（生物医学工程专业论文）基于avr单片机的多模式音频调制脉宽治疗仪设计.pdf

申l 貔大学硕士学德论文基于a v r 繁薏视| 冬多模式毒频调铡默宽治疗纹设诗 本设计的主要工作是在第一、二代样机的基础上，提出了多模式音频调制脉 宽技术，克服了以往音频调制脉冲技术的缺点，并设计出第三代样机。与第二代 样机相比，该样机采用性能更为优越的a v r 系列单片机a t m e g a 6 4 作为主控芯 片，增加了音频信号发生器、u s b 数据传输、音频文件存储、音频文件信息显 示等功能，优化了治疗仪参数设定功能，增加了治疗脉冲的输出口数量。这些功 能都是以往同类型治疗仪所不具备的，而且使治疗仪入机接口界面更友好，操作 更方便、更人性化，易于被患者接受。 关键词：a v r 单片机，多模式，音频调制，脉宽，d a 转换 l l 中山大学硕士学位论文 基于a v r 单片机的多模式音频调制脉宽治疗仪设计 b a s e do na v r - m c um u l t i - mo d ea u d i o - - p u l s e w i d t hm o d u l a t i o nt h e r a p e u t i ca p p a r a t u sd e s i g n m a j o r ：b i o m e d i c a le n g i n e e r i n g p o s t g r a d u a t e ：p e n g c h e n gx i e s u p e r v i s o r ：z h o n g b e nc h e n ，p r o f e s s o r a bs t r a c t w i t ht h el o w - c o s tm e d i c a la n dh e a l t ht e c h n o l o g yc o n c e p tb e i n gr a i s e d ，s c i e n t i f i c r e s e a r c hi n s t i t u t i o n s o ft h em e d i c a lp a ym o r ea t t e n t i o nt o t h ea r e ao f n o n p h a r m a c o l o g i c a lt r e a t m e n tr e s e a r c hi nr e c e n ty e a r s t h r o u g hs t u d y i n gi nt h e a u d i o p u l s em o d u l a t i o nt r e a t m e n tt e c h n o l o g y , 0 1 1 1 g r o u pd e v e l o p san e wa u d i o - p u l s e w i d t hm o d u l a t i o nt e c h n o l o g y , a n d d e s i g n e d t h ef i r s ta n ds e c o n d g e n e r a t i o n t h e r a p e u t i ca p p a r a t u s u s i n gat h i st h e r a p e u t i ca p p a r a t u s ，w em a d et w oe x p e r i m e n t e n t i t l e d ”p u l s ew i d t ht r a n s f e ro fm u s i cs i g n a l sf o rd u a ld u a l - f o l d e rm o d e lo fr e n a l a r t e r ys t e n o s i si nh y p e r t e n s i v er a tb l o o dp r e s s u r ee x p e r i m e n t s ”a n d ”e l e c t r i cp u l s e w i d t h a d j u s t e d f o rb l o o dp r e s s u r ei ns p o n t a n e o u s l yh y p e r t e n s i v er a t sa n di t s m e c h a n i s m ”e x p e r i m e n t a l a n i m a ls t u d yr e s u l t ss h o wt h a tt h ea u d i o - p u l s ew i d t h m o d u l a t i o nt e c h n o l o g yo ft h et h e r a p e u t i ca p p a r a t u sf o rt r e a t i n gh i g hb l o o dp r e s s u r e d i s e a s ew i t hr e m a r k a b l ee f f e c t s t h i sa r t i c l ei sb a s e do