基于A(yíng)Tmega48的微功耗電刺激器的設計

　　為了研究DBS對癲癇治療的機理，首先開(kāi)發(fā)了微型迷走神經(jīng)電刺激實(shí)驗器(Vagus Nerve Stimulator，VNSr)，并植入大鼠體內進(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、脈寬和強度的脈沖刺激迷走神經(jīng)，通過(guò)觀(guān)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、水迷宮測定動(dòng)物的視-空間記憶功能及Timm和Thionin組織染色觀(guān)察大腦神經(jīng)病理學(xué)改變，來(lái)測定神經(jīng)刺激器對癲癇的治療作用。

　　電刺激器由植入電極、連接導線(xiàn)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)物體內的電刺激器需要在設定的時(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計思想。

　　1 電刺激器設計要求

　本系統中植入動(dòng)物體內的電刺激器屬于開(kāi)環(huán)控制，設定為間歇式工作方式，根據前期實(shí)驗結果，結合參考文獻1提供的參數，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。工作過(guò)程是輸出頻率30Hz、脈寬500μs的刺激電流。為了準確控制設定的參數，本系統中嵌入了單片機。系統結構框圖如圖1所示。

　　電刺激器設計的關(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和元件。

　　2 電壓調整

　　本系統采用3V紐扣式鋰電池供電，為了達到刺激電流的強度要求，需要將電壓提升。電壓的提升應選用高效率緊湊型DC/DC進(jìn)行升壓?？晒┻x用的緊湊型升壓DC/DC的IC元件很多，例如美國國家半導體公司的LM2703、LM2733，凌特公司的LT1615，德州儀器的TPS61040，臺灣易亨電子的AP1522等等。這幾種IC都是SOT23-5的緊湊型封裝，管腳完全兼容，這也是本系統選用這種IC的原因，不擔心芯片缺貨，將外圍元件參數稍做修改就可以對IC進(jìn)行互換。電壓調整電路的接線(xiàn)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電池直接給單片機供電。單片機通過(guò)圖中的ON_OFF控制包括DC/DC電路在內的外圍電路的供電，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設為高電平，切斷外圍電路的供電，從而有效地降低系統的電流損耗。

　　3 ATmega48單片機及其脈沖發(fā)生電路

　　3.1 ATmega48單片機及應用

　　ATmega48單片機是Atmel公司在2004年底推出的微功耗高性能八位單片機，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)。內有4KB的Flash程序存儲器、256B的EEPROM和512B的靜態(tài)存儲器。支持ISP串行下載方式。

　　ATmega48單片機為RISC結構，在1MHz頻率下速度為1MIPS。系統時(shí)鐘有外部低頻、外部高頻、內部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(xiě)熔絲位，并結合軟件編程與時(shí)鐘相關(guān)的寄存器實(shí)現。選擇單片機的時(shí)鐘頻率越高，單片機的功耗也越大。本系統選用128kHz的內部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單片機內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倍的分頻系數將時(shí)鐘降低到4kHz。

　　ATmega48單片機內有兩個(gè)8位的定時(shí)/計數器，一個(gè)16位的定時(shí)/計數器，可以滿(mǎn)足本系統對開(kāi)啟時(shí)間、脈寬、脈沖頻率的精確控制。另外單片機還有6個(gè)PWM輸出口，可以用于調節儀器的刺激強度。ATmega48單片機內部有獨立的硬件看門(mén)狗時(shí)鐘，可以有效地防止單片機死機。

　　本系統選用的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，單片機均可正常工作，能充分利用電池的容量。