基于C8051F015的手持式電刺激器系統設計

1.引言

隨著(zhù)社會(huì )的不斷進(jìn)步，人們的健康意識不斷增強，家庭保健儀器得到越來(lái)越廣泛得應用。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，以達到診斷或是醫療保健的目的。從生物學(xué)觀(guān)點(diǎn)來(lái)看，生物體興奮組織對外界刺激均能產(chǎn)生反應，但只有對電的刺激可以精確地控制其參數。而且適度的電刺激即使重復多次也不會(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)，常應用在舒緩疼痛方面，對于急、慢性與神經(jīng)性疼痛均有治療效果。

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

2． 整體設計

手持刺激器系統基本的功能要求如下。

2.1設備的每個(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載時(shí)輸出波形不失真。

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

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

2.5設備輸出幅度的調節應連續均勻,波形不失真，最小輸出不大于最大輸出的1%。

2.6 設備開(kāi)路測量時(shí)，輸出電壓峰值應不大于500V。

根據上述要求，系統采用一塊單片機作為主控制芯片?？紤]到手持設備的要求，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，實(shí)時(shí)計算電池剩余容量，在低電量時(shí)蜂鳴警報用戶(hù)。采用壓控恒流源的方法，快速打開(kāi)和關(guān)閉電流，使脈沖上升時(shí)間和下降時(shí)間的要求。采用外部存儲器，記錄不同用戶(hù)的刺激參數。采用串口接口，使刺激器和PC機能方便的進(jìn)行通信。采用LCD，設計圖形文字界面，操作簡(jiǎn)單，大幅度提高系統的便利性^[2] 。

3．硬件設計

采用C8051F015單片機作為系統的主控制芯片^[3]，液晶顯示和鍵盤(pán)實(shí)現了人機對話(huà)的功能。DataFlash空間較大，存儲各記錄號對應的刺激參數，FRAM允許較多的讀寫(xiě)次數，實(shí)時(shí)保存當前用戶(hù)的刺激參數，并在關(guān)機時(shí)將數據保存到DataFlash中。時(shí)鐘芯片提供系統實(shí)時(shí)時(shí)鐘，包括年、月、日、時(shí)、分、秒，通過(guò)串口與PC機進(jìn)行數據傳輸。加速度傳感器用于檢測人體顫抖情況，信號經(jīng)過(guò)整形、放大和濾波處理后，輸入單片機的ADC端口。

C8051F015是Silicon Labs公司的一款單片機，完全集成的混合信號系統級芯片（SoC），具有與8051兼容的高速CIP-51內核，與MCS-51指令集完全兼容，外部有豐富的IO資源，片內集成了2304字節的數據RAM和32K字節的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(mǎn)足系統對硬件資源的要求。此外，該芯片中帶有交叉開(kāi)關(guān)模塊，通過(guò)設置，可以控制寄存器將片內的計數器/定時(shí)器、串行總線(xiàn)、硬件中斷、ADC轉換啟動(dòng)輸入、比較器輸出以及微控制器內部的其它數字信號配置為出現在端口I/O引腳。這就允許用戶(hù)根據自己的特定應用選擇通用端口I/O和所需數字資源的組合，簡(jiǎn)化了硬件電路上的設計，提高系統的可靠性，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)鐘芯片能節省I/O資源。采用這些常用芯片既能減少開(kāi)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(kāi)，系統可以在充電時(shí)使用?？捎?2V直流電源供電并對電池充電，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，采用國家半導體公司的升壓芯片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． 軟件設計

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

圖5設備系統的狀態(tài)轉換示意圖

(1) 啟動(dòng)系統

執行系統初始化工作，LCD顯示歡迎信息。

(2) 菜單模式

響應鍵盤(pán)操作，新增和修改記錄號及其對應的刺激參數，實(shí)現人機對話(huà)，包括電流、模式、人員、回放、連接、聲音、背光、時(shí)間、內存和初值。

選擇電流，確定刺激強度（1～80mA），默認值為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，設置范圍：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(kāi)關(guān)。選擇時(shí)間，修改和確定時(shí)間。選擇內存，查看現有記錄占總內存的百分比。選擇初值，可以將內存清零，所有設置成默認值。

(3) 回放模式

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

(4) 刺激模式

在刺激時(shí)，可以根據LCD的顯示，響應鍵盤(pán)操作，對刺激參數進(jìn)行調整，并保存。在某些非周期刺激模式下，需要用戶(hù)按鍵對刺激間隔時(shí)間進(jìn)行控制。

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

系統主要記錄當前狀態(tài)字和上一個(gè)狀態(tài)字，根據其相互關(guān)系決定用戶(hù)輸入的命令內容，進(jìn)而執行響應的操作。

6． 系統效果

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，位于顯示屏左下方。記錄號顯示，位于顯示屏左下底部，靜音符號下。

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，當電量尚存30%時(shí)發(fā)出報警，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 當前刺激強度顯示，單位為mA，即時(shí)顯示，位于顯示屏右上下方。

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

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

6.7 反饋信號強度以直方圖（豎條線(xiàn)顯示，豎線(xiàn)的高度為反饋信號強度）即時(shí)顯示，位于整個(gè)顯示屏的中間。

7． 小結

由于系統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換芯片，使系統能運行更長(cháng)的時(shí)間。另外，此系統只能對一個(gè)部位進(jìn)行刺激，在以后的系統中可改進(jìn)為多個(gè)刺激輸出，使系統更滿(mǎn)足實(shí)際需要。在設計下一代產(chǎn)品時(shí)，可以考慮可移植操作系統的嵌入式芯片和更大的LCD顯示屏，使用戶(hù)圖形界面更易于操作，使系統更人性化。

本文作者創(chuàng )新點(diǎn)：電路設計新穎，將醫療保健器械小型化、便攜化，填補了市場(chǎng)空白。

參考文獻：

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[4] 龐清樂(lè ) 孫同景 秦偉剛 基于C8051F330單片機的多路溫濕度測控系統 微計算機信息[J] 2004年 20卷 4期, 51-52頁(yè)