nt h ea u d i op u l s e w i d t hm o d u l a t i o nt e c h n o l o g y ，e x p l o r i n g am u l t i - m o d ea u d i o - p u l s ew i d t hm o d u l a t i o nt e c h n o l o g y ，w h i c hi sm i c r o c o n t r o l l e r b a s e d v a r i o u sd i g i t a lf o r m a ta u d i of i l e sw i l lb ed e c o d e db yt h ed i g i t a ld e c o d e ra n d f i n a l l yc o n v e r t e dt oa n a l o gs i g n a lb yd ac o n v e r t e rc i r c u i t ，t h e nt h ea n a l o gs i g n a l s w h i c hi sas e r i e so fd i f f e r e n tm o d e l sc o u l dm o d u l a t et h ep u l s ew i d t h t h eo u t p u tp u l s e m o d ea r ed e c i d e db yt h ea u d i of i l e sa n di n s t r u m e n to p e r a t i n gp a r a m e t e r s t h ep u l s e s i i i 孛浓丈学疆学掺论文基子a v r 攀嚣撬麓多模式音频透赣棘宽治疗莰霾嚣 h a v et h ef o l l o w i n gf e a t u r e s ：i r r e g u l a rp u l s ef r e q u e n c y ；a f t e rt h eo p e r a t i n gp a r a m e t e r s b e i n gs e tt h ep u l s ew i d t hw i l lb em o d u l a t e d 融t h ea u d i os i g n a l ；a d j u s t a b l ep u l s e a m p l i t u d e , b u ta f t e re a c ho ft h ea d j u s t m e n t st h eo u t p u tp u l s ea m p l i t u d ei st h es a m e ，i n t h ep a s t ，g e n e r a la u d i op u l s em o d u l a t i o nt e c h n i q u e sm a d ep u l s ea m p l i t u d ea st h e m o d u l a t e do b j e c t , i nt h a tw a y , t h ep u l s ef r e q u e n c yr e m a i n su n c h a n g e d ，a n dt h eo u t p u t p u l s ea m p l i t u d em o d u l a t i o ni na c c o r d a n c ew i t ha u d i os i g n a l sa th i g ha n dl o w , a n d p u l s ei n t e r v a la l s or e m a i n st h es a m e t h eg e n e r a la u d i op u l s em o d u l a t i o nt e c h n o l o g y i sd e f e c t i v ea sf o l l o w s ：o nt h eo n eh a n d ，t h eu n c e r t a i na u d i os i g n a lm a yh a v eah i 耍 a m p l i t u d eo rt h ea m p l i t u d ed i f f e r e n c eb e t w e e nt w op u l s e si st o ol a r g e ，r e s u l t i n gi n p a t i e n t sf e e l i n gd i s c o m f o r t ；o nt h eo t h e rh a n d ，p a t i e n t st o l e r a n c ew i l ls t r e n g t h e n u n d e rt h ef i x e d - f r e q u e n c yp u l s es t i m u l a t i o n , t h u sr e d u c i n gt h et h e r a p e u t i ce f f e c t ， t h em