下，LCD的顯示如圖6所示。

圖6刺激模式下LCD的顯示

6.1 靜音符號(hào)，位于顯示屏左下方。記錄號(hào)顯示，位于顯示屏左下底部，靜音符號(hào)下。

6.2。時(shí)鐘顯示，位于顯示屏左上方。距下次施行刺激時(shí)間，位于顯示屏左上下方，時(shí)鐘顯示下。

6.3電量顯示，當(dāng)電量尚存30%時(shí)發(fā)出報(bào)警，位于顯示屏右上頂方。刺激模式顯示，位于顯示屏右上下方，電量顯示下。

6.4 當(dāng)前刺激強(qiáng)度顯示，單位為mA，即時(shí)顯示，位于顯示屏右上下方。

6.5 T1/Tc百分?jǐn)?shù)顯示，單位為%，即時(shí)顯示，位于顯示屏中上方。

6.6 T4/T1百分?jǐn)?shù)顯示，單位為%，即時(shí)顯示，位于顯示屏中央方。

6.7 反饋信號(hào)強(qiáng)度以直方圖（豎條線顯示，豎線的高度為反饋信號(hào)強(qiáng)度）即時(shí)顯示，位于整個(gè)顯示屏的中間。

7． 小結(jié)

由于系統(tǒng)各器件要求的電壓較多，并需要產(chǎn)生最高500V的刺激電壓，受轉(zhuǎn)換效率的影響，需要較高容量的電池，在以后可考慮采用更高效率的電壓轉(zhuǎn)換芯片，使系統(tǒng)能運(yùn)行更長(zhǎng)的時(shí)間。另外，此系統(tǒng)只能對(duì)一個(gè)部位進(jìn)行刺激，在以后的系統(tǒng)中可改進(jìn)為多個(gè)刺激輸出，使系統(tǒng)更滿足實(shí)際需要。在設(shè)計(jì)下一代產(chǎn)品時(shí)，可以考慮可移植操作系統(tǒng)的嵌入式芯片和更大的LCD顯示屏，使用戶圖形界面更易于操作，使系統(tǒng)更人性化。

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：電路設(shè)計(jì)新穎，將醫(yī)療保健器械小型化、便攜化，填補(bǔ)了市場(chǎng)空白。

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