MC9S08QE的肌電假手解決方案

醫療假手設計成本昂貴。如何為產(chǎn)品選擇最經(jīng)濟的問(wèn)題解決辦法是擺在設計人員面前的一道難題。MC9S08QE是一款經(jīng)濟高效的通用低功耗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，因此非常適合于肌電假手(MHP)應用。請看本文的介紹。

醫療假手設計成本昂貴。因為政府補貼，發(fā)達國家的設計人員并不用精打細算。這樣，他們就可以快速將他們的產(chǎn)品推向市場(chǎng)。

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

一個(gè)由來(lái)自“Universidad Jesuita de Guadalajara”ITESO研究生院工程系學(xué)生組成的墨西哥團隊設計出肌電假手，讓那些極度需要價(jià)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設計應用大獎賽上，該團隊榮獲一等獎。團隊中包括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(shí)執行收縮和放松過(guò)程。

肌電假手(MHP)有4個(gè)不同的用戶(hù)控制器運動(dòng)(打開(kāi)/關(guān)閉假手和右/左手腕)。此外，系統還可以調節關(guān)閉運動(dòng)壓力，支持100kPa以上的壓力。這個(gè)壓力足以拿住最常見(jiàn)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，因此非常適合于MHP應用。

假手調節器由飛思卡爾H橋器件MC33887驅動(dòng)，低功耗模式用來(lái)延長(cháng)電池使用壽命。

MHP通過(guò)用戶(hù)前臂中的電極傳感信號。這些信號處于mV范圍，因此用一個(gè)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的頻率范圍內設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(gè)將噪聲信號從用戶(hù)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動(dòng)到微控制器鍵盤(pán)中斷(KBI)引腳的電路。

MC9S08QE4從復位開(kāi)始，所以系統要檢查復位源(電源開(kāi)、低電池電壓、看門(mén)狗、非法操作碼等)，然后根據復位源情況決定怎么做。

在CPU和外設初始化后，微控制器進(jìn)入低功耗模式。當檢測到肌電信號時(shí)，只有外部中斷可以喚醒系統。然后系統進(jìn)入信號捕捉狀態(tài)。這種狀態(tài)會(huì )關(guān)閉外部中斷，并提供模數定時(shí)器中斷。微控制器然后再進(jìn)入低功耗模式。

當出現定時(shí)器中斷時(shí)，系統可能從低功耗模式中喚醒。中斷頻率執行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(guò)配置后每151.5 μs(6.6 kHz)出現一次。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)。然后檢查計數器，如果未達到可配置的計數，微控制器再次進(jìn)入低功耗模式，直到出現另外一個(gè)定時(shí)器中斷。但是，如果達到了可配置計數，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檢查在規定時(shí)間內哪個(gè)肌電信號注冊了更多激活。然后微控制器決定接下來(lái)執行哪種狀態(tài)：打開(kāi)假手、關(guān)閉假手、將手腕左移或將手腕右移。但是，如果系統認為是電子脈沖導致了微控制器從低功耗模式中喚醒，系統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。

一旦系統決定了接下來(lái)將執行的狀態(tài)，定時(shí)器/脈寬調制器(PWM)就會(huì )配置輸出信號，以便在假手中生成一個(gè)動(dòng)作。然后系統會(huì )啟用外部中斷，并進(jìn)入低功耗模式，等待下一次肌電刺激。

模數轉換器(ADC)用來(lái)不斷檢查DC電機的電流消耗，以便控制假手關(guān)閉動(dòng)作所引起的壓力。由于MC33887 H橋器件所提供的專(zhuān)用硬件(能夠從驅動(dòng)電機的電源那里得到反饋)，這種監控才成為可能。

MC9S08QE4擁有4KB閃存和256KB RAM，分別用于代碼和數據。該微控制器內使用和加載的資源是：Flash(代碼)：983字節；RAM(數據)：35字節。這為未來(lái)升級和預加載運動(dòng)子程序預留了3KB閃存和221KB RAM。

在不久的將來(lái)，通過(guò)為機械硬件選擇更輕和更結實(shí)的材料，提供更美觀(guān)的假手，該項目將有較大的改進(jìn)。設計一個(gè)更美觀(guān)的手套將給用戶(hù)帶來(lái)重要的心理優(yōu)勢。

現在，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(kāi)發(fā)這些技術(shù)，以便提供更好、更廣泛的器件系列，讓設計人員不斷創(chuàng )建和改進(jìn)動(dòng)態(tài)解決方案。

在未來(lái)設計修改中，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(shí)現了8位和32位MCU之間的輕松應用移植，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(zhù)發(fā)展中國家的問(wèn)題，并意識到我們的社會(huì )需要解決這些問(wèn)題，以便為生活在這里的人民提供更好的生活質(zhì)量。一個(gè)失去了手的人會(huì )經(jīng)常感到灰心喪氣，因為他或她可能再也不能像社會(huì )上的其他正常人一樣生活了。這種沮喪情緒不僅是關(guān)于身體機能的，也是關(guān)于美學(xué)的。讓他們重新找回最初的身體機能和美學(xué)，對飛思卡爾來(lái)說(shuō)，無(wú)論是作為一家公司、一個(gè)設計團隊還是這個(gè)社會(huì )的一份子，都是一種莫大的榮耀。