a i nw o r ko ft h i sd e s i g ni st or a i s eam u l t i - m o d ea u d i op u l s e - w i d t h m o d u l a t i o nt e c h n o l o g yb a s e do nt h ef i r s ta n ds e c o n dg e n e r a t i o nt h e r a p e u t i ca p p a r a t u s a n dd e s i g nt h e 骶诞g e n e r a t i o nt h e r a p e u t i ca p p a r a t u sw h i c hi st oo v e r c o m et h ep a s t s h o r t c o m i n g so fa u d i op u l s et e c h n i q u e c o m p a r e dw i t ht h es e c o n dg e n e r a t i o n t h e r a p e u t i ca p p a r a t u s , t h ep e r f o r m a n c eo ft h et h i r do n ei sm o r es u p e r i o rb yu s i n g a t m e g a 6 4 蠢st h em a i nc o n t r o lc h i p 。a na u d i os i g n a lg e n e r a t o lu s b d a t at r a n s f o r m e r , a u d i of i l es t o r a g e ，a u d i of i l ei n f o r m a t i o nd i s p l a yf u n c t i o n sa lea d d e dt ot h et h j r d t h e r a p e u t i ca p p a r a t u s b e s i d e s , o p t i m i z i n gt h ep a r a m e t e r ss e t t i n gf u n c t i o n , a n da l l i n c r e a s eo ft r e a t m e n to u t p u t s 。t h e s ef e a t u r e sa l eu n i q u ea m o n gt h ep a s ta p p a r a t u s i t h a sf r i e n d l yh u m a n m a c h i n ei n t e r f a c e ，m o r ec o n v e n i e n to p e r a t i o n , w h i c hi se a s yt ob e a c c e p t e db yp a t i e n t s k e y w o r d s ：a v rm i c r o c o n 绺o l l e r , m u l t i * m o d e , a u d i om o d u l a t i o n ，p u l s ew i d t h ， d 撬t r a n s f e r 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究作出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：韵寺鹇疆 日期： 叩勺年6 月f 日 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电 子版和纸质版，有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论 文进入学校图书馆、院系资料室被查阅，有权将学位论文的内容编入 有关数据库进行检索，可以采用复印、缩印或其他方法保存学位论文。 学位论文作者签名：韵分饿迫程 新虢f 彳，洲) 日期：沙胡年毛月( e l 中l n 大学硕士学经论文基于a v r 荤片机的多模式鹰频调箭脉童治疗仪设计 1 1 引言 第一章绪论 针灸是传统中医的一种治疗方法，在中国具有悠久的历史，据考古资料证明， 针灸疗法起源于人类开始用火之后的旧石器时代，最早见于文字记载的是左 传。中医学理论有记载【l 】，大凡疼痛，多是因为经络闭阻不通、气血瘀滞不行 而引起的，所以有“不通则痛这么一说，指的就是经络闭阻不通而引发的多种 病症。经络闭阻不通，气血流行不畅，甚至气滞血瘀，从而引发肢体或脏腑组织 的肿胀、疼痛，焉气血不能委常运行到相应的肢体和脏臆、组织，又会弓| 起肢体 的麻木、萎软、拘挛或者脏腑组织功能活动失去平衡。针灸治病的原理就是采用 针法或灸术，作用于经络、腧穴，通过经气的作用，疏通经络，调理气血，从而 翥 除致病因素，治愈疾病 2 1 。由于针灸疗法的适用症状多，疗效好且副作用少， 早在唐宋时期就传到了日本、朝鲜、印度等世界其他国家，几千年来得到世界各 国医学工作者和患者的普遍认可。 