（交通信息工程及控制专业论文）智能仿生物电治疗仪优化设计研究.pdf

南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 智能仿生物电治疗仪是种小脑顶核电刺激治疗仪( 非药物性治疗) ，它运用“数 字频率”合成高科技技术，产生年轻的、健康的、正常的仿真生物电来取代患者自身 病变的、残缺的生物电，通过粘贴于体表的随弃式电极进行电刺激，将治疗电流无创 伤导入小脑顶核( f i g ) ，达到改善大脑供血，保护神经细胞，改善脑部血液循环功能 的作用，促进神经功能恢复，稳定大脑细胞膜的电兴奋性。其作用机制是脑内固有的 神经传导通路受电刺激及通过脑循环和脑血管自动调节相互作用的结果。 本文主要介绍一个单片机系统设计的全过程，包括：提出要求、方案确定、硬件 设计、软件设计、系统可靠性设计及最后的调试通过、产品定型等。首先介绍了产品 的各项参数、具体功能以及产品的适用范围，然后详细介绍各个主要功能模块的工作 原理、软件设计思想，并对在产品研制过程中为保证产品的疗效以及可靠性所做的各 项软、硬件措施做了详细说明，最后给出了产品的输出信号波形以及显示界面。 关键字；生物电，电刺激，a t 8 9 c 5 5 w d 单片机，抗干扰，可靠性，治疗效果 智能仿生物电治疗仪优化设计研究 a b s t r a c t t h i sk i n do f i n t e l l i g e n tt h e r a p e u t i ci n s t r u m e n ti sd e s i g n e dt os i m u l a t e b i o e l e c t r i c i t y t os t i m u l a t ec e r e b r a lf a s t i g i a ln u c l e u s ( n o n - p h a r m a c e u t i c a lt r e a t m e n t ) i tc a l lp r o d u c e y o u n g ， h e a l t h ya n d r l a t u r a ls i m u l a t e db i o e t e c t r i c i t yt or e p l a c et h ei l la n df r a g m e n t a lb i o e l e c t r i c i t y b yu s i n gt h ed i r e c td i g i t a ls y n t h e s i st e c h n o l o g y t h r o u g ht h ee l e c t r i cs t i m u l a t i o no ft h e r e p l a c e a b l ee l e c t r o d et h a tp a s t i n go nb o d ys u r f a c e ，t h ee l e c t r i cc u r r e n ti si n t r o d u c e di n t o t h ec e r e b r a l f a s t i g i a ln u c l e u s ( f n ) w i t h o u td a m a g ei n o r d e rt o p r o t e c t t h en e r v ec e l l ， i m p r o v et h eb r a i nb l o o ds u p p l ya n dt h ef u n c t i o no f b r a i nc i r c u l a t i o n i ta l s oc a l li m p r o v e t h ec o n v a l e s c e n c eo ft h en e r v ef u n c t i o n ，s t a b i l i z et h ee l e c t r i ce x c i t a b i l i t yo ft h eb r a i nc e l l m e m b r a n e t h ep r i n c i p l eo ft h i si n s t r u m e n ti