MC9S08QE的肌電假手解決方案

醫(yī)療假手設(shè)計成本昂貴。如何為產(chǎn)品選擇最經(jīng)濟(jì)的問題解決辦法是擺在設(shè)計人員面前的一道難題。MC9S08QE是一款經(jīng)濟(jì)高效的通用低功耗MCU，它封裝小巧，特性豐富，為解決方案提供了極好的投資保護(hù)，因此非常適合于肌電假手(MHP)應(yīng)用。請看本文的介紹。

醫(yī)療假手設(shè)計成本昂貴。因為政府補(bǔ)貼，發(fā)達(dá)國家的設(shè)計人員并不用精打細(xì)算。這樣，他們就可以快速將他們的產(chǎn)品推向市場。

發(fā)展中國家的設(shè)計人員可能得不到政府的資助，這也是為什么設(shè)計人員必須要花更多時間為產(chǎn)品選擇材料和組件的原因。他們必須找到最經(jīng)濟(jì)的問題解決辦法。

一個由來自“Universidad Jesuita de Guadalajara”ITESO研究生院工程系學(xué)生組成的墨西哥團(tuán)隊設(shè)計出肌電假手，讓那些極度需要價格適中的保健產(chǎn)品和服務(wù)的截肢患者看到了希望。在2007年7月舉行的飛思卡爾Black Widow設(shè)計應(yīng)用大獎賽上，該團(tuán)隊榮獲一等獎。團(tuán)隊中包括Gabriel Herrera、Sergio Santana、 Missael Maciel、Andres Alvarez、Carlos Soto、Ramon Guillen和Alan Collins。

肌電假手基于肌肉產(chǎn)生的電信號，同時執(zhí)行收縮和放松過程。

肌電假手(MHP)有4個不同的用戶控制器運動(打開/關(guān)閉假手和右/左手腕)。此外，系統(tǒng)還可以調(diào)節(jié)關(guān)閉運動壓力，支持100kPa以上的壓力。這個壓力足以拿住最常見的物體。

低成本MHP使用MC9S08QE4微控制器作為主要的腦部處理器。

MC9S08QE是一款經(jīng)濟(jì)高效的通用低功耗MCU，它封裝小巧，特性豐富，為解決方案提供了極好的投資保護(hù)，因此非常適合于MHP應(yīng)用。

假手調(diào)節(jié)器由飛思卡爾H橋器件MC33887驅(qū)動，低功耗模式用來延長電池使用壽命。

MHP通過用戶前臂中的電極傳感信號。這些信號處于mV范圍，因此用一個增益為106?儀表放大器對它們進(jìn)行處理。

為了消除所有非肌電信號，我們在15-400Hz的頻率范圍內(nèi)設(shè)計了二階低通濾波器和一階高通濾波器，作為肌電信號的下一步驟。然后使用參考電壓比較器，選擇一個將噪聲信號從用戶前臂的其他肌肉中消除的電壓水平。最后，還有一條將正確的電壓驅(qū)動到微控制器鍵盤中斷(KBI)引腳的電路。

MC9S08QE4從復(fù)位開始，所以系統(tǒng)要檢查復(fù)位源(電源開、低電池電壓、看門狗、非法操作碼等)，然后根據(jù)復(fù)位源情況決定怎么做。

在CPU和外設(shè)初始化后，微控制器進(jìn)入低功耗模式。當(dāng)檢測到肌電信號時，只有外部中斷可以喚醒系統(tǒng)。然后系統(tǒng)進(jìn)入信號捕捉狀態(tài)。這種狀態(tài)會關(guān)閉外部中斷，并提供模數(shù)定時器中斷。微控制器然后再進(jìn)入低功耗模式。

當(dāng)出現(xiàn)定時器中斷時，系統(tǒng)可能從低功耗模式中喚醒。中斷頻率執(zhí)行Nyquist理論，因為登記的更高肌電信號頻率是3.125 kHz，所以中斷在經(jīng)過配置后每151.5 μs(6.6 kHz)出現(xiàn)一次。在中斷子程序中，肌電輸入信號被檢查并登記它們的狀態(tài)。然后檢查計數(shù)器，如果未達(dá)到可配置的計數(shù)，微控制器再次進(jìn)入低功耗模式，直到出現(xiàn)另外一個定時器中斷。但是，如果達(dá)到了可配置計數(shù)，微控制器就進(jìn)入信號解碼狀態(tài)。

在信號解碼狀態(tài)中，MC9S08QE4檢查在規(guī)定時間內(nèi)哪個肌電信號注冊了更多激活。然后微控制器決定接下來執(zhí)行哪種狀態(tài)：打開假手、關(guān)閉假手、將手腕左移或?qū)⑹滞笥乙?。但是，如果系統(tǒng)認(rèn)為是電子脈沖導(dǎo)致了微控制器從低功耗模式中喚醒，系統(tǒng)除提供外部中斷外不做任何處理，并重新進(jìn)入低功耗模式。

一旦系統(tǒng)決定了接下來將執(zhí)行的狀態(tài)，定時器/脈寬調(diào)制器(PWM)就會配置輸出信號，以便在假手中生成一個動作。然后系統(tǒng)會啟用外部中斷，并進(jìn)入低功耗模式，等待下一次肌電刺激。

模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)用來不斷檢查DC電機(jī)的電流消耗，以便控制假手關(guān)閉動作所引起的壓力。由于MC33887 H橋器件所提供的專用硬件(能夠從驅(qū)動電機(jī)的電源那里得到反饋)，這種監(jiān)控才成為可能。

MC9S08QE4擁有4KB閃存和256KB RAM，分別用于代碼和數(shù)據(jù)。該微控制器內(nèi)使用和加載的資源是：Flash(代碼)：983字節(jié)；RAM(數(shù)據(jù))：35字節(jié)。這為未來升級和預(yù)加載運動子程序預(yù)留了3KB閃存和221KB RAM。

在不久的將來，通過為機(jī)械硬件選擇更輕和更結(jié)實的材料，提供更美觀的假手，該項目將有較大的改進(jìn)。設(shè)計一個更美觀的手套將給用戶帶來重要的心理優(yōu)勢。

現(xiàn)在，技術(shù)的進(jìn)步可謂是突飛猛進(jìn)。飛思卡爾的任務(wù)就是不斷地采用并開發(fā)這些技術(shù)，以便提供更好、更廣泛的器件系列，讓設(shè)計人員不斷創(chuàng)建和改進(jìn)動態(tài)解決方案。

在未來設(shè)計修改中，飛思卡爾也指明了方向。Flexis微控制器系列中的引腳至引腳功能實現(xiàn)了8位和32位MCU之間的輕松應(yīng)用移植，從而可以在產(chǎn)品中增加更多特性。

飛思卡爾在密切注視著發(fā)展中國家的問題，并意識到我們的社會需要解決這些問題，以便為生活在這里的人民提供更好的生活質(zhì)量。一個失去了手的人會經(jīng)常感到灰心喪氣，因為他或她可能再也不能像社會上的其他正常人一樣生活了。這種沮喪情緒不僅是關(guān)于身體機(jī)能的，也是關(guān)于美學(xué)的。讓他們重新找回最初的身體機(jī)能和美學(xué)，對飛思卡爾來說，無論是作為一家公司、一個設(shè)計團(tuán)隊還是這個社會的一份子，都是一種莫大的榮耀。