随着科学技术的发展，医学工作者把针灸疗法与电刺激结合在一超，在针刺 人体经穴得气后，在针上通以电脉冲代替手捻针刺激，达到治病或止痛的目的， 从而催生出了电针这一应用于临床的新式针刺疗法。该疗法是在针灸学发展的基 础土吸取了现代毫予医学靛理论，经过临床实践逐渐产生和发展起来的，它最早 起源于国外。早在1 8 1 0 年，法国医师白利渥慈( l o u i sb e r l o i z ) 就提出在针上加电 刺激穴位的想法，n 1 8 2 5 年，医s ) 币s a r l a n d i e r e 首次试用电针治疗某些疼痛，取得 了一定的效果。1 9 2 1 年g o l d e ne a 医师，以电针术治疗神经炎等疾病的相关论 文发表于英国医学杂志上。在国内，1 9 5 3 年西安的朱龙玉* 起了电针疗法，自行 研制出电针治疗仪，进行了大量实验研究和临床观察，发现电针有显著止痛作用， 从此电针技术在我国很快普及起来【3 1 。 在电针治疗初期，电针治疗是利用于电池或蓄电池作电源，通过电位器调节、 控制电流大小，但是由于直流电易产生电解两造成折针和局部组织烧伤，现已很 少使用。后来出现了脉动感应电针机，它是利用电流振荡原理，先将壹流电变换 成脉冲电流，然后增加一个线圈，从线圈的两端引出感应电流，该电针机产生脉 中山大学硕+ 学位论文基于a v r 单片机的多模式音频调制脉宽治疗仪设计 冲电流波较窄，如针锋状，且不对称，功能也不稳定，频率调制困难，耗电量大， 噪音大，目前已大多被淘汰。此后，电子技术人员推出了由电子电路控制的脉冲 式电针仪，由于用电脉冲进行治疗符合人体生理刺激的要求，加之医生能根据治 疗需要方便地对脉冲电针仪的各主要输出参数进行调节，使用后疗效显著，所以， 很快就获得了医生和患者的亲睐，至今仍保持着旺盛的生命力【4 】。随着电子技术 日新月异的发展，脉冲电针仪经历了由最初的电子管到晶体管、集成电路的发展 过程，在单片机问世后，基于单片机的脉冲电针仪也随之出现，并迅速得到普及。 由于电针治疗操作的专业技术性强，使用不方便，因此又出现了以电极代替电针 的脉冲治疗仪【5 卅。 目前脉冲治疗仪已广泛用于临床，但其使用的电脉冲波频率基本固定、周期 重复，人体容易产生不同程度的适应性，使神经系统疲劳，从而大大影响疗效。 在这种背景下，音频脉冲治疗仪应运而生，不断发展起来，它是利用音频信号对 输出脉冲进行调制，最后输出随音频信号变化的电脉冲作用于病位或穴位，刺激 人体的皮肤、肌肉、神经以及经络。由音频信号转换的音频电脉冲是千变万化的， 波形极为复杂，它通常是由若干单一频率的正弦波按照音频的旋律、节奏、调性、 力度组合而成。这种复杂的音频信号经过处理后，输出的每一个局部均可看作多 种频率成分合成的脉冲串。这些具有音频规律的脉冲，作用于人体，每时每刻都 形成一种新的刺激，机体来不及适应立刻又转入另一个新的脉冲。即使有两个频 率、幅度、脉宽完全相同的脉冲电流，由于出现的间隔与脉冲宽度相差甚远，我 们可以认为其周期为无限大，因此机体不会产生像对普通脉冲电针仪那样的适 应性【7 8 】。 音频脉冲疗法与传统的针灸疗法是既是一脉相承的，又是医疗技术的创新。 音频脉冲疗法对穴位的刺激，也可疏通经络，调和气血，补虚泻实，治愈疾病， 提高免疫功能，尤其是由音频信号经过换能处理，同步音频脉冲电流刺激经络穴 位，对某些疾病起到类似传统脉冲电针甚至优于脉冲电针的治疗效果【9 l 。经多年 临床实践证明音频脉冲治疗具有镇痛、消炎、调整血压的功能，对单纯性坐骨神 经痛、神经衰弱、头痛、失眠、初期高血压、软组织扭挫伤、腹痛、关节炎、扭 挫伤、脑血栓引起偏瘫恢复期、周围型面神经麻痹、肌肉萎缩、颈椎病及消除疲 劳、无痛分娩、胆结石等症具有显著的疗效【1 0 】。 2 孛虫大学硕士学薏论文基予a v r 单片橇静多挨式簧颁谖裁辣宽治疗搜设计 1 2 音频脉冲治疗仪的发展及现状 献上世纪五十年代电针疗法在鬣内兴超到现在，根据传统针灸疗法与毫刺激 相结合原理研制出来的电疗仪已经更新换代了好儿代，目前最为常见的是音频脉 冲治疗仪，主要有以下三静： 海神9 9 - a 音乐电疗仪p 霉：由济南军区青岛第二疗养院研制，是一款集音频、 视频、电疗、热疗为一体的音乐电治疗仪。内部具有智能化控制回路、音响智能 控制系统及裁计时盘动关规报警系统，采震v c d 规作失音频信号源，音频信号 经电路处理后分双路输漱，一路以脉冲的形式通过导电极板作用于人体，输出毫 压可调在0 1 0 0 v 之间，输出频率为2 0 h z 2 0 k h z ；另一路则以音频声信号的形 式通过立髂声耳瓿佟爝予瘸久耳朵。 便携式微电脑音乐治疗仪f 1 3 k 出东南大学研发，它的音源可选，如收录机、 音响和随身听等，采用8 7 c 5 5 2 作为主控芯片，把音乐波幅值的变化通过a d 转换毫路转纯为，p w m 脉冲俸用于入体上，并壤据大体对电流刺激豹反应将 p w m 脉冲频率设置必最佳频率，输出脉冲电流幅度限定在一定范围内且隧音乐 波幅度变化而变化。具有2 k h z - - , 2 0 k h z 音乐调制中频输出，治疗电压在6 0 v , , 2 0 0 v 之润。 