基于C8051F015的手持式電刺激器系統(tǒng)設計
【關鍵詞】醫(yī)療保健 電刺激器 C8051F015 時鐘芯片
1.引言
隨著社會的不斷進步，人們的健康意識不斷增強，家庭保健儀器得到越來越廣泛得應用。電刺激器是產(chǎn)生一序列電壓或是電流脈沖的保健儀器。通過將電傳遞到神經(jīng)或是肌肉組織上，以達到診斷或是醫(yī)療保健的目的。從生物學觀點來看，生物體興奮組織對外界刺激均能產(chǎn)生反應，但只有對電的刺激可以精確地控制其參數(shù)。而且適度的電刺激即使重復多次也不會使組織損傷。電刺激器可依靠產(chǎn)生電流脈沖頻率的高低，使電流經(jīng)過皮膚，進而刺激感覺神經(jīng)，常應用在舒緩疼痛方面，對于急、慢性與神經(jīng)性疼痛均有治療效果。
目前的醫(yī)用電刺激器通常都自成一體[1]。但是在一些較大型的醫(yī)療設備中，電刺激器常常只作為設備中的一個組成部分，它既要受控于主機系統(tǒng)，又要與主系統(tǒng)良好地隔離，以免對主系統(tǒng)設備的其它部分產(chǎn)生干擾。本文介紹的使由高速單片機控制的電刺激器，特點是成本低、體積小、重量輕、便于家庭或社區(qū)醫(yī)院使用。
2． 整體設計
手持刺激器系統(tǒng)基本的功能要求如下。
2.1設備的每個脈沖寬度均為最大輸出幅度的50%，脈沖寬度為250μs ±1%。
2.2設備脈沖的上升時間和下降時間小于5 μs；脈沖的頂降小于2%，為矩形脈沖。在任意的輸出電流或負載時輸出波形不失真。
2.3設備輸出幅度在最大時，額定負載阻抗為0～6kΩ時，流入負載的電流為80mA，但不大于80mA。輸出電流為恒定不變，恒流誤差±1%。
2.4設備的額定負載阻抗為0～6kΩ，在負載阻抗大于6kΩ時，切斷輸出（電流和電壓為0），并且報警。設備輸出的直流分量為零。
2.5設備輸出幅度的調節(jié)應連續(xù)均勻,波形不失真，最小輸出不大于最大輸出的1%。
2.6 設備開路測量時，輸出電壓峰值應不大于500V。
根據(jù)上述要求，系統(tǒng)采用一塊單片機作為主控制芯片?？紤]到手持設備的要求，選擇4×1.2V鎳鉻電池組作為供電電源，并挑選合適的電源管理芯片，提高系統(tǒng)的使用時間，并可通過適配器輸出12V直流電壓進行充電，配合軟件采集電池電壓參數(shù)，實時計算電池剩余容量，在低電量時蜂鳴警報用戶。采用壓控恒流源的方法，快速打開和關閉電流，使脈沖上升時間和下降時間的要求。采用外部存儲器，記錄不同用戶的刺激參數(shù)。采用串口接口，使刺激器和PC機能方便的進行通信。采用LCD，設計圖形文字界面，操作簡單，大幅度提高系統(tǒng)的便利性[2] 。
3．硬件設計
采用C8051F015單片機作為系統(tǒng)的主控制芯片[3]，液晶顯示和鍵盤實現(xiàn)了人機對話的功能。DataFlash空間較大，存儲各記錄號對應的刺激參數(shù)，F(xiàn)RAM允許較多的讀寫次數(shù)，實時保存當前用戶的刺激參數(shù)，并在關機時將數(shù)據(jù)保存到DataFlash中。時鐘芯片提供系統(tǒng)實時時鐘，包括年、月、日、時、分、秒，通過串口與PC機進行數(shù)據(jù)傳輸。加速度傳感器用于檢測人體顫抖情況，信號經(jīng)過整形、放大和濾波處理后，輸入單片機的ADC端口。
C8051F015是Silicon Labs公司的一款單片機，完全集成的混合信號系統(tǒng)級芯片（SoC），具有與8051兼容的高速CIP-51內核，與MCS-51指令集完全兼容，外部有豐富的IO資源，片內集成了2304字節(jié)的數(shù)據(jù)RAM和32K字節(jié)的Flash，10位的ADC模塊和兩個12位的DAC和兩個模擬比較器，能滿足系統(tǒng)對硬件資源的要求。此外，該芯片中帶有交叉開關模塊，通過設置，可以控制寄存器將片內的計數(shù)器/定時器、串行總線、硬件中斷、ADC轉換啟動輸入、比較器輸出以及微控制器內部的其它數(shù)字信號配置為出現(xiàn)在端口I/O引腳。這就允許用戶根據(jù)自己的特定應用選擇通用端口I/O和所需數(shù)字資源的組合，簡化了硬件電路上的設計，提高系統(tǒng)的可靠性，降低生產(chǎn)成本。LCD采用128×64的YM12864 LCD模塊。FRAM使用RAMTRON公司的FM25256，容量為256K。DataFlash使用Atmel公司的AT45DB081B，容量為8M。時鐘芯片使用RICOH公司的RS5C348A。采用SPI接口的FRAM、Flash和時鐘芯片能節(jié)省I/O資源。采用這些常用芯片既能減少開支，又可保證貨源充足。
C8051F015與FM25256、AT45DB081B、RS5C348A的接口連接如圖2所示。
電源管理芯片的硬件連接如圖3所示，,芯片采用MAX712，圖中Vin是輸入電壓，V_B接電池兩端，在充電時LED打開，系統(tǒng)可以在充電時使用?？捎?2V直流電源供電并對電池充電，攜帶時也可由4×1.2V鎳鉻電池組供電。
