基于C8051F015的手持式电刺激器系统设计
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【关键词】医疗保健 电刺激器 C8051F015 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。电刺激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，它既要受控于主机系统，又要与主系统良好地隔离，以免对主系统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． 整体设计
手持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。考虑到手持设备的要求，选择4×1.2V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C8051F015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128×64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4×1.2V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。
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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
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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 基于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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