音电同步理疗机 1 4 1 ：由西安工业学院电子工程系研制，它其有一般脉冲治 疗仪的功能，同时叉具有音乐电疗仪的特点，可输出常规低、中频治疗脉冲。当 作为音乐电疗搜使用辩，需要井部音频信号源，一方瑟经过音频放大磊供惠者爨； 另一方面音频信号经功率放大后直接作用于人体上，或者是由音乐信号作为调制 波，将3 0 k h z - 7 0 k h z 的中频信号作为载波，调制后的信号经功率放大后输出作 霜子人体上。 1 3 本文的立题意义和依据 1 3 。l 立题意义 在前面两节的叙述中我们可以着到，电针疗法以及音频脉冲疗法在对很多疾 病豹灞疗中取得菲常显著斡治疗效罴，尽管它髑赞终蔫祝理尚有待予进步磷 究，但是从越来越多的各式音频脉冲治疗仪问世中我们不可否认一个事实，那就 3 孛睡大学硕士学健论文基于a v r 攀冀视翡多模式裔赣调裁辣宽治疗 交设计 是：音频脉冲疗法越来越得到医生和患者的信赖，它在非药物治疗中扮演着越来 越重要的角色。 本课题组深入分析了当前临床上用得较多的音频脉冲治疗仪原理，它们一般 是以脉冲幅度作为调制对象，其脉冲频率不变，即输出脉冲的幅度根据音频信号 调制丽时高时低，丽脉冲闻隔不变。这种技术的弊端是：一方蘑，在不确定的音 频信号调制下，可能产生幅度很高的或幅度间相差过大的脉冲，导致患者产生不 适感；另一方面，当脉冲幅度变化不大的情况下，固定频率的脉冲刺激会使患者 的耐受性加强，从聪降低治疗效果。为了克服音频调制脉冲幅度技术的弊端，课 题组改变音频脉冲治疗仪一贯来以脉冲幅度作为调制对象的做法，从改变脉冲作 用有效时间的角度出发，用音频信号调制输出脉冲的脉宽，设计出的一种新型的 音频调制脉宽治疗仪。其输出脉冲频率不固定，脉宽在工终参数设定后豳音频信 号调制，脉冲幅度可调，但每次调整后输出等幅脉冲。 1 3 2 立题依据 基于音频调制脉宽技术的治疗仪第一代样机已经由本课题组成功研制，本实 验室的游超师兄利用第一代样机做过题为调脉宽音乐电信号对双肾双夹肾动脉 狭窄高血压模型大鼠血压的影响实验i l5 】的研究，结果发现所选的3 5 0 h z 频段和 全音频音乐信号对s d 颓肾双夹肾动脉狭窄高斑压模型大鬣有即时降收缩压作用， 同时有减慢心率的作用。此外，本实验室的熊轩师兄在前面研究的基础上做了题 为调脉宽式电针对自发性高血压大鼠血压的影响及其机制 j 6 】的研究，研究 结栗表明，经该治疗仪治疗后的自发性高血压大鼠血压升高的趋势被成功减慢或 阻止。通过以上两个研究我们可以看出，基于音频调制脉宽技术的治疗仪不管对 动物赢血压模型还是动物自发性的高血压疾病都具有显著的治疗效果，如果这样 的效果能在临床上得到验证，那将无疑是世赛广大高血压患者的福音。 第一代样机有如下缺点：体积庞大，不便携带，而且是用机械电位器进行调 节，调节精度低、重复性差、噪声大、容易受环境因素的影响，面且还可能会使 病人产生恐惧心理，不是很理想的临床试验用机。在这种背景下，实验室的冯秋 朝师兄重新设计了硬件电路，用数字电位器代替机械电位器，增加了单片机、模 拟开关、液晶显示模块、键盘和报警等部分。第二代样机体积小，使用方便，单 片机控制调节精度高，重复性好，性能可靠，经友好的外观设计后，现已成功的 4 串由大学硕士学传论文基予a v r 单片祝的多模式音频谲锱辣宽治疗仪设计 应用在中山大学附属第五医院中医科的临床试验中。但是第二代样机仍然存在的 缺陷：自身不能够产生音频信号，只能靠鲤部设蚕作为音频信号源，也就说第二 代样机必需与一个音频信号发生器配合使用，才能实现预定的功能。所以第二代 样机可以说只是为了临床试验而设计，如果说要实现真正的便携式，那么它还远 远达不到要求。 为克服第二代样机的缺陷，也为了让治疗仪更具实用性，本文作者深入研究 音频信号发生器原理，设计出一台集音频信号发生器和电脉冲治疗功能于一体的 多模式音频调制脉宽治疗仪，称之为“第三代样机。与第二代样机相比，该样 机采用性能更为优越的a v r 系列单片机a t m e g a 6 4 1 7 】作为主控芯片，增加了 u s b i s - 1 9 】数据传输功能、音频文件存储功能、音频文件信息显示功能、数字音频 信号d a 转换功能，优化了治疗仪参数设定功麓，增加了治疗脉冲的输出翻数 量。这些功能都是以往同类型治疗仪所不具备的，而且使治疗仪人机接口界面更 友好，操作更方便、更人性化，易于被患者接受。本文从第二章开始将详细阐述 整个仪器设计的关键技术。 5 中山大学硕+ 学i 寺论文基于a v r 单片机的多模式音频调制脉宽治疗仪设计 第二章样机功能需求分析和总体设计 在了解了本文的背景、立题意义和依据后，本章将对第三代样机系统( 以下 简称“样机 ) 设计做需求分析，然后提出硬件电路和软件流程的总体设计思路。 2 1 样机功能需求分析 要实现样机的既定功能，笔者考虑对既定功能实行模块化设计。在实际设计 中，如图2 1 功能模块框图所示，把样机整体分割成以下几个功能模块： 一、音频信号发生器的功能模块。因为有了课题组之前的研究基础，即电脉 冲功能已经有了现成的模块( 图2 1 虚线部分) ，所以本设计首先要解决的问题 就是如何实现音频信号发生器功能模块。该功能模块首先应该具有数字音频文件 的存储功能，其次它必需具有能够把数字格式音频文件解码的功能和转换成模拟 音频信号的d a 转换电路。 