st h a tt h ei n h e r e n tn e r v ec o n d u c t e da c c e s si n t h eb r a i ni ss t i m u l a t e d b yt h eb i o e l e c t f i c i t y , a n dt h ei n t e r a c t i o n b e t w e e nt h eb r a i n c i r c u l a t i o na n dt h ea u t o m a t i ca d j u s t m e n to f t h eb r a i nb l o o dv e s s e l t h i st e x tm a i r d yi n t r o d u c e st h ew h o l e d e s i g np r o c e s so f a m i c r o c h i ps y s t e m ，i n c l u d i n g r e q u i r e m e n tp r e s e n t a t i o n ，s c h e m ed e c i s i o n ，h a r d w a r ed e s i g n ，s o f t w a r ed e s i g n ，t h e r e l i a b i l i t yd e s i g n ，p a s s i n gt e s t ，t y p ea p p r o v a la n ds o o n a tf i r s t ，i ti n t r o d u c e st h e p a r a m e t e r s ，d e t a i l e df u n c t i o n sa n d t h ea p p l i c a b l er a n g eo ft h i sp r o d u c t i o n + t h e ni tp r e s e n t s t h ew o r k i n gp r i n c i p l eo fe a c hp r i m a r ym o d u l e ，i d e ao ft h es o f t w a r ed e s i g n ，a n dg i v e st h e d e t a i l e di n s t r u c t i o na b o u t 廿1 es o f t w a r ea n dh a r d w a r em e t h o d sw h i c hw e r eu s e dt oi n s b r e t h ec u r a t i v ee f f e c ta n dt h er e l i a b i l i t yd u r i n gd e v e l o p m e n t a tl a s t ，i ts h o w st h eo u t p u t w a v e f o r ma n dt h e d i s p l a y i n t e r f a c eo f t h e p r o d u c t k e y w o r d s ： c o m p u t e r ， b i o e l e c t r i c a l s i g n a l ， e l e c t r i cs t i m u l a t i o n ，a t 8 9 c 5 5 w ds i n g l e - c h i p a n t i i n t e r f e r e n c e ， r e l i a b i l i t y ，t h e r a p ye f f e c t 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容 外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本 论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明 确方式标明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，允 