基于ATmega48的微功耗電刺激器的設(shè)計

　3.2 脈沖發(fā)生電路

　　通常具有一定驅(qū)動功率的脈沖輸出電路首先產(chǎn)生脈沖波形，再將脈沖波形用集成的功率放大器作驅(qū)動放大，放大電路工作在線性放大區(qū)。這種放大電路必須具有靜態(tài)電流來維持合適的靜態(tài)工作點，功耗較大。為了降低耗電流，本系統(tǒng)的電刺激器用開關(guān)方式生成刺激脈沖。單片機及其脈沖發(fā)生器電路原理如圖3所示。J1是刺激電極的接線端子，OC0A是ATmega48V定時器0的PWM輸出口，根據(jù)實驗的要求調(diào)節(jié)輸出強度。用PWM輸出以及R6、R7、C6和C7組成的濾波器調(diào)節(jié)U3A正相的輸入電壓。運放U3A接為正相放大方式，放大倍數(shù)由R8和R9決定。Q2為功率放大三極管，增大輸出的驅(qū)動能力。Q3工作在開關(guān)狀態(tài)，用于控制輸出脈沖的寬度和頻率，當ATmega48V的9腳是高電平時，Q3導(dǎo)通，輸出刺激脈沖；導(dǎo)通500μs后，ATmega48V的9腳變到低電平，Q3關(guān)閉，脈沖結(jié)束；按10Hz的頻率循環(huán)往復(fù)。

　　4 功能實現(xiàn)及軟件編程

　　ATmega48有131條指令，大多是單機器周期指令，指令系統(tǒng)非常豐富。ATmega48在指令設(shè)計時很好地考慮到C語言的操作模式，用C語言編程可以得到很高的代碼效率。ATmega48屬于AVR系列的單片機，常用的用于AVR單片機開發(fā)的C語言有兩種：AVR-ICC和AVR-GCC。AVR-ICC是商業(yè)的AVR的C語言集成化開發(fā)工具(IDE)，界面友好，使用簡單，有生產(chǎn)和代理商很好的技術(shù)支持。而AVR-GCC是依靠網(wǎng)絡(luò)流行的公開源代碼的自由軟件，可以從網(wǎng)上(http://www.avrfreaks.net)免費下載編譯軟件和各種工具軟件。由于AVR-GCC有大量的高手參與開發(fā)和眾多網(wǎng)上參與者的測試，其軟件的更新速度和代碼效率以及軟件缺陷率的排除都非常出色。但是AVR-GCC是由UNIX平臺上移植過來的，保留了類似UNIX的操作方式，對于不熟悉UNIX的WINDOWS用戶，其使用時入門很困難，只有熟練使用后才能感到其功能的強大。在http://www.avrfreaks.net網(wǎng)上有關(guān)于AVR-GCC的論壇，使用中的許多問題都可以在論壇上得到幫助。由于AVR-GCC具有低廉的使用成本和出色的功能，所以本系統(tǒng)選用AVR-GCC作為編程工具。

　電刺激器在工作的間歇期進入休眠狀態(tài)。ATmega48有6種休眠方式，每一種方式休眠的部件不相同，休眠后單片機的功耗也不同。由于電刺激器在休眠時要求定時重新喚醒進行工作，必須保留一個定時器的工作。因此選用的休眠方式為IDLE，在IDLE方式下定時器2仍然可以工作。以下是休眠部分的程序。

　　set_sleep_mode(SLEEP_MODE_IDLE); //設(shè)置休眠方式為IDLE
　　SMCR |= _BV(SE); 　　　　　　　　　　　//允許休眠
　　_asm_ _volatile_ ('sleep' 'nt' :: ); //進入休眠
　　SMCR = ~_BV(SE); //從休眠中喚醒，進入工作狀態(tài)，不允許休眠

　　定時器2用于對休眠期的時間間隔計時。t2_init_idle(void) 是進入休眠狀態(tài)前初始定時器2的程序，SIGNAL(SIG_OVERFLOW2)是休眠狀態(tài)下定時器2的中斷服務(wù)程序。每1分鐘定時器2將會產(chǎn)生溢出中斷，喚醒單片機。

　　void t2_init_idle(void){ //定時器2進入休眠狀態(tài)前的初始化
　　CLKPR=(1＜＜CLKPCE); //允許改變系統(tǒng)時鐘；進入休眠狀態(tài)前改變系統(tǒng)時鐘
　　CLKPR=0x05; //系統(tǒng)時鐘的分頻比例為32，系統(tǒng)時鐘為4kHz
　　TCCR2A=0; //定時器/計數(shù)器2工作于定時器方式
　　TIMSK2=(1＜＜TOIE2); //允許定時器2溢出中斷
　　TCCR2B=0x07; //定時器2時鐘分頻比例為1024
　　TCNT2=32; //定時器2產(chǎn)生1分鐘定時的初始值
　　}
　　SIGNAL(SIG_OVERFLOW2){ //定時器2溢出的中斷服務(wù)程序
　　TCNT2=32; //重置定時器2產(chǎn)生1分鐘定時的初始值
　　min++; //分鐘計數(shù)
　　}

　　當喚醒5次，即休眠5分鐘后，單片機重新進入喚醒工作狀態(tài)。在喚醒工作狀態(tài)下，使用定時器2控制脈沖的寬度和頻率，需要定時器2重新初始化，并將系統(tǒng)時鐘恢復(fù)到128kHz(程序略)。

　　設(shè)置定時器0工作于PWM輸出方式，用于控制刺激強度。

　　void t0_init(void){ //定時器0初始化為PWM輸出
　　TCCR0B=(1＜＜CS01); //定時器0時鐘分頻比例為8
　　TCCR0A=(1＜＜WGM00)|(1＜＜WGM01); //快速PWM方式
　　TCCR0A|=(1＜＜COM0B1); //符合時為低電平，峰值變高
　　OCR0B=outv; //輸出電平用OCR0B控制
　　}

　　系統(tǒng)總程序流程如圖4所示。

　　電刺激實驗器的開發(fā)是為了植入大鼠體內(nèi)，研究電刺激對癲癇抑制的機理。本研究開發(fā)的電刺激實驗器整體結(jié)構(gòu)尺寸為Φ17mm(直徑) x 7mm(厚)。脈沖發(fā)生放大電路用開關(guān)方式實現(xiàn)，大大降低了系統(tǒng)的功耗。采用ATmega48單片機控制輸出脈沖，精度高、功耗小、工作可靠、可以連續(xù)工作一個月以上，滿足了實驗的要求。