二、u s b 数据传输模块。考虑到医生要根据患者病情的需要更新存储在样 机内部的数字音频文件，采用u s b 接口进行数据传输，医生只需在安装了 w i n d o w s 操作系统的计算机上通过类似操作u 盘的方法便可实现。 三、脉冲治疗仪参数控制模块。脉冲治疗仪的参数控制主要是对输出脉宽和 脉冲幅度的调节，它们都是由电位器控制的，要实现单片机对这两个参数的控制， 需要用到数字电位器作为桥梁来对它们进行调节，该模块的功能主要就是实现单 片机对数字电位器的控制。 四、键盘控制模块。当医生需要对治疗仪参数的进行设定时，要通过对键盘 的操作来实现参数设定的目的，此外，通过对键盘的操作，还可以控制音频信号 发生器的工作状态。 五、l c d 显示模块。该模块有两个主要功能：1 、显示当前操作模式及治疗 仪参数状态；2 、显示当前音频信号文件的相关信息。 6 中山大学硕+ 学位论文 基于a v r 单片机的多模式音频调制咏宽治疗仪设计 园日 l 控制i 一 日回 o f 嘲 l 数字电位器 图2 1 功能模块框图 2 2 样机硬件电路总体设计 根据上一节样机功能需求分析中所描述的各功能模块，本节从硬件电路设计 的角度将其功能实施具体化，如图2 2 电路框图所示。 图2 - 2 硬件电路框图 如图2 2 所示，样机中采用a v r 系列单片机a t m e g a 6 4 作为主控芯片，该 芯片功能强大，性价比高，能完全满足实现样机既定功能的要求，它与f l a s h 存储器、解码和d a 转换电路共同组成音频信号发生模块，工作原理是主控芯 片通过读取f l a s h 存储器内的数字音频文件，经过解码后输出数字信号到d a 转换电路，最后输出模拟音频信号，该信号经过音频信号放大电路后输入位于图 7 中山大学硕士学位论文基于a v r 单片机的多模式音频调制脉宽治疗仪设计 2 2 底下虚线框部分的治疗仪模块；主控芯片通过控制数字电位器来调节治疗仪 模块( 图2 2 虚线框部分) 中的幅度调节、脉宽调节电路；键盘电路通过触发主 控芯片产生中断，实现音频信号发生、停止控制，音频模式选取，脉宽、幅度调 节，单片机复位等功能；l c d 显示电路也是在主控芯片的控制下实现友好的人 机交互界面功能，显示当前操作模式和治疗仪参数状态，音频文件信息等；通过 主控芯片上的u s b 固件程序，可以通过u s b 接口实现在计算机w i n d o w s 操作 系统上对f l a s h 存储器里的音频文件进行删除或更改，该功能是为医生决定是 否更改治疗音频模式而设计的，满足了治疗音频模式因病而异、因人而异的需求。 图2 2 中的虚线框部分除幅度调节和脉宽调节外，其它电路均属于第一、二代样 机的内容，描述了经过d a 转换并放大后的模拟音频信号，通过一系列的模拟 电路处理输出脉冲信号，通过电极作用在患者穴位上的原理，本文不展开叙述。 硬件电路的具体设计将在第三章一一介绍。 2 3 样机软件流程总体设计 软件设计的最终目的就是驱动硬件模块从而实现样机既定的功能。设计中电 路的主控芯片是a v r 系列单片机a t m e g a 6 4 ，所有软件功能实现都是基于该单 片机进行编程的。出于软件的可读性和可移植性考虑，采用c 语言进行编写， 选择i c c a v i t 、a v r s t u d i o 作为编译和调试平台。i c c a v r 的编译环境类似于 v i s u a lc + + 的编译环境，容易上手，本实验室中也有i c c a v r 的相关文献资料【2 0 1 ， 便于遇到问题随时查阅，另外，它对代码的优化能力也是同类编译平台中最好的。 a v g s t u d i o 是a t m e l 公司专门为a v r 系列单片机编写的免费调试软件，可对 i c c a v r 编译生成的c o f f 文件进行软件仿真，及时排查软件错误。因为样机主 控芯片a t m e g a 6 4 支持i s p 在线编程功能，在设计过程中还采用了广州双龙电子 有限公司的s l i s p 烧录软件，配合该公司设计的a v ru s b i s p 编程器对主控芯 片进行程序烧录。 跟硬件设计类似，软件也实行模块化设计，主要实现以下几个功能：数字音 频文件读写，解码芯片控制，按键处理，l c d 显示，数字电位器控制，u s b 固 件编程等，具体的设计细节将在第四章讲述。 中山大学硕十学位论文基于a v r 单片机的多模式音频调制脉宽治疗仪设计 第三章样机硬件电路设计 3 1 电源电路设计 在第三代样机中，治疗仪模块部分芯片主要用到1 0 v 和5 v 的电压，沿用第 二代样机中的电源电路，采用外部直流1 2 v 供电，利用l m 7 8 1 0 和l m 7 8 0 5 稳 压的办法取得。此外，音频信号发生器和u s b 接口模块都需要用到3 3 v 的电压 供电，在设计中是利用三端稳压器件l m l1 1 71 2 1 】获得，因为有些器件需要数字电 源和模拟电源供电，故3 3 v 电压出来分成两路，一路为d 3 3 v 代表数字电源， 另一路为a 3 3 v 代表模拟电源，对应的地分别是数字地d g n d 和模拟地a g n d 电路，两个地通过0 欧姆的电阻连接。