许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名：墨丝竺 日 期：圭丛：兰：尘 智能仿生物电治疗仪优化设计研究 注释表 a d p ( a d e n o s i n ed i p h o s p b a t e ) 腺苷二磷酸 a t p ( a d e n o s i n et r i p h o s p h a t e ) 三磷酸腺甙 c p u ( c e n t r a lp r o c e s s i n gu n i t ) 中央处理器 c m o s ( c o m p l e m e n t a r ym e t a l o x i d e - s e m i c o n d u c t o r ) 互补金属氧化物半导体 t t l ( t r a n s i s t o r t r a n s i s t o rl o g i c ) 晶体管一晶体管逻辑 e m i ( e l e c t r om a g n e t i cl u t e r f e f e n c e ) 电磁干扰 e m c ( e l e c t r om a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y ) 电磁兼容 e s l ( e l e c t r o - s t a t i cl o s s ) 静电损耗 r o m ( r e a d - o n l ym e m o r y 只读存储器 r a m ( r a n d o m a c c e s sm e m o r y ) 随机存储器 e p r o m ( e l e c t r i c a l l yp r o g r a r m n a b l er e a d - o n l y - m e m o r y ) 电可编程序只读存储器 l c d ( l i q u i dc r y s t a ld i s p l a y ) 液晶显示器 c t ( c o m p u t e r i z e dt o m o g m p h y ) 讨算机x 线断层摄影术 m m ( m a g n e t i cr e s o n a n c ei m a g i n g ) 核磁共振成像 o c ( o p e nc o l l e c t o r ) 集电极开路 p c ( p r o g r a mc o u n t e r ) 程序计数器 p c b ( p r i m e dc i r c u i tb o a r d ) 印刷电路板 l s b ( l e a s ts i g n i f i c a n tb i t ) 最低有效位 m a 一一毫安h z 一赫兹 r a i l - 千分之一英寸 v r 一参考电压 f o 谐振频率 v 。一峰峰值电压 i p _ - 峰值电流 i o h 一高电平输出电流 l 。l - 低电平输出电流 u n l 一低电平噪声容限 u 一- 高电平噪声容限 v o h 高电平输出电压 v 。l 一一低电乎输出电压v m 一低电平输入电压 v i h 一高电平输入电压v a 一伏安 s 一- 微秒n 欧姆 南京航空航天大学硕十学位论文 第一章绪论 1 1 生物电现象的发现过程以及在医学上的应用 人类发现生物电现象，可追溯到公元前三世纪有关地中海电鳗具有强烈电击 作用的记载。然而一直到十八世纪三十年代，才真正开始对生物电现象进行观察 和研究。”。1 7 8 6 年，意大利的医生和生理学家g a l v a n i ，a 发现了蛙的肌肉电，1 9 0 3 年，荷兰医生w i l l a me n t h o v e n ，首次较准确地记录了人的心电图，1 9 2 2 年，美国 生理学家h e r b e t s g a s s e r 和j o s e p he r l a n g e r 利用阴极射线示波器观察神经的动作 电位，1 9 2 9 年，德国医生h a n sb e r g e r s 用电流计在开颅情况下记录了人的脑电 图，1 9 3 9 年，英国生理学家h o d g k i n 和h u x l e y 记录细胞的动作电位”。 生物电是由细胞受刺激或兴奋而产生的，生物电能反映器官或组织的生理或 病理”1 。