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基于C8051F015的手持式电刺激器系统设计

作者:时间:2007-08-17来源:网络收藏
【摘要】本文介绍了一种由高速单片机控制的式电器的实现方案,具体介绍了整个方案的思想以及软硬件实现。该可以用于家庭及社区居民的医疗保健,有一定的实用价值。
【关键词】医疗保健电时钟芯片

1.引言

随着社会的不断进步,人们的健康意识不断增强,家庭保健仪器得到越来越广泛得应用。电器是产生一序列电压或是电流脉冲的保健仪器。通过将电传递到神经或是肌肉组织上,以达到诊断或是医疗保健的目的。从生物学观点来看,生物体兴奋组织对外界刺激均能产生反应,但只有对电的刺激可以精确地控制其参数。而且适度的电刺激即使重复多次也不会使组织损伤。电刺激器可依靠产生电流脉冲频率的高低,使电流经过皮肤,进而刺激感觉神经,常应用在舒缓疼痛方面,对于急、慢性与神经性疼痛均有治疗效果。

目前的医用电刺激器通常都自成一体[1]。但是在一些较大型的医疗设备中,电刺激器常常只作为设备中的一个组成部分,它既要受控于主机,又要与主良好地隔离,以免对主设备的其它部分产生干扰。本文介绍的使由高速单片机控制的电刺激器,特点是成本低、体积小、重量轻、便于家庭或社区医院使用。

2. 整体

刺激器系统基本的功能要求如下。

2.1设备的每个脉冲宽度均为最大输出幅度的50%,脉冲宽度为250μs 1%。

2.2设备脉冲的上升时间和下降时间小于5 μs;脉冲的顶降小于2%,为矩形脉冲。在任意的输出电流或负载时输出波形不失真。

2.3设备输出幅度在最大时,额定负载阻抗为0~6kΩ时,流入负载的电流为80mA,但不大于80mA。输出电流为恒定不变,恒流误差1%。

2.4设备的额定负载阻抗为0~6kΩ,在负载阻抗大于6kΩ时,切断输出(电流和电压为0),并且报警。设备输出的直流分量为零。

2.5设备输出幅度的调节应连续均匀,波形不失真,最小输出不大于最大输出的1%。

2.6 设备开路测量时,输出电压峰值应不大于500V。

根据上述要求,系统采用一块单片机作为主控制芯片。考虑到设备的要求,选择41.2V镍铬电池组作为供电电源,并挑选合适的电源管理芯片,提高系统的使用时间,并可通过适配器输出12V直流电压进行充电,配合软件采集电池电压参数,实时计算电池剩余容量,在低电量时蜂鸣警报用户。采用压控恒流源的方法,快速打开和关闭电流,使脉冲上升时间和下降时间的要求。采用外部存储器,记录不同用户的刺激参数。采用串口接口,使刺激器和PC机能方便的进行通信。采用LCD,设计图形文字界面,操作简单,大幅度提高系统的便利性[2]

3.硬件设计

采用单片机作为系统的主控制芯片[3],液晶显示和键盘实现了人机对话的功能。DataFlash空间较大,存储各记录号对应的刺激参数,FRAM允许较多的读写次数,实时保存当前用户的刺激参数,并在关机时将数据保存到DataFlash中。时钟芯片提供系统实时时钟,包括年、月、日、时、分、秒,通过串口与PC机进行数据传输。加速度传感器用于检测人体颤抖情况,信号经过整形、放大和滤波处理后,输入单片机的ADC端口。

C8051F015是Silicon Labs公司的一款单片机,完全集成的混合信号系统级芯片(SoC),具有与8051兼容的高速CIP-51内核,与MCS-51指令集完全兼容,外部有丰富的IO资源,片内集成了2304字节的数据RAM和32K字节的Flash,10位的ADC模块和两个12位的DAC和两个模拟比较器,能满足系统对硬件资源的要求。此外,该芯片中带有交叉开关模块,通过设置,可以控制寄存器将片内的计数器/定时器、串行总线、硬件中断、ADC转换启动输入、比较器输出以及微控制器内部的其它数字信号配置为出现在端口I/O引脚。这就允许用户根据自己的特定应用选择通用端口I/O和所需数字资源的组合,简化了硬件电路上的设计,提高系统的可靠性,降低生产成本。LCD采用12864的YM12864 LCD模块。FRAM使用RAMTRON公司的FM25256,容量为256K。DataFlash使用Atmel公司的AT45DB081B,容量为8M。时钟芯片使用RICOH公司的RS5C348A。采用SPI接口的FRAM、Flash和时钟芯片能节省I/O资源。采用这些常用芯片既能减少开支,又可保证货源充足。

