基于ATmega48的微功耗电刺激器的设计

　3.2 脉冲发生电路

　　通常具有一定驱动功率的脉冲输出电路首先产生脉冲波形，再将脉冲波形用集成的功率放大器作驱动放大，放大电路工作在线性放大区。这种放大电路必须具有静态电流来维持合适的静态工作点，功耗较大。为了降低耗电流，本系统的电刺激器用开关方式生成刺激脉冲。单片机及其脉冲发生器电路原理如图3所示。J1是刺激电极的接线端子，OC0A是ATmega48V定时器0的PWM输出口，根据实验的要求调节输出强度。用PWM输出以及R6、R7、C6和C7组成的滤波器调节U3A正相的输入电压。运放U3A接为正相放大方式，放大倍数由R8和R9决定。Q2为功率放大三极管，增大输出的驱动能力。Q3工作在开关状态，用于控制输出脉冲的宽度和频率，当ATmega48V的9脚是高电平时，Q3导通，输出刺激脉冲；导通500μs后，ATmega48V的9脚变到低电平，Q3关闭，脉冲结束；按10Hz的频率循环往复。

　　4 功能实现及软件编程

　　ATmega48有131条指令，大多是单机器周期指令，指令系统非常丰富。ATmega48在指令设计时很好地考虑到C语言的操作模式，用C语言编程可以得到很高的代码效率。ATmega48属于AVR系列的单片机，常用的用于AVR单片机开发的C语言有两种：AVR-ICC和AVR-GCC。AVR-ICC是商业的AVR的C语言集成化开发工具(IDE)，界面友好，使用简单，有生产和代理商很好的技术支持。而AVR-GCC是依靠网络流行的公开源代码的自由软件，可以从网上(http://www.avrfreaks.net)免费下载编译软件和各种工具软件。由于AVR-GCC有大量的高手参与开发和众多网上参与者的测试，其软件的更新速度和代码效率以及软件缺陷率的排除都非常出色。但是AVR-GCC是由UNIX平台上移植过来的，保留了类似UNIX的操作方式，对于不熟悉UNIX的WINDOWS用户，其使用时入门很困难，只有熟练使用后才能感到其功能的强大。在http://www.avrfreaks.net网上有关于AVR-GCC的论坛，使用中的许多问题都可以在论坛上得到帮助。由于AVR-GCC具有低廉的使用成本和出色的功能，所以本系统选用AVR-GCC作为编程工具。

　电刺激器在工作的间歇期进入休眠状态。ATmega48有6种休眠方式，每一种方式休眠的部件不相同，休眠后单片机的功耗也不同。由于电刺激器在休眠时要求定时重新唤醒进行工作，必须保留一个定时器的工作。因此选用的休眠方式为IDLE，在IDLE方式下定时器2仍然可以工作。以下是休眠部分的程序。

　　set_sleep_mode(SLEEP_MODE_IDLE); //设置休眠方式为IDLE
　　SMCR |= _BV(SE); 　　　　　　　　　　　//允许休眠
　　_asm_ _volatile_ ('sleep' 'nt' :: ); //进入休眠
　　SMCR = ~_BV(SE); //从休眠中唤醒，进入工作状态，不允许休眠

　　定时器2用于对休眠期的时间间隔计时。t2_init_idle(void) 是进入休眠状态前初始定时器2的程序，SIGNAL(SIG_OVERFLOW2)是休眠状态下定时器2的中断服务程序。每1分钟定时器2将会产生溢出中断，唤醒单片机。

　　void t2_init_idle(void){ //定时器2进入休眠状态前的初始化
　　CLKPR=(1＜＜CLKPCE); //允许改变系统时钟；进入休眠状态前改变系统时钟
　　CLKPR=0x05; //系统时钟的分频比例为32，系统时钟为4kHz
　　TCCR2A=0; //定时器/计数器2工作于定时器方式
　　TIMSK2=(1＜＜TOIE2); //允许定时器2溢出中断
　　TCCR2B=0x07; //定时器2时钟分频比例为1024
　　TCNT2=32; //定时器2产生1分钟定时的初始值
　　}
　　SIGNAL(SIG_OVERFLOW2){ //定时器2溢出的中断服务程序
　　TCNT2=32; //重置定时器2产生1分钟定时的初始值
　　min++; //分钟计数
　　}

　　当唤醒5次，即休眠5分钟后，单片机重新进入唤醒工作状态。在唤醒工作状态下，使用定时器2控制脉冲的宽度和频率，需要定时器2重新初始化，并将系统时钟恢复到128kHz(程序略)。

　　设置定时器0工作于PWM输出方式，用于控制刺激强度。

　　void t0_init(void){ //定时器0初始化为PWM输出
　　TCCR0B=(1＜＜CS01); //定时器0时钟分频比例为8
　　TCCR0A=(1＜＜WGM00)|(1＜＜WGM01); //快速PWM方式
　　TCCR0A|=(1＜＜COM0B1); //符合时为低电平，峰值变高
　　OCR0B=outv; //输出电平用OCR0B控制
　　}

　　系统总程序流程如图4所示。

　　电刺激实验器的开发是为了植入大鼠体内，研究电刺激对癫痫抑制的机理。本研究开发的电刺激实验器整体结构尺寸为Φ17mm(直径) x 7mm(厚)。脉冲发生放大电路用开关方式实现，大大降低了系统的功耗。采用ATmega48单片机控制输出脉冲，精度高、功耗小、工作可靠、可以连续工作一个月以上，满足了实验的要求。