生物电应用最广的用途是用于诊断，少数用于控制。心电、脑电和肌电 的技术已相当成熟，有精良的设备和行之有效的诊断标准，并己为广大医生和患 者所接受，可以说是生物电应用的三大支柱，此外还有眼电、胃电等。 人类大脑的所有活动都是生物电活动，我们所有的思维、感觉和身体运动均 是基于贯穿脑部的微电流引发，神经系统加以弱电流脉冲能改变人的生理和心理 状态“1 。自1 9 4 0 年前苏联科学家发现对大脑的微弱电流刺激能改变人的生理和 心理状态开始，国外就开展了用电刺激来调节大脑状态的研究并取得了突破性的 进展。电刺激技术是和生物电紧密联系的。电刺激可分为三类：( 1 ) 功能电刺 激。用电刺激来恢复人体的某些收缩功能，如心脏起搏器，步态矫正器，瘫痪肢 体刺激器等。功能电刺激器由计算机控制，采集患者腱侧肌电信号或患者的语音 信号或患者发出的按键开关信号，然后按照预先确定的刺激参数控制多通道电刺 激器对瘫痪肌肉或其支配神经进行刺激，以产生肌肉收缩，带动关节按一定规律 运动。上述控制方式称为开环控制。若用传感器检测肌肉收缩的力和位移信号以 及肌肉疲劳信息作为反馈信号，经计算机处理后调节各通道的刺激量和刺激顺 序，从而使系统稳定，此种控制方式称为闭环控制”l 。( 2 ) 治疗电刺激。用电刺 激减轻病痛，如除颤、镇痛、抑制癫痫、抑制震颤等，( 3 ) 诊断电刺激。如记录 诱发电位对神经进行电刺激。 1 2 人体电阻以及安全电流 本治疗仪主要是产生仿生物电对人体进行电刺激，这样就会产生一个疑问： 多大的电流才能达到既有治疗效果而又不对人体组织产生损伤。研究表明：人体 发生触电时，流经人体的电流决定于触电电压与人体电阻的比值。人体电阻并不 智能仿生物电治疗仪优化设计研宄 是一个固定数值。人体各部分的电阻除去角质层外，以皮肤的电阻最大。当人体 在皮肤干燥和无损伤的情况下，人体的电阻可高达4 0 4 0 0 k q 。如果除去皮肤， 则人体电阻可下降至6 0 0 8 0 0q 。但人体的皮肤电阻也并不是固定不变的，当皮 肤出汗潮湿或是受到损伤时，电阻就会下降到1 0 0 0 q 左右”】。 所谓触电，就是当人体接触到带电体、且有电流很快地通过人体，称为触电。 当发生触电时，会使人体全身的肌肉组织发生紧张的收缩，心脏也会麻木失去活 动的作用，呼吸也会发生困难，甚至停止，即产生休克或致死。触电使人遭到的 伤害程度与很多因素有关。所以，我们难以断定在哪种情况下会遭到何种程度的 伤害。触电的伤害，分为电击和电伤两种，若触电后人体能够摆脱险情，一般情 况下，触电部位感到麻木，只是皮肤表面烧成圆形或椭圆形苍白色或黄灰色的斑 点，稍重点的，会烧成焦黑，但不痛、不瘁、不会发炎，以上情况是遭受电击的 象征，而电伤的情况较为复杂，伤害程度不一。触电的伤害程度，决定于下列因 素： a 流经人体电流的大小、时间有关； b 与电压的高低有关： c 与电源的频率有关； d 与所处的环境有关： e 与人的健康状况有关，等等 究竟多大的电流通过人体而不致于发生触电事故呢? 这很难离开电流通过 人体的持续时间而孤立地来看，由实验证明”i ： a 1 1 3 5 m a 人体对电流有感觉，但无明显致病现象。 b 5 7 m a 手臂有疼痛，手肌肉轻微痉挛。 c 8 - 1 0 m a 人体触电处( 如手) 有明显的疼痛感，手臂肌痉挛收缩，手难 以摆脱触电体电源。 d 1 1 1 2 m a 剧烈疼痛，手臂肌痉挛收缩，与电流接触的耐受时间不超过 3 0 秒。 e 1 3 1 7 m a 剧烈疼痛，难于自己松手和抛开电极。 f 2 0 3 0 m a 人体动脉血压升高，手很难摆脱电源，有时致死。 g 5 0 6 0 m a 人会呼吸麻痹，心室颤动，昏迷。 h 9 0 1 0 0 m a 人会呼吸麻痹，一1 1 , 脏停止跳动，昏迷甚至死亡。 流过触电者身上的电流强度主要是由人体电阻决定( 皮肤电阻、体内电阻) 。 皮肤电阻一般较大，约几k q 到几十k q ，皮肤潮湿时电阻会降低很多，人的体 内电阻较小约1 k q ，尤其是血液电阻为最低，电压的增高和触电时间廷长都可 使人体电阻降低( 电流增大，皮肤烧坏，而生水泡，皮肤电阻骤减) 。高压比低 2 南京航空肮大人学硕十学位论文 压危险，低频比高频危险( 5 0 1 5 0 h z 的交流电致死作用最强) ，低频电压电流通 过血液、心脏导致死亡。