C8051F015与FM25256、AT45DB081B、RS5C348A的接口连接如图2所示。

电源管理芯片的硬件连接如图3所示,,芯片采用MAX712,图中Vin是输入电压,V_B接电池两端,在充电时LED打开,系统可以在充电时使用。可由12V直流电源供电并对电池充电,携带时也可由41.2V镍铬电池组供电。

升压部分的电路连接,如图4所示,采用国家半导体公司的升压芯片LM2577为核心,前端使用MOSFET连接2577的接地端以达到控制的目的,输出端通过反馈电阻连接到FB端,反馈控制输出电压。

图2 C8051F015与存储器、时钟芯片连接图

图3 电源管理芯片的硬件连接如图

图4 升压部分的电路连接

4. 软件设计

设备系统分成4个模式:启动系统、菜单模式、回放模式和刺激模式。

图5设备系统的状态转换示意图

(1) 启动系统

执行系统初始化工作,LCD显示欢迎信息。

(2) 菜单模式

响应键盘操作,新增和修改记录号及其对应的刺激参数,实现人机对话,包括电流、模式、人员、回放、连接、声音、背光、时间、内存和初值。

选择电流,确定刺激强度(1~80mA),默认值为60mA。选择刺激,确定刺激模式(STC、TS、TOF、DBS和PTC)。选择人员,确定记录号,设置范围:000~999。选择回放,进入回放模式。选择连接,经串口和PC通信。选择声音和背光,确定声音和LCD背光的开关。选择时间,修改和确定时间。选择内存,查看现有记录占总内存的百分比。选择初值,可以将内存清零,所有设置成默认值。

(3) 回放模式

查看各记录对应的刺激参数,选择相应的记录号,进入刺激模式。此模式下不能修改刺激参数。

(4) 刺激模式

在刺激时,可以根据LCD的显示,响应键盘操作,对刺激参数进行调整,并保存。在某些非周期刺激模式下,需要用户按键对刺激间隔时间进行控制。

该统主要任务是LCD的文字界面显示和响应用户的按键操作,因此程序的主循环是按键响应程序,同时对其三级菜单共四十余种状态,用一个8位状态字进行区别和比对。三级菜单的状态字的高2bit,表示0级的四个状态,其后4bit表示1级的十个状态,低位2bit表示最后级的子状态,只有时间模式用到4个。

系统主要记录当前状态字和上一个状态字,根据其相互关系决定用户输入的命令内容,进而执行响应的操作。

6. 系统效果

刺激模式下,LCD的显示如图6所示。

图6刺激模式下LCD的显示

6.1 静音符号,位于显示屏左下方。记录号显示,位于显示屏左下底部,静音符号下。

6.2。时钟显示,位于显示屏左上方。距下次施行刺激时间,位于显示屏左上下方,时钟显示下。

6.3电量显示,当电量尚存30%时发出报警,位于显示屏右上顶方。刺激模式显示,位于显示屏右上下方,电量显示下。

6.4 当前刺激强度显示,单位为mA,即时显示,位于显示屏右上下方。

6.5 T1/Tc百分数显示,单位为%,即时显示,位于显示屏中上方。

6.6 T4/T1百分数显示,单位为%,即时显示,位于显示屏中央方。

6.7 反馈信号强度以直方图(竖条线显示,竖线的高度为反馈信号强度)即时显示,位于整个显示屏的中间。

7. 小结

由于系统各器件要求的电压较多,并需要产生最高500V的刺激电压,受转换效率的影响,需要较高容量的电池,在以后可考虑采用更高效率的电压转换芯片,使系统能运行更长的时间。另外,此系统只能对一个部位进行刺激,在以后的系统中可改进为多个刺激输出,使系统更满足实际需要。在设计下一代产品时,可以考虑可移植操作系统的嵌入式芯片和更大的LCD显示屏,使用户图形界面更易于操作,使系统更人性化。

本文作者创新点:电路设计新颖,将医疗保健器械小型化、便携化,填补了市场空白。

参考文献:

[1] 曾磊 神经刺激器的初步研究 中国知网 优秀博硕士论文 2004(5)

[2] 章江 李满成 医用电刺激器的研制电工电能新技术[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] 庞清乐 孙同景 秦伟刚 C8051F330单片机的多路温湿度测控系统 微计算机信息[J] 2004年 20卷 4期, 51-52页



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