一款基于嵌入式器件AT89C51SNDlC的電子治療儀設計

目前采用兩個(gè)電極片對稱(chēng)覆蓋治療人體部位的電子治療儀，是通過(guò)電極片上的脈動(dòng)電壓與治療人體部位電阻產(chǎn)生作用，在治療部位產(chǎn)生人體能夠感知的脈動(dòng)電流，刺激神經(jīng)肌肉，使其收縮和舒張，產(chǎn)生運動(dòng)效應，以達到治療目的。但目前市場(chǎng)上此類(lèi)型治療儀產(chǎn)生的脈動(dòng)電壓只有少數幾種，由于脈動(dòng)電流頻率周期固定，如果某治療部位長(cháng)期接受其脈動(dòng)，就會(huì )產(chǎn)生抗療作用，引起自發(fā)性緊張，從而降低治療效果。為了解決這一問(wèn)題，將MP3發(fā)出的隨機音樂(lè )信號引入治療儀，使音頻信號與2.4 kHz的中頻治療頻率進(jìn)行調制，產(chǎn)生多種脈動(dòng)電壓和頻率周期不斷變換的脈動(dòng)電流。它們隨音樂(lè )信號起伏變化而發(fā)生作用，使患者一邊欣賞著(zhù)喜歡的音樂(lè )一邊接受治療，分散注意力，緩解緊張情緒，從而有助于提高治療效果。

現提出一種基于嵌入式器件AT89C5ISNDlC的電子治療儀設計方案，并外擴D/A、海量存儲器、鍵盤(pán)、顯示，實(shí)現基本的MP3功能;控制AT89C5lSNDlC產(chǎn)生音頻及2.4 kHz中頻信號，采用數字電路完成這兩種信號的調頻，再經(jīng)放大后，由變壓器隔離輸出脈動(dòng)治療電壓。

1 工作原理

基于嵌入式器件89C5lSNDlC的電子治療儀系統硬件結構如圖l所示，分為信號產(chǎn)生與控制模塊、調頻輸出模塊、電源模塊3部分。

信號產(chǎn)生與控制模塊是由89C5lSNDlC單片機、海量存儲器、鍵盤(pán)、USB端口、液晶顯示、D/A轉換器、音頻放大等部分組成。當治療儀的USB端口插入電腦的USB接口時(shí)，經(jīng)單片機檢測后執行U盤(pán)功能，可將選好的MP3歌曲復制到U盤(pán)(治療儀)。當治療儀的USB端口未插入電腦的USB接口時(shí)，治療儀可做為MP3播報器。通過(guò)功能鍵設置歌曲、治療時(shí)間、音量，通過(guò)啟動(dòng)/停止鍵控制治療儀。治療時(shí)，單片機產(chǎn)生兩個(gè)反相的2.4 kHz中頻信號F中頻、F中頻和一個(gè)音頻信號F音頻，同時(shí)將存儲的MP3格式的歌曲解碼為音頻數字信號，再經(jīng)D/A轉換放大器放大后，送至耳機或喇叭。

調頻輸出模塊是由調頻、放大、輸出劑量調整、輸出變壓器、電極片等部分組成。對兩路反相中頻信號和一路音頻信號進(jìn)行調頻，調頻后的信號經(jīng)放大后，由輸出變壓器隔離輸出脈沖電壓，通過(guò)電極片對稱(chēng)覆蓋到人體的治療部位，人體會(huì )感知到隨音樂(lè )起伏變化的電流刺激。通過(guò)輸出劑量調整，滿(mǎn)足人體不同治療部位以及皮膚干濕度的不同所能承受感知電流的要求。

電源模塊可提供15 V、5 V、3.3 V系統工作電壓。當治療儀的USB端口插入電腦USB接口時(shí)，單片機執行U盤(pán)功能，由電腦USB接口提供+5 V的電源。治療時(shí)，治療儀的供電電源是由220 V的交流電源經(jīng)變壓、整流、穩壓、濾波產(chǎn)生。

2 硬件系統設計

2.1 MCU介紹

嵌入式器件AT89C5lSNDlC集CPU、MP3解碼器、USB控制器等器件于一體。AT89C51SNDlC不但具有51系列單片機的控制功能，并可擴展為MP3及U盤(pán)，采用PLCC封裝，其內部結構框圖如圖2所示。

AT89C5lSNDlC的P0、P1、P3端口功能與5l系列單片機相兼容，另外增加了8位的P4端口、4位的P5端口。時(shí)鐘電路與復位電路連接法與51系列單片機。

首次使用該器件需要分別下載USB驅動(dòng)程序、用戶(hù)程序。在A(yíng)T89C51SNDlC的64 KBROM中，地址FOOOH-FFFFH已同化好4K字節Boot Loader代碼。出廠(chǎng)時(shí)，已將BLJB位置為1，這樣上電后自動(dòng)執行Boot Loader代碼，等待從USB接口下載U盤(pán)驅動(dòng)程序或用戶(hù)程序目標代碼。下載完成后，應在下載軟件中將BIJJB位置為0，再次上電，自動(dòng)執行用戶(hù)程序。如果仍需要修改用戶(hù)程序，可將ISP引腳置為低電平。則上電復位后，自動(dòng)引導執行Boot Loader代碼，等待更新用戶(hù)程序。重新啟動(dòng)用戶(hù)程序，應將ISP引腳置為高電平。

2.2 信號產(chǎn)生與控制模塊

信號產(chǎn)生與控制模塊電路原理框圖如圖3所示。為實(shí)現MP3及U盤(pán)功能，AT89C51SNDlC單片機需外接一個(gè)NAND-Flash海量存儲器，這里選用16 MB的K9F2808U0C，其數據線(xiàn)I/00～I/07接P0端口，控制線(xiàn)接P5端口。MP3音頻解碼輸出信號，而該單片機的DOUT、DLCK、DSEL、SCLK引腳接D/A轉換器CS4330，經(jīng)過(guò)放大，輸出到耳機收聽(tīng)MP3播放的歌曲。液晶屏接單片機的P2端口，與鍵盤(pán)相配合以顯示當前治療儀的工作狀態(tài)。鍵盤(pán)上有4個(gè)按鍵，音量/歌曲/定時(shí)功能鍵接P1.0引腳，分別與P1.1引腳所接的next鍵和P1.2引腳所接的previ-OHS鍵相配合，實(shí)現音量調節、歌曲選定、治療定時(shí)等功能設定;而啟動(dòng)/停止鍵接P1.3引腳。

AT89C5lSNDlC單片機的P3.3引腳用于檢測當前使用的是U盤(pán)還是MP3播放器。如將治療儀的USB引線(xiàn)接到電腦的USB端口，P3.3引腳則檢測到高電平，執行U盤(pán)程序，此時(shí)，單片機的工作電源來(lái)自于USB接口;否則，P3.3引腳檢測到低電平，則執行MP3程序。中頻信號F中頻、F中頻和音頻信號F音頻分別接AT89C5lSN-DlC單片機的P4.4、P4.5和DOUT引腳。