升壓部分的電路連接，如圖4所示，采用國家半導體公司的升壓芯片LM2577為核心，前端使用MOSFET連接2577的接地端以達到控制的目的，輸出端通過反饋電阻連接到FB端，反饋控制輸出電壓。
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圖2 C8051F015與存儲器、時鐘芯片連接圖
圖3 電源管理芯片的硬件連接如圖
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圖4 升壓部分的電路連接 |
4． 軟件設計
設備系統(tǒng)分成4個模式：啟動系統(tǒng)、菜單模式、回放模式和刺激模式。
圖5 設備系統(tǒng)的狀態(tài)轉換示意圖
(1) 啟動系統(tǒng)
執(zhí)行系統(tǒng)初始化工作，LCD顯示歡迎信息。
(2) 菜單模式
響應鍵盤操作，新增和修改記錄號及其對應的刺激參數(shù)，實現(xiàn)人機對話，包括電流、模式、人員、回放、連接、聲音、背光、時間、內存和初值。
選擇電流，確定刺激強度（1～80mA），默認值為60mA。選擇刺激，確定刺激模式（STC、TS、TOF、DBS和PTC）。選擇人員，確定記錄號，設置范圍：000～999。選擇回放，進入回放模式。選擇連接，經(jīng)串口和PC通信。選擇聲音和背光，確定聲音和LCD背光的開關。選擇時間，修改和確定時間。選擇內存，查看現(xiàn)有記錄占總內存的百分比。選擇初值，可以將內存清零，所有設置成默認值。
(3) 回放模式
查看各記錄對應的刺激參數(shù)，選擇相應的記錄號，進入刺激模式。此模式下不能修改刺激參數(shù)。
(4) 刺激模式
在刺激時，可以根據(jù)LCD的顯示，響應鍵盤操作，對刺激參數(shù)進行調整，并保存。在某些非周期刺激模式下，需要用戶按鍵對刺激間隔時間進行控制。
該統(tǒng)主要任務是LCD的文字界面顯示和響應用戶的按鍵操作，因此程序的主循環(huán)是按鍵響應程序，同時對其三級菜單共四十余種狀態(tài)，用一個8位狀態(tài)字進行區(qū)別和比對。三級菜單的狀態(tài)字的高2bit，表示0級的四個狀態(tài)，其后4bit表示1級的十個狀態(tài)，低位2bit表示最后級的子狀態(tài)，只有時間模式用到4個。
系統(tǒng)主要記錄當前狀態(tài)字和上一個狀態(tài)字，根據(jù)其相互關系決定用戶輸入的命令內容，進而執(zhí)行響應的操作。
6． 系統(tǒng)效果
刺激模式下，LCD的顯示如圖6所示。
圖6 刺激模式下LCD的顯示
6.1 靜音符號，位于顯示屏左下方。記錄號顯示，位于顯示屏左下底部，靜音符號下。
6.2。時鐘顯示，位于顯示屏左上方。距下次施行刺激時間，位于顯示屏左上下方，時鐘顯示下。
6.3電量顯示，當電量尚存30%時發(fā)出報警，位于顯示屏右上頂方。刺激模式顯示，位于顯示屏右上下方，電量顯示下。
6.4 當前刺激強度顯示，單位為mA，即時顯示，位于顯示屏右上下方。
6.5 T1/Tc百分數(shù)顯示，單位為%，即時顯示，位于顯示屏中上方。
6.6 T4/T1百分數(shù)顯示，單位為%，即時顯示，位于顯示屏中央方。
6.7 反饋信號強度以直方圖（豎條線顯示，豎線的高度為反饋信號強度）即時顯示，位于整個顯示屏的中間。
7． 小結
由于系統(tǒng)各器件要求的電壓較多，并需要產(chǎn)生最高500V的刺激電壓，受轉換效率的影響，需要較高容量的電池，在以后可考慮采用更高效率的電壓轉換芯片，使系統(tǒng)能運行更長的時間。另外，此系統(tǒng)只能對一個部位進行刺激，在以后的系統(tǒng)中可改進為多個刺激輸出，使系統(tǒng)更滿足實際需要。在設計下一代產(chǎn)品時，可以考慮可移植操作系統(tǒng)的嵌入式芯片和更大的LCD顯示屏，使用戶圖形界面更易于操作，使系統(tǒng)更人性化。
本文作者創(chuàng)新點：電路設計新穎，將醫(yī)療保健器械小型化、便攜化，填補了市場空白。
參考文獻：
[1] 曾磊 神經(jīng)刺激器的初步研究 中國知網(wǎng) 優(yōu)秀博碩士論文 2004(5)
[2] 章江 李滿成 醫(yī)用電刺激器的研制電工電能新技術[J] 1995(4)
[3] C8051F010/1/2/5/6/7 Mixed-Signal 32KB ISP FLASH MCU Datasheet
http://www.xhl.com.cn/sjsc/sjscdetail.asp?sid=16
[4] 龐清樂 孫同景 秦偉剛 基于C8051F330單片機的多路溫濕度測控系統(tǒng) 微計算機信息[J] 2004年 20卷 4期, 51-52頁
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