原理图如图3 1 ，图中的电感、电容都为 滤除干扰而设计。 图3 1 3 2 主控芯片的选择及其电路设计 3 2 1 主控芯片的选择 l o l u 在第二章中曾介绍过本设计是以a v r 系列单片机作为主控芯片的，它是一 款a t m e l 公司推出的高性能单片机，之所以选择a v r 系列单片机，是因为它 比传统的单片机具有以下几方面的优势：1 、采用了流水线的技术，绝大多数指 9 中山大学硕+ 学位论文基于a v r 单片机的多模式音频调制脉宽治疗仪设计 令都是单时钟周期指令，相比外部振荡器时钟被分频降低到内部指令执行周期的 单片机( 如8 0 5 1 的内部指令周期是外部时钟的1 1 2 ) ，其速度的优越性非常明显； 2 、a v r 采用了3 2 个通用工作寄存器的结构代替传统的基于累加器结构，避免 了传统结构中累加器和存储器之间数据传输造成的瓶颈现象，进一步提高了单片 机工作的速度和效率；3 、在实现同等功能的情况下，a v r 单片机比其它单片机 要物美价廉的多。 本设计中的音频信号发生器、文件存取和u s b 传输等功能都要求处理器具备 高速的数据处理功能，同时还要考虑到芯片价格的问题，即选择一款在实现既定 功能的情况下价格最低的单片机。在这个要求下，选择传统单片机显然无法达到 预定的目的，所以选择性价比更高的a v r 单片机来实现样机功能。 a t m e g a 6 4 是a v r 系列单片机中功能最强大的一款芯片之一，拥有6 4 k 字节的 系统内可编程f l a s h ，2 k 字节e e p r o m ，4 k 字节s r a m ，5 3 个通用i o 口线，3 2 个 通用工作寄存器，四个具有比较模式与p w m 的灵活的定时器计数器( t c ) ，两 个串行u s a r t ，面向字节的两线串行接1 2 1 t w i ，8 路1 0 位具有可选差分输入级可 编程增益的a d c ，具有片内振荡器的可编程看门狗定时器，一个s p i 串行端口， 与i e e e1 1 4 9 1 标准兼容的、可用于访问片上调试系统及编程的j t a g 接口，以及 六个可以通过软件进行选择的省电模式 2 2 1 。该芯片是以a t m e l 公司高密度非易失 性存储器技术生产的，支持在线编程( i s p ) 功能，允许烧写器对板上的单片机 直接烧写，这点对程序调试非常方便，开发人员可以对在调试过程中发现的错误 进行修改，再烧写到单片机中配合硬件验证程序，从而加快程序调试进程。当然 它还具有j t a g 的在线仿真调试功能，但是所需要的j t a g 调试器价格比较昂贵， 相比起来i s p 更方面简捷。关于a t m e g a 6 4 强大的功能，可以参阅其数据手册，下 面将根据本设计的实际原理图，着重介绍所要使用到的功能。 l o 中山大学硕十学位论文基于a v r 单片机的多模式音频调制咏宽治疗仪设计 d 1 2 d 1 2 d 1 2 d 1 2 d 1 2 d 1 2 d 1 2 d 1 2 d 1 06 l d 16 0 d 25 9 d 35 8 d 1 45 7 d 55 6 d 65 5 d 75 4 6 2 6 3 6 4 坞pm o s i2 i s ph n s o3 4 5 乙p6 d o w n7 s t a t u s8 s ( l k i d o s i 、 i s o x ( s r e s e t x d c s 9 1 0 - - 一 l l 1 2 1 3 _ _ 一 1 4 1 5 1 6 1 7 j i s pr s t2 0 m p 3 忉n 及 1 8 u l 5 玉 p f 0 ( a d c 0 ) 9 p f l ( a d c l )岁； p f 2 ( a d c 2 ) p f 3 ( a d c 3 ) p f 4 ( a d c 4 t c k 3 p f 5 ( a d 0 5 t m s ) p f 6 ( a d c 6 t d o ) p f 7 ( a d c 7 嘲 a 璐 a g n d a v c c p e 0 ( p d t l d d p e l ( p d o t 您d 0 ) p e 2 ( a c + x c k 0 ) p e 3 ( a c o c 3 a ) p e 4 ( m , n 4 o c 3 b ) p e 5 ( l n i 5 o c 3 0 p e 6 ( i n t 6 丁3 ) p e 7 ( i n t 7 i c 3 ) p b 0 ( s s ) p b l ( s c k 0 p b 2 ( m o s d p b 3c n s o ) p b a ( o c o ) p b 5 ( o c i a ) p b 6 ( o c l b ) ( a d o ) p a 0 ( a d i ) p a l ( a d 2 ) p a 2 ( a d 3 ) p a 3 ( a d 4 ) p a 4 ( a d s ) p a 5 ( a d 6 ) p a 6 ( a d d p a 7 ( a l e ) p g 2 ( a 8 ) p c 0 0 侈) p c i ( a t 0 ) p c 