基于ATmega48的微功耗电刺激器的设计

　　为了研究DBS对癫痫治疗的机理，首先开发了微型迷走神经电刺激实验器(Vagus Nerve Stimulator，VNSr)，并植入大鼠体内进行癫痫治疗的研究。分别在大鼠出生后35天(Postnatal 35 days, P35)和P60时埋植神经刺激器刺激电极和脑电图(Electroencephalograph，EEG)记录电极，借助电刺激器发出一定频率、脉宽和强度的脉冲刺激迷走神经，通过观察动物自发性癫痫发作(Spontaneous Recurrent Seizures，SRSs)的频率、皮层和海马EEG的频谱变化、水迷宫测定动物的视-空间记忆功能及Timm和Thionin组织染色观察大脑神经病理学改变，来测定神经刺激器对癫痫的治疗作用。

　　电刺激器由植入电极、连接导线及皮下脉冲发生器三部分组成。脉冲发生器产生的刺激电流经刺激电极刺激迷走神经。植入动物体内的电刺激器需要在设定的时间开启。在一个时间间隔里，发出一定频率的刺激脉冲电流。本文主要叙述电刺激器的设计思想。

　　1 电刺激器设计要求

　本系统中植入动物体内的电刺激器属于开环控制，设定为间歇式工作方式，根据前期实验结果，结合参考文献1提供的参数，刺激器工作间隔时间为5分半钟，刺激器每工作30秒，输出一次刺激电流，然后停止工作5分钟，如此循环往复。工作过程是输出频率30Hz、脉宽500μs的刺激电流。为了准确控制设定的参数，本系统中嵌入了单片机。系统结构框图如图1所示。

　　电刺激器设计的关键是高可靠性、微型化和低功耗。因此采用纽扣式电池供电，选用低功耗、微小封装的高可靠性单片机和元件。

　　2 电压调整

　　本系统采用3V纽扣式锂电池供电，为了达到刺激电流的强度要求，需要将电压提升。电压的提升应选用高效率紧凑型DC/DC进行升压。可供选用的紧凑型升压DC/DC的IC元件很多，例如美国国家半导体公司的LM2703、LM2733，凌特公司的LT1615，德州仪器的TPS61040，台湾易亨电子的AP1522等等。这几种IC都是SOT23-5的紧凑型封装，管脚完全兼容，这也是本系统选用这种IC的原因，不担心芯片缺货，将外围元件参数稍做修改就可以对IC进行互换。电压调整电路的接线原理图如图2所示。

　　LT1615是微功耗高效率的升压DC/DC，输入电压范围为1.5V~15V，适用于最大输出电流小于100mA的场合。芯片在空载时的静态工作电流为20μA，当4脚SHDN为低电平时关闭芯片，其静态工作电流仅为0.5μA。芯片的工作效率约为75%。输出电压值由图中的R2和R4决定: 。

使用3V电池直接给单片机供电。单片机通过图中的ON_OFF控制包括DC/DC电路在内的外围电路的供电，在工作的间歇期进入休眠状态无输出脉冲时，将ON_OFF设为高电平，切断外围电路的供电，从而有效地降低系统的电流损耗。

　　3 ATmega48单片机及其脉冲发生电路

　　3.1 ATmega48单片机及应用

　　ATmega48单片机是Atmel公司在2004年底推出的微功耗高性能八位单片机，采用TQFP32紧凑型封装，批量生产时还可以选用更小体积的MLF32封装(尺寸仅为5mm×5mm)。内有4KB的Flash程序存储器、256B的EEPROM和512B的静态存储器。支持ISP串行下载方式。

　　ATmega48单片机为RISC结构，在1MHz频率下速度为1MIPS。系统时钟有外部低频、外部高频、内部RC振荡器时钟等多种工作方式可以选择。选择方法是通过编写熔丝位，并结合软件编程与时钟相关的寄存器实现。选择单片机的时钟频率越高，单片机的功耗也越大。本系统选用128kHz的内部RC振荡器，在工作电压为3V时，静态电流小于60μA。休眠状态时静态电流更低。ATmega48单片机内有六种省电休眠模式，可以使仪器在非工作期间进入休眠状态。ATmega48的系统时钟还可以通过编程分频进一步地降低时钟频率，减小功耗，在仪器休眠期，采用32倍的分频系数将时钟降低到4kHz。

　　ATmega48单片机内有两个8位的定时/计数器，一个16位的定时/计数器，可以满足本系统对开启时间、脉宽、脉冲频率的精确控制。另外单片机还有6个PWM输出口，可以用于调节仪器的刺激强度。ATmega48单片机内部有独立的硬件看门狗时钟，可以有效地防止单片机死机。

　　本系统选用的ATmega48V是ATmega48的低电压工作的芯片，选用ATmega48V作为电刺激器的主控芯片，几乎不需要另加其他的元件。ATmega48V可以在1.8V~5.5V范围的电压下工作，在电池使用的有效电压范围内，单片机均可正常工作，能充分利用电池的容量。