高频时存在趋肤效应，只会烧伤、烧焦皮肤。此外，皮 肤的干湿，人体的功能状态( 如疲劳、受热、着凉、创伤等) ，电流通路( 通过 心脏或脑最危险) 都对电阻值有影响 。 1 3 本仪器的研制背景以及医学基础 现代社会各种脑病已成为威胁人类健康的一大因素，脑梗塞各期、脑供血不 足、脑出血恢复期、脑外伤后遗症、中风康复、大脑认知障碍、中风高危人群的 预防等多种脑部疾病严重威胁人类的健康。脑血管病是一种严重危害人们生命和 健康的疾病，而脑卒中患者由于未进行早期及适当的功能锻炼，经常会导致永久 性残疾，给家庭和社会带来沉重的负担。 生物体兴奋组织对电、机械、化学等刺激均能产生反应，但只有对电的刺激 可精确地控制其参数，临床应用电刺激所产生的生物反应( 如肌肉收缩和恢复知 觉等) 以控制和替代生物机能，从而达到治疗的目的。生物电现象是生命活动的 基本属性，几乎在机体的一切生命活动中都伴随生物电的产生，生物电位是由“可 兴奋细胞”电化学活动产生的“。这些细胞平时呈现出静息电位，给予适当的刺 激便产生动作电位。生物电刺激对人体可以产生如下治疗作用。 近年来国外研究证明，脉冲频率与生理和治疗作用有密切关系。而生物电所 产生的波型为方波脉冲群，对神经肌肉有刺激作用，主要刺激偏侧上肢伸肌群、 下肢屈肌群，电流强度调节产生明显的肌肉收缩，并产生小范围的伸肘、屈膝的 关节运动i 。生物电刺激后通过轴突反射，兴奋扩张血管神经：肌肉活动的代谢 产物，引起局部血液循环加强所产生的各种效应为：改善缺血，减轻酸中毒，加 强致痛介质和有害病理代谢产物的排出，营养代谢和免疫功能改善等。肿胀消除 后，功能得以改善，使生物电刺激代谢废物、致痛物质和诱发性炎症的化学递质 加速排除，结果改善局部代谢营养，减少局部刺激，有利于炎症的消散；免疫系 统得到改善“。 在中风病人正常脑组织与死亡脑组织之间有一个中间区域，医学上称之为半 暗区。半暗区的脑细胞由于缺血缺氧而处于一种暂时的、膜电位丧失性的无功能 状态，也就是俗话说的“半死不活”状态：这是指没“电”了，也就是说电的传 导功能没有了，如果这些神经细胞分管语言功能，则患者就不会讲话了：分管大 小便的，大小便就失禁了；但还没有死，如果采用外力能促使这些神经细胞恢复 膜电位，则它们还可以救活“。如果处于休眠状态的脑细胞的功能能得以逐步恢 复，那么所患的中风后遗症也就有望治疗了。但是需要特别指出的是如果时间 长，这些细胞不是半死，而是全死了，死亡的细胞再用什么办法也无法救活了。 采用生物电疗法来激活半暗区中丧失功能的脑细胞，从而可以治疗中j x l 后遗 3 智能仿生物电治疗仪优化设计研究 症。在治疗前先参考患者的脑磁共振片子，确定患者的病灶部位，然后在其病灶 局部通过针灸针直接引进不同剂量的编码生物电信号，一方面激活处于膜电位丧 失性无功能状态的神经细胞，重建其细胞膜电位，恢复其正常的生理调控功能： 另一方面明显地改善大脑神经细胞的供血供氧，缩小梗死面积，减轻脑缺血缺氧 的损害。因为所采用的信号和人体正常的细胞膜电位相匹配，而波形亦与神经电 冲动的波形特征相似，因此受损伤的脑神经细胞易于接受。当然这种疗法的治 疗也只适用于未完全死亡的脑细胞。所以治疗中风后遗症必须抓紧治疗时机。 小脑顶核仿生物电刺激通过脑内的固有神经通路使脑血管扩张，局部脑血流 增加及释放乙酰胆碱能神经递质，明显增加大脑皮质的脑血流量：直接诱导病灶 半影区脑组织表达神经纤维生长与再生的重要物质一生长相关蛋白，提高神经组 织可塑性，促进神经功能康复效果”。脑在缺氧或( 和) 缺血时，脑内存在可以 保护其自身生存的机制，有研究提示，其中之一存在于小脑顶核的条件性中枢神 经元性神经保护作用对神经科常见病、多发病起到了防治作用。 目前推测疗效的作用机制很可能是因为偏瘫后由于神经损伤使血管的舒缩 调节功能失调，血管处于扩张状态，因下肢静脉无瓣膜，静脉血回流易于瘀积； 其次神经损伤后由于患肢活动不便可引起肌肉及血管紧张度下降，导致血液回流 不畅而淤滞，引起浮肿。已知a d p 、a t p 等物质具有强烈扩张血管作用。肌肉 在收缩过程中，a t p 等物质不断分解和重新合成。这些物质除供给肌肉收缩的生 化需要外，将同时刺激肌肉丰富的血管，而使肌肉的血液循环增强“。