基于飛思卡爾低成本MCU的肌電假手解決方案

　　醫(yī)療假手設(shè)計(jì)成本昂貴。如何為產(chǎn)品選擇最經(jīng)濟(jì)的問(wèn)題解決辦法是擺在設(shè)計(jì)人員面前的一道難題。MC9S08QE是一款經(jīng)濟(jì)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(hù)，因此非常適合于肌電假手(MHP)應(yīng)用。請(qǐng)看本文的介紹。

　　醫(yī)療假手設(shè)計(jì)成本昂貴。因?yàn)檎a(bǔ)貼，發(fā)達(dá)國(guó)家的設(shè)計(jì)人員并不用精打細(xì)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(guó)家的設(shè)計(jì)人員可能得不到政府的資助，這也是為什么設(shè)計(jì)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(jì)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(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)應(yīng)用大獎(jiǎng)賽上，該團(tuán)隊(duì)榮獲一等獎(jiǎng)。團(tuán)隊(duì)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(hào)，同時(shí)執(zhí)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(yùn)動(dòng)(打開(kāi)/關(guān)閉假手和右/左手腕)。此外，系統(tǒng)還可以調(diào)節(jié)關(guān)閉運(yùn)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(jì)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(hù)，因此非常適合于MHP應(yīng)用。

　　假手調(diào)節(jié)器由飛思卡爾H橋器件MC33887驅(qū)動(dòng)，低功耗模式用來(lái)延長(zhǎng)電池使用壽命。

　　MHP通過(guò)用戶(hù)前臂中的電極傳感信號(hào)。這些信號(hào)處于mV范圍，因此用一個(gè)增益為106?儀表放大器對(duì)它們進(jìn)行處理。

　　為了消除所有非肌電信號(hào)，我們?cè)?5-400Hz的頻率范圍內(nèi)設(shè)計(jì)了二階低通濾波器和一階高通濾波器，作為肌電信號(hào)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(hào)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(qū)動(dòng)到微控制器鍵盤(pán)中斷(KBI)引腳的電路。

　　MC9S08QE4從復(fù)位開(kāi)始，所以系統(tǒng)要檢查復(fù)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(jù)復(fù)位源情況決定怎么做。

　　在CPU和外設(shè)初始化后，微控制器進(jìn)入低功耗模式。當(dāng)檢測(cè)到肌電信號(hào)時(shí)，只有外部中斷可以喚醒系統(tǒng)。然后系統(tǒng)進(jìn)入信號(hào)捕捉狀態(tài)。這種狀態(tài)會(huì)關(guān)閉外部中斷，并提供模數(shù)定時(shí)器中斷。微控制器然后再進(jìn)入低功耗模式。

　　當(dāng)出現(xiàn)定時(shí)器中斷時(shí)，系統(tǒng)可能從低功耗模式中喚醒。中斷頻率執(zhí)行Nyquist理論，因?yàn)榈怯浀母呒‰娦盘?hào)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(xiàn)一次。在中斷子程序中，肌電輸入信號(hào)被檢查并登記它們的狀態(tài)。然后檢查計(jì)數(shù)器，如果未達(dá)到可配置的計(jì)數(shù)，微控制器再次進(jìn)入低功耗模式，直到出現(xiàn)另外一個(gè)定時(shí)器中斷。但是，如果達(dá)到了可配置計(jì)數(shù)，微控制器就進(jìn)入信號(hào)解碼狀態(tài)。

　　在信號(hào)解碼狀態(tài)中，MC9S08QE4檢查在規(guī)定時(shí)間內(nèi)哪個(gè)肌電信號(hào)注冊(cè)了更多激活。然后微控制器決定接下來(lái)執(zhí)行哪種狀態(tài)：打開(kāi)假手、關(guān)閉假手、將手腕左移或?qū)⑹滞笥乙啤５?，如果系統(tǒng)認(rèn)為是電子脈沖導(dǎo)致了微控制器從低功耗模式中喚醒，系統(tǒng)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(tǒng)決定了接下來(lái)將執(zhí)行的狀態(tài)，定時(shí)器/脈寬調(diào)制器(PWM)就會(huì)配置輸出信號(hào)，以便在假手中生成一個(gè)動(dòng)作。然后系統(tǒng)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(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)用來(lái)不斷檢查DC電機(jī)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(qū)動(dòng)電機(jī)的電源那里得到反饋)，這種監(jiān)控才成為可能。

　　MC9S08QE4擁有4KB閃存和256KB RAM，分別用于代碼和數(shù)據(jù)。該微控制器內(nèi)使用和加載的資源是：Flash(代碼)：983字節(jié)；RAM(數(shù)據(jù))：35字節(jié)。這為未來(lái)升級(jí)和預(yù)加載運(yùn)動(dòng)子程序預(yù)留了3KB閃存和221KB RAM。

　　在不久的將來(lái)，通過(guò)為機(jī)械硬件選擇更輕和更結(jié)實(shí)的材料，提供更美觀(guān)的假手，該項(xiàng)目將有較大的改進(jìn)。設(shè)計(jì)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(shì)。

　　現(xiàn)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(shè)計(jì)人員不斷創(chuàng)建和改進(jìn)動(dòng)態(tài)解決方案。

　　在未來(lái)設(shè)計(jì)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(xiàn)了8位和32位MCU之間的輕松應(yīng)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發(fā)展中國(guó)家的問(wèn)題，并意識(shí)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?yàn)樗蛩赡茉僖膊荒芟裆鐣?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(jī)能的，也是關(guān)于美學(xué)的。讓他們重新找回最初的身體機(jī)能和美學(xué)，對(duì)飛思卡爾來(lái)說(shuō)，無(wú)論是作為一家公司、一個(gè)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)還是這個(gè)社會(huì)的一份子，都是一種莫大的榮耀。