2 ( a 1 1 ) p c 3 ( a 1 2 ) p 0 4 ( a 1 3 ) p c 5 ( a 1 4 ) p c 6 ( a 1 5 ) p c 7 ( 型虫p g l p g 0 ( m j t 0 s c d p d o 仃n t l ，s d a ) p d i a 盯2 r x d l ) p d 2 ( 矾t 3 t x d l ) p d 3 0 c 1 ) p d 4 ( x c k 1 ) p d 5 p b 7 ( o c 2 lo c i o p e n r e s e t p 饼( t o s c o p g 3 ( t o s c 2 ) 宝金 o o ( t o p d 6 c r 2 ) p d 7 3 2 2i 0 口电路设计 i 簧 图3 2 主控芯片引脚图 5 1 5 0 4 9 4 8 4 7 4 6 4 5 “ 4 3 3 5 3 6 3 7 3 8 3 9 4 0 4 1 4 2 3 4 3 3 2 5 2 6 2 7 2 8 2 9 3 0 3 l 3 2 d 1 2a o d 1 2u r d 1 2r d d 1 2d 汀 d 1 2c s l c dr s l c dr w l c de n 乙c dd b 0 l ( dd b l l c d d b 2 l c d d b 3 l c dd b 4 l ( dd b 5 l c dd b 6 l c dd b 7 d c pd a t a p 乙气y s t o p d r e 如图3 - 2 所示，主控芯片a t m e g a 6 4 有6 4 个外部引脚，包括p a p g 七组共 5 3 个i o 口( 其中p g 口只有5 个) 。 设计中，p a 0 一p a 4 和p f 0 一p f 7 被分别分配作u s b 芯片p d i u s b d l 2 的控制总线 和数据总线，采用的是普通i o 口功能；p a 5 p a 7 和p c 0 一p c 7 被分别分配作l c d 液晶模块t g l 2 8 6 4 的控制总线和数据总线，采用的是普通i o 口功能。当上述各 中山大学硕七学位论文基于a v r 单片机的多模式音频调制脉宽治疗仪设计 引脚被当做普通i o 口使用时，具有双向传输功能，内部具有可编程的上拉电阻。 其输出缓冲器可以输出和吸收大电流。 p b 0 p b 3 采用了其s p i 总线接口的功能，在此功能下，连接在s p i 总线上的两 个系统( 主机和从机) 各含两个8 位移位寄存器( m o s i 和m i s o ) ，两者公用一个 由主机时钟发生器产生的时钟脉冲s c l k 。当需要给某从机发送数据( 或从从机 处读取数据) 时，主机先将欲发送数据放入主机移位寄存器m o s i 中( 或从机将 主机欲读取数据放入从机移位寄存器m i s o 中) ，然后通过将该从机的片选引脚拉 低，主机便开始在s c l k 引脚上产生8 个时钟脉冲，同时数据从主机的m o s i 移出， 从从机的m o s i 移入，每一位数据对应一个时钟脉冲，这是一个发送的过程；在 发送的过程中，主机的m i s o 也在接收来自从机的m i s o 移出数据。即是说当主机 需要读取从机的数据时，也必须通过m o s i 发送一个无关字节，然后在m i s o 中读 取来自从机的数据，了解这点在s p i 接口的驱动程序设计中很重要。在发送完一 个字节后主机通过将从机的片选引脚电平拉高实现与从机的同步。具体到本设计 中，主机就是a t m e g a 6 4 ，而从机就是数据存储器s d 卡和解码d a 转换芯片 v s l 0 1 l ，主机先通过拉低s d 卡的c s 引脚，启动s p i 数据通信，从s d 卡中读取数 字音频文件，再通过拉低v s l 0 1 l 的x c s 或x d c s 引脚，启动与v s l 0 1 1 的s p i 数据 通信，把之前读取的数字音频文件发送至u v s l 0 1l 中，通过后者解码及d a 转换后 输出模拟音频信号。 p d 0 p d l 采用了其标准两线串行总线通信的硬件接 t w i 功能，该接口是对 1 2 c 总线的继承和发展，是一个面向字节和基于中断的硬件接口。在第二代样机 中，冯秋朝师兄利用虚拟1 2 c 总线时序的办法实现了对基于1 2 c 总线控制的数字电 位器x 9 2 4 1 p 3 】的调节，但是这种办法的缺点在于：过多占用c p u 的运行时间；虚 拟时序工作不稳定，容易受到外界干扰。在本设计中，笔者在沿用第二代样机采 用数字电位器x 9 2 4 1 的基础上，对控制总线进行了修改，利用a t m e g a 6 4 1 为部集 成的t w i 总线实现对x 9 2 4 1 的控制，使m c u 的运行效率更高，系统更加稳定。关 于a t m e g a 6 4 的t w i 总线的功能读者可以参阅其数据手册，而关于x 9 2 4 1 的功能及 电路设计将在下面有关章节介绍。 a t m e g a 6 4 具有八个外部中断，通过引脚i n t 7 ：0 触发。通过设置外部中断控 制寄存器e i c r a ( i n t 3 ：0 ) 和e i c r b