基于ATmega48的微功耗電刺激器的設(shè)計(jì)

　　為了研究DBS對(duì)癲癇治療的機(jī)理，首先開(kāi)發(fā)了微型迷走神經(jīng)電刺激實(shí)驗(yàn)器(Vagus Nerve Stimulator，VNSr)，并植入大鼠體內(nèi)進(jìn)行癲癇治療的研究。分別在大鼠出生后35天(Postnatal 35 days, P35)和P60時(shí)埋植神經(jīng)刺激器刺激電極和腦電圖(Electroencephalograph，EEG)記錄電極，借助電刺激器發(fā)出一定頻率、脈寬和強(qiáng)度的脈沖刺激迷走神經(jīng)，通過(guò)觀察動(dòng)物自發(fā)性癲癇發(fā)作(Spontaneous Recurrent Seizures，SRSs)的頻率、皮層和海馬EEG的頻譜變化、水迷宮測(cè)定動(dòng)物的視-空間記憶功能及Timm和Thionin組織染色觀察大腦神經(jīng)病理學(xué)改變，來(lái)測(cè)定神經(jīng)刺激器對(duì)癲癇的治療作用。

　　電刺激器由植入電極、連接導(dǎo)線及皮下脈沖發(fā)生器三部分組成。脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的刺激電流經(jīng)刺激電極刺激迷走神經(jīng)。植入動(dòng)物體內(nèi)的電刺激器需要在設(shè)定的時(shí)間開(kāi)啟。在一個(gè)時(shí)間間隔里，發(fā)出一定頻率的刺激脈沖電流。本文主要敘述電刺激器的設(shè)計(jì)思想。

　　1 電刺激器設(shè)計(jì)要求

　本系統(tǒng)中植入動(dòng)物體內(nèi)的電刺激器屬于開(kāi)環(huán)控制，設(shè)定為間歇式工作方式，根據(jù)前期實(shí)驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合參考文獻(xiàn)1提供的參數(shù)，刺激器工作間隔時(shí)間為5分半鐘，刺激器每工作30秒，輸出一次刺激電流，然后停止工作5分鐘，如此循環(huán)往復(fù)。工作過(guò)程是輸出頻率30Hz、脈寬500μs的刺激電流。為了準(zhǔn)確控制設(shè)定的參數(shù)，本系統(tǒng)中嵌入了單片機(jī)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

　　電刺激器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是高可靠性、微型化和低功耗。因此采用紐扣式電池供電，選用低功耗、微小封裝的高可靠性單片機(jī)和元件。

　　2 電壓調(diào)整

　　本系統(tǒng)采用3V紐扣式鋰電池供電，為了達(dá)到刺激電流的強(qiáng)度要求，需要將電壓提升。電壓的提升應(yīng)選用高效率緊湊型DC/DC進(jìn)行升壓。可供選用的緊湊型升壓DC/DC的IC元件很多，例如美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司的LM2703、LM2733，凌特公司的LT1615，德州儀器的TPS61040，臺(tái)灣易亨電子的AP1522等等。這幾種IC都是SOT23-5的緊湊型封裝，管腳完全兼容，這也是本系統(tǒng)選用這種IC的原因，不擔(dān)心芯片缺貨，將外圍元件參數(shù)稍做修改就可以對(duì)IC進(jìn)行互換。電壓調(diào)整電路的接線原理圖如圖2所示。

　　LT1615是微功耗高效率的升壓DC/DC，輸入電壓范圍為1.5V~15V，適用于最大輸出電流小于100mA的場(chǎng)合。芯片在空載時(shí)的靜態(tài)工作電流為20μA，當(dāng)4腳SHDN為低電平時(shí)關(guān)閉芯片，其靜態(tài)工作電流僅為0.5μA。芯片的工作效率約為75%。輸出電壓值由圖中的R2和R4決定: 。

使用3V電池直接給單片機(jī)供電。單片機(jī)通過(guò)圖中的ON_OFF控制包括DC/DC電路在內(nèi)的外圍電路的供電，在工作的間歇期進(jìn)入休眠狀態(tài)無(wú)輸出脈沖時(shí)，將ON_OFF設(shè)為高電平，切斷外圍電路的供電，從而有效地降低系統(tǒng)的電流損耗。

　　3 ATmega48單片機(jī)及其脈沖發(fā)生電路

　　3.1 ATmega48單片機(jī)及應(yīng)用

　　ATmega48單片機(jī)是Atmel公司在2004年底推出的微功耗高性能八位單片機(jī)，采用TQFP32緊湊型封裝，批量生產(chǎn)時(shí)還可以選用更小體積的MLF32封裝(尺寸僅為5mm×5mm)。內(nèi)有4KB的Flash程序存儲(chǔ)器、256B的EEPROM和512B的靜態(tài)存儲(chǔ)器。支持ISP串行下載方式。

　　ATmega48單片機(jī)為RISC結(jié)構(gòu)，在1MHz頻率下速度為1MIPS。系統(tǒng)時(shí)鐘有外部低頻、外部高頻、內(nèi)部RC振蕩器時(shí)鐘等多種工作方式可以選擇。選擇方法是通過(guò)編寫熔絲位，并結(jié)合軟件編程與時(shí)鐘相關(guān)的寄存器實(shí)現(xiàn)。選擇單片機(jī)的時(shí)鐘頻率越高，單片機(jī)的功耗也越大。本系統(tǒng)選用128kHz的內(nèi)部RC振蕩器，在工作電壓為3V時(shí)，靜態(tài)電流小于60μA。休眠狀態(tài)時(shí)靜態(tài)電流更低。ATmega48單片機(jī)內(nèi)有六種省電休眠模式，可以使儀器在非工作期間進(jìn)入休眠狀態(tài)。ATmega48的系統(tǒng)時(shí)鐘還可以通過(guò)編程分頻進(jìn)一步地降低時(shí)鐘頻率，減小功耗，在儀器休眠期，采用32倍的分頻系數(shù)將時(shí)鐘降低到4kHz。

　　ATmega48單片機(jī)內(nèi)有兩個(gè)8位的定時(shí)/計(jì)數(shù)器，一個(gè)16位的定時(shí)/計(jì)數(shù)器，可以滿足本系統(tǒng)對(duì)開(kāi)啟時(shí)間、脈寬、脈沖頻率的精確控制。另外單片機(jī)還有6個(gè)PWM輸出口，可以用于調(diào)節(jié)儀器的刺激強(qiáng)度。ATmega48單片機(jī)內(nèi)部有獨(dú)立的硬件看門狗時(shí)鐘，可以有效地防止單片機(jī)死機(jī)。

　　本系統(tǒng)選用的ATmega48V是ATmega48的低電壓工作的芯片，選用ATmega48V作為電刺激器的主控芯片，幾乎不需要另加其他的元件。ATmega48V可以在1.8V~5.5V范圍的電壓下工作，在電池使用的有效電壓范圍內(nèi)，單片機(jī)均可正常工作，能充分利用電池的容量。