基于A(yíng)Tmega48的微功耗電刺激器的設計

　3.2 脈沖發(fā)生電路

　　通常具有一定驅動(dòng)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動(dòng)放大，放大電路工作在線(xiàn)性放大區。這種放大電路必須具有靜態(tài)電流來(lái)維持合適的靜態(tài)工作點(diǎn)，功耗較大。為了降低耗電流，本系統的電刺激器用開(kāi)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(xiàn)端子，OC0A是ATmega48V定時(shí)器0的PWM輸出口，根據實(shí)驗的要求調節輸出強度。用PWM輸出以及R6、R7、C6和C7組成的濾波器調節U3A正相的輸入電壓。運放U3A接為正相放大方式，放大倍數由R8和R9決定。Q2為功率放大三極管，增大輸出的驅動(dòng)能力。Q3工作在開(kāi)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(shí)，Q3導通，輸出刺激脈沖；導通500μs后，ATmega48V的9腳變到低電平，Q3關(guān)閉，脈沖結束；按10Hz的頻率循環(huán)往復。

　　4 功能實(shí)現及軟件編程

　　ATmega48有131條指令，大多是單機器周期指令，指令系統非常豐富。ATmega48在指令設計時(shí)很好地考慮到C語(yǔ)言的操作模式，用C語(yǔ)言編程可以得到很高的代碼效率。ATmega48屬于A(yíng)VR系列的單片機，常用的用于A(yíng)VR單片機開(kāi)發(fā)的C語(yǔ)言有兩種：AVR-ICC和AVR-GCC。AVR-ICC是商業(yè)的AVR的C語(yǔ)言集成化開(kāi)發(fā)工具(IDE)，界面友好，使用簡(jiǎn)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(kāi)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A(yíng)VR-GCC有大量的高手參與開(kāi)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(guò)來(lái)的，保留了類(lèi)似UNIX的操作方式，對于不熟悉UNIX的WINDOWS用戶(hù)，其使用時(shí)入門(mén)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A(yíng)VR-GCC的論壇，使用中的許多問(wèn)題都可以在論壇上得到幫助。由于A(yíng)VR-GCC具有低廉的使用成本和出色的功能，所以本系統選用AVR-GCC作為編程工具。

　電刺激器在工作的間歇期進(jìn)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(shí)要求定時(shí)重新喚醒進(jìn)行工作，必須保留一個(gè)定時(shí)器的工作。因此選用的休眠方式為IDLE，在IDLE方式下定時(shí)器2仍然可以工作。以下是休眠部分的程序。

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

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

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

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

　　設置定時(shí)器0工作于PWM輸出方式，用于控制刺激強度。

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

　　系統總程序流程如圖4所示。

　　電刺激實(shí)驗器的開(kāi)發(fā)是為了植入大鼠體內，研究電刺激對癲癇抑制的機理。本研究開(kāi)發(fā)的電刺激實(shí)驗器整體結構尺寸為Φ17mm(直徑) x 7mm(厚)。脈沖發(fā)生放大電路用開(kāi)關(guān)方式實(shí)現，大大降低了系統的功耗。采用ATmega48單片機控制輸出脈沖，精度高、功耗小、工作可靠、可以連續工作一個(gè)月以上，滿(mǎn)足了實(shí)驗的要求。