电刺激对 一些非特异性炎症具有消肿作用。其原理主要是血液及淋巴循环的改善，减少了 组织间液性水肿。因此对于一些血液和淋巴循环障碍所造成的水肿是一种重要的 辅助治疗手段。在上述基础上我们对仿生物电治疗仪进行了研制。 1 4 本课题的意义 仿生物电治疗仪可以产生年轻的、健康的、正常的仿真生物电来取代患者自 身病变的、残缺的生物电，通过粘贴于两耳后乳突的电极贴片，无创引入小脑顶 核区( f n ) ，对人的脑部进行电刺激治疗，显著增加脑部血流量，减少半影区坏 死神经元数目，保护神经细胞，促进神经功能恢复。稳定大脑细胞膜的电兴奋性， 抑制c s d ( 皮质性扩布抑制) 的扩展，达到预防偏头痛发作，缓解疼痛，减少 用药量的作用。 大量的实验结果提示，生物电对提高缺血性脑血管病原发病治疗愈后肢体恢 复的效果有重要临床价值，对治疗脑血管病患者偏瘫后瘫侧下肢水肿有较好的治 疗作用，是无创伤性早期治疗脑梗死的有效物理治疗方法之一“i 。本项治疗方法 疗程短，疗效高，复发率低，经济实惠，具有操作简便、无痛、无副作用、应用 范围广等特点。这对减少并发症，缩短病程，提高缺血性脑血管病超早期康复治 4 南京航空航天大学硕+ 学位论文 疗的愈后效果有重要意义。 本治疗仪除了对上述疾病有很好的治疗效果外，对脑梗死各期，脑出血恢复 期，脑外伤促醒，脑外伤恢复期，中风预防，脑供血不足( 颈椎病导致椎动脉供 血不足等) ，偏头痛，失眠，老年性痴呆，抑郁症等，眼底动脉缺血，眼疲劳等 眼科疾病，脑卒中患者心脏自主神经功能失调以及劳累过度和用脑过度处于亚健 康状态的人群也具有显著的缓解改善作用。该仪器是严格建立在动物实验研究和 临床试验的基础上，还具有效果显著，操作使用简便，安全可靠，病人易接受。 同时，该仪器还可用于2 4 小时连续治疗而无需人员监护，加强重症或治疗关键 期的治疗效果。 5 智能仿生物电治疗仪优化设计研究 第二章治疗仪的设计参数及总体设计思想 单片机不同应用系统的开发过程基本相似，其一般步骤可以分为需求分析， 总体方案设计、硬件设计与调试、软件设计与调试、系统功能调试与性能测试、 产品验收和维护、文件编制和技术归档等。 总体方案设计就是要从宏观上解决“怎么做”的问题。其主要内容应包括： 技术路线或设计途径、采用的关键技术、系统的体系结构、主要硬件的选型和加 工技术、软件平台和开发语言、测试条件和测试方法、验收标准和条文等。 本课题是在上一届研究的基础上进行功能完善，并且最终将其产品化。上一 届已经完成的部分有：原理图的绘制、液晶显示及键盘扫描程序的编写及仿真调 试。在此基础上，本人通过不断地实验，不断地修改原理上的缺陷。从而完成了 所有的功能，实现了所需要的疗效。在调试过程中通过增加各种可靠性和抗干 扰措施，最终使产品通过例行实验。 2 1 生物电波形简介 虽然理论表明任何一种复杂的波形都可以由一组幅度不同的简谐波来合 成，但是实际的生物电信号不但波形复杂，而且种类繁多，不同的波形可以随机 交替出现。以下是几种常见的生物电波形。根据脑电图的频率、振幅的不同，可 以把正常的脑电图分为四种基本波形。图2 1 为记录到的正常脑电波的波形“。 6 * i t 微撕轴h m 妯嗍翻狮婚嘲确妒靠酬柑l f ， ! 矬嗍蜘 柚慨刚陬ih 踟飞阳b i 州妒柑帆l 嵫 。胁i 矾卜 。 胃 鬻伏 图2 1 脑电波的波形 南京航空航天大学硕士学位论文 由于心脏特殊传导系统的存在，使得心脏的收缩和舒张按其特定的规律进 行，也就是说，心脏产生的生物电也是先后有序的规律传导。如果这种心脏生物 电能够正常的产生和传导，我们就能在体表描记到f 常心电图。图2 2 为记录到 的心电波形图“。 图2 2 心电波的波形 0 1 2 82 5 63 8 45 1 2 r m s l 图2 3 神经干的动作电位波形 图2 _ 3 为记录到的神经干的动作电位波形图“。从上面三种波形图可知，不 同部位产生的生物电波形是不一样的。因而用传统信号发生器的r c 振荡电路和 多谐振荡电路来构成通用的任意生物电发生器，在技术上几乎是无法实现的，但 是生物电波形有它一定的规律和特点：生物电信号大多为脉冲信号，频率较低且 不规则，在波形上有时变化极迅速，表现为垂直上升或下降，有时又变化极其缓 慢，表现为略微起伏的波动甚至电平根本就不变化。