基于MSP430的無(wú)極性恒流電刺激器的設計

　1、引言?

　　電刺激治療方法是當今臨床康復和日常物理治療最常用和最重要的手段之一，具有鎮痛、消腫、消炎、脫敏、緩解肌肉痙攣、加強組織張力、促進(jìn)恢復正常的神經(jīng)傳導和調節功能等治療作用。無(wú)極性微分型指數波形，由電荷相等的正負脈沖波構成，負指數脈沖起神經(jīng)纖維去極化作用，正脈沖起電荷平衡的作用，具有避免組織損傷的特點(diǎn)[1,2,3]。

　　本文提出了一種雙極性恒流電刺激器的設計方案，并給出了具體的實(shí)現方法，該刺激器可用于合成多種信號調幅的無(wú)極性指數脈沖，不僅能滿(mǎn)足治療效果，還兼顧了刺激的安全性。

　　2、系統硬件結構與設計

　　系統硬件結構包括MSP430F4270主控芯片、信號合成模塊以及信號輸出模塊，如圖1所示。

圖1 系統硬件結構框圖

　　調幅信號產(chǎn)生方式采用了數字式波形發(fā)生器方式[4]，預先把所需要的調幅信號產(chǎn)生的波形以某一采樣率數字化成為波形數據，存儲到MSP430的FLASH中，刺激開(kāi)啟時(shí)，再把這一波形所對應的數據根據刺激參數以一定的頻率送到片內的12位數-模轉換電路，輸出的就是需要的調幅信號。這種波形發(fā)生器方式克服了純硬件電路方式產(chǎn)生每一種波形幾乎都需要一種特定的電子電路硬件和靈活性不高的缺點(diǎn)。

　　2.1 MSP430F4270主控芯片

　　超低功耗單片機MSP430F4270的工作電壓為1.8V-3.6V，晶振為32.768kHz的低速晶振，活動(dòng)模式的功耗僅為250μA，使系統具有較低的動(dòng)態(tài)功耗；具有32KBFLASH，用于存儲程序和較大量的調幅信號波形數據；內置12位D/A轉換器用于調幅波形數據的片內數模轉換，輸出特定頻率和幅度的調幅信號；TimerA定時(shí)器用于產(chǎn)生特定頻率的方波調制信號和外圍電路控制信號。另外，MSP430還五種低功耗模式，可以通過(guò)軟件控制芯片的工作方式，進(jìn)行系統狀態(tài)的實(shí)時(shí)調度，使整個(gè)系統達到最低的功耗并發(fā)揮其最優(yōu)的性能[5,6] 。

　　2.2 信號合成模塊

　　包括方波調制電路和微分電路兩部分，信號合成原理如圖2所示。

圖2 信號合成原理圖

　?。?）調幅電路：實(shí)現方波信號調幅，電路如圖3。

圖3 調幅電路

　　MSP430單片機P1.2口輸出方波脈沖，D/A輸出調幅信號，晶體管起到高速開(kāi)關(guān)電路的作用，放大器工作為跟隨器。晶體管的截止時(shí)間由基極方波脈沖（V2）的高電平?jīng)Q定。當基極電壓V2>UBE時(shí)（晶體管UBE約為0.7V），晶體管導通，D/A轉換輸出電路的電流直接流向地，后級放大器輸入為0，輸出Vout為0；當基極電壓U2<Ube時(shí)，晶體管截止，D/A轉換輸出電路的電流直接流向后級的放大器，輸出Vout=V1。

　?。?）微分電路：用于將方波整形為指數波。微分電路分為無(wú)源器件和有源器件的形式，有源微分電路具有更好的性能，并便于電路前后級之間的阻抗匹配，電路如圖4。電容Cx具有防止電路產(chǎn)生振蕩，抑制高頻增益和減少輸出噪聲的作用。