对于这些特点，我们是可以 7 w w w 智能仿生物电淆疗仪优化设计研究 模拟出来的。 2 2 治疗仪的所有参数及功能 2 2 i 治疗仪的外形图 图2 4 是治疗仪最后定型的外形图。 图2 4 治疗仪的外形图 2 2 2 治疗仪的参数 a 电源：a c 2 2 0 v - * - 1 0 ，5 0 h z 士lh z b 功率：1 5 v a c 最大输出电压v p p ：7 2 v d 最大输出电流i p ：一 n 疋町町1 日j 到笛t ) 一 i y 停止治疗信号输出 图2 6 主程序流程图 主程序和子程序都存放于a t 8 9 c 5 5 w d 单片机的2 0 k 的f l a s h 中。主程序 的功能是负责开机后对两个定时器工作方式、定时初值以及接口芯片初始化，并 且控制液晶的实时显示。另外还有一个主要功能：键盘扫描。主程序根据定时器 定时中断扫描键盘得到的键值散转到相应的子程序进行处理。 子程序的种类有：启停治疗信号输出；切换功能菜单；增减各项功能的参 数值：切换三种工作方式( 普通、间断、睡眠) 。 中断处理子程序总共有两个中断，均为定时器中断。一个定时器专门用来做 波形控制和输出强度控制；另一个定时器用来扫描键盘并且模拟时间，用于治疗 信号的时间控制以及在不同工作方式时对输出治疗信号强度的控制。 南京航空航天人学硕十学位论文 第三章治疗仪的硬件设计 3 1 绘制原理图前的准备工作 在微机系统设计中，要是想在调试过程中比较顺利，那么在绘制原理图前， 就有大量的准备工作要做。首先就是要仔细查阅所需要使用芯片的数据手册。在 微机系统设计中，需要注意的地方有：工作时序；带负载能力：阈值电压( 门限 电压) 以及输入信号噪声容限( 抗干扰能力) 等。选择器件时应考虑其性能是否 满足设计需求，是否具有良好的技术支持和文档支持，是否具有良好的性价比等， 其核心是单片机的选型。在大多情况下，理应选择性价比高的单片机及其它器件， 但在某些特殊场合，当性能成为决定因素时，应以性能优先原则选择所需的单片 机或其它器件。单片机应用系统中需要用到较多的芯片，如d 、d a 、e e p r o m 等，所以应优先考虑选用高集成度的单片机，这样可以从总体上降低系统的成本。 如果所选的单片机没有集成这些部件，在选择a d 、d a 等芯片时应考虑其性能 是否满足需求，还应考虑他和c p u 的接口关系等。 3 1 1 工作时序 在单片机与某些i o 芯片接口时，就需要考虑外围接口芯片的工作时序，只 有在详细了解芯片的工作时序的情况下，才能正确地控制芯片工作。例如在 a t 8 9 c 5 5 w d 单片机与d a c 0 8 3 2 芯片的接口中，d a c 0 8 3 2 有三种工作方式( 直 通、单缓冲和双缓冲工作方式) ，每种工作方式都有不同的时序。在本治疗仪中， d a c 0 8 3 2 采用单缓冲方式，工作时序比较简单。此外还有a t 8 9 c 5 5 w d 单片机 与液晶显示控制器s e d l 3 3 5 以及与a d c 0 8 0 4 之间的接口都涉及到工作时序。 3 1 2 带负载能力 根据数字电路的实际工作情况，可将负载分成灌电流和拉电流两种类型：在 实际电路中灌电流是由后面所接的逻辑门输入低电平电流汇集在一起而灌入前 面逻辑门的输出端所形成；拉电流是由前面的逻辑门流出的高电平负载电流，流 向后面所接的逻辑门的输入端“。在原理设计时，不仅要考虑逻辑上的正确，还 要考虑器件的带负载能力。 在治疗仪中，有一个用非门驱动发光二极管的电路，用来指示治疗信号的启 动和停止。从逻辑上看，图3 1 两种电路都可以使用，但是考虑到非门的带负载 能力，查阅7 4 l s 0 4 的资料，从推荐使用条件中可以看到i o h ( 高电平输出电流) 一0 4 m a ：i o l ( 低电平输出电流) = 1 6 m a ，这样就决定了只能使用图3 1 ( a ) 智能仿生物电治疗仪优化设计研究 电路了。 3 1 3 阈值电压 a l e d b 图3 1 治疗信号启动指示灯驱动电路 阈值电压又叫门限电压。门电路传输特性的转折区所对应的输入电压，是输 出高低电平的分界线”。在现代数字系统中，大量的门电路在被混合使用着，这 些门电路主要分为t t l 类型和c m o s 类型。