　　微分電路的輸出電壓Vo和輸入電壓Vin之間為微分關(guān)系，如圖5所示。

　　2.3 信號輸出模塊

　　在單電源供電電路中，不能直接輸出雙極性信號，信號輸出模塊的信號調理過(guò)程如圖6所示。

圖6 信號輸出調理

　　(1) 全波整流電路：實(shí)現將微分后的雙極性刺激信號全波整流為單極性信號。采用完全無(wú)需二極管并可在單電源供電情況下運行的全波整流，具有處理滿(mǎn)擺幅的輸入和輸出、消除二極管壓降的影響和實(shí)現高精度的小信號整流的特點(diǎn)，電路如圖7所示。

圖7 全波整流電路

　　其中，R3=R4=2R2，當VIN>0V時(shí)，則運放A為跟隨器，其輸出VHALF等于VIN/2，而運放B作用為一個(gè)減法器，其輸出電壓VOUT = VIN。當VIN＜=0V時(shí)，則VHALF = 0V，此時(shí)電路是一個(gè)單位增益反相器，輸出VOUT = -VIN，時(shí)相關(guān)系如圖8所示。

　　(2) 雙極性控制電路：用于控制單極性信號的偶次周期時(shí)間間隔內得到反極性的電流輸出，實(shí)現單極性信號的雙極性輸出。采用了單片機MSP430產(chǎn)生的極性相反的一組脈沖和三極管來(lái)控制輸出極性的轉換。三極管工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，通過(guò)脈沖信號控制不同組合三極管的導通和關(guān)閉來(lái)實(shí)現負載上電流的流向，從而實(shí)現極性的控制，其原理如圖9所示。

圖9 雙極性控制原理

　　當開(kāi)關(guān)K1和K4閉合，并且K2和K3斷開(kāi)時(shí)，負載RL上的電流方向由左向右；而當開(kāi)關(guān)K2和K3閉合，并且K1和K4斷開(kāi)時(shí)，負載RL上的電流方向由右向左，實(shí)現了單極性信號在負載上的雙極性輸出。

　　(3) 恒流源輸出電路：實(shí)現輸出幅度的控制以及恒定電流輸出，輸出電流不受負載變動(dòng)的影響。電路由軌到軌單電源運算放大器MCP6004、CMOS管、電源以及刺激電極(即負載RL)組成，如圖10所示。

圖10 壓控恒流輸出電路

　　供電電壓足夠高時(shí)，輸出電流的幅度由輸入電壓與電阻RL的比值來(lái)決定，而與輸出的負載無(wú)關(guān)。

　　3、系統軟件設計

　　軟件程序包括主程序和時(shí)鐘中斷程序，程序流程如圖11、12所示。主程序進(jìn)行變量初始化、片內（D/A、液晶驅動(dòng)、TimerA）模塊以及端口的初始化，然后打開(kāi)總中斷進(jìn)入低功耗模式。時(shí)鐘中斷程序用于監測治療時(shí)間，并根據刺激參數產(chǎn)生特定頻率、幅度的隨機信號和外圍電路控制信號，完成刺激信號的合成和輸出控制。

圖11 主程序流程　圖12 時(shí)鐘中斷流程

　　4、結果

　　通過(guò)修改MSP430單片機FLASH中下載的調幅信號波形數據，而無(wú)需改變任何軟件和硬件結構，無(wú)極性恒流電刺激器就可以輸出各種的不同信號調幅的無(wú)極性指數脈沖，如隨機信號調幅的無(wú)極性指數脈沖，圖13所示。

圖13 隨機信號調幅的無(wú)極性指數脈沖

　　5、結論

　　無(wú)極性恒流電刺激器采用了MSP430微控制器，可以根據需要輸出各種信號調幅的無(wú)極性指數脈沖，而無(wú)需更改軟件和硬件結構，具有靈活性好、輸出電流不受負載阻抗變化、安全可靠的特點(diǎn)； 另外，設計結合了便攜式設計方法，采用體積貼裝芯片, 也無(wú)需外接D/A轉換器件、液晶驅動(dòng)模塊等,減小了整機的體積,提高了整機的性?xún)r(jià)比。

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