遵守同一逻辑电平标准的不同器件， 端口的电特性可能略有不同，即使是同一器件，在不同环境下表现出的电特性也 是不同的，所以在设计电路时，一定要具体情况具体分析。表3 1 列出了器件的 常见电特性，有些集成电路略有差别。表3 1 中，v o h 表示输出高电平的最小值； v o l 表示输出低电平的最大值。v i h 表示输入高电平的最小值；v 【l 表示输入低电 平的最大值。 表3 1c m o s 类型和t t l 类型门电路的常见电特性 l 逻辑标准g n dv c c v o h ( 最小值) v o l ( 最大值)v 【h ( 最小值)v i l ( 最大值) lc o m s 0 v5 v35 v0 4 vo7 v c co3 v c c lt t l0 v5 v24 v0 4 v2 0 v0 8 v 这样就可以得出以下结论： a 相同供电电压的t t l 器件驱动c m o s 器件时，t t l 器件的输出高电平 可能达不到c m o s 器件的输入高电平的最小值。供电电压是5 0 v 的r r l 器件 的v o h 是2 4 v ，供电电压是5 0 v 的c m o s 器件的v i h 是o 7 v c c ( 3 5 v ) 。为了 可靠地传输数据，可以将t t l 器件的输出端上拉。有些c m o s 工艺制造的器件 兼容t t l 电平，这样就可以与相同供电电压的t t l 器件直接接口，不需要上拉。 b 相同供电电压的c m o s 器件驱动t t l 器件，电平匹配，数据能可靠地 传输。 1 4 南京肮空航大大学硕十学位论文 3 1 4 噪声容限 噪声容限又称抗扰度，是数字集成电路的重要抗干扰性能指标。噪声容限分 为低电平噪声容限u n l 和高电平噪声容限u n h ，其数值越大越好”。总体说来， c m o s 电路与t t l 电路相比，噪声容限较宽，具有更高的抗干扰能力。 3 2 电源电路设计 电源是整个系统的心脏，电源的好坏直接影响着整个系统能否安全、正常、 可靠地运行。对于不同的系统和不同的工作场合，所需要的电源种类和对电源的 输入和输出指标都有着不同的要求。有些地方只能使用线性稳压器，不能使用开 关稳压器；有些地方只能使用开关稳压器，而不能使用线性稳压器：有些地方必 须将开关稳压器和线性稳压器混合使用。这些对电源有着不同需要的场合，又有 输出固定式、输出降压式、输出升压式、输出扩流式和输出极性反转式等不同的 要求。 微机系统中的各个单元都需要直流电源供电。一般是由市电电网的交流电经 过变压、整流、滤波、稳压后向系统提供直流电源。在本治疗仪中，需要+ 1 8 v 、 一1 8 v 、+ 5 v 的电压，其中+ 1 8 v 和一1 8 v 给功率放大电路提供电源。+ 5 v 作a t 8 9 c 5 1 、 a d 0 8 0 4 、d a c 0 8 3 2 等芯片的电源。另外还需要2 1 5 v 作为l c d 的背光电压。 + 1 8 v 、- 1 8 v 、+ 5 v 的电压由线性电源提供，而2 1 5 v 则由+ 5 v 通过d c d c 转变 得来。 对于开关电源有着如下优点”： a 功耗小，效率高。在开关电源中，功率半导体器件作为开关元件，在激 励信号的激励下，它交替地工作在导通一截止和截止一导通的开关状态，转换速 度很快，频率一般为5 0 k h z 左右，在一些技术先进的国家，可以做到几百或者近 1 0 0 0 k h z 。这使得功率半导体器件的功耗很小，电源的效率可以大幅度地提高， 其效率可达到8 0 。 b 体积小，重量轻。在开关电源中没有采用笨重的工频变压器。由于开关 元件上的耗散功率大幅度降低后，又省去了较大的散热片。由于这两方面原因， 所以开关稳压电源的体积小，重量轻。 c 稳压范围宽。从开关稳压电源的输出电压是由激励信号的占空比来调节 的，输入信号电压的变化可以通过调频或调宽来进行补偿，这样，在工频电网电 压变化较大时，它仍能够保证有较稳定的输出电压。所以开关电源的稳压范围很 宽，稳压效果很好。此外，改变占空比的方法有脉宽调制型和频率调制型两种。 这样，开关稳压电源不仅具有稳压范围宽的优点，而且实现稳压的方法也较多， 设计人员可以根据实际应用的要求，灵活地选用各种类型的开关稳压电源。 智能仿生物电游疗仪优化设计研究 但是除了上述优点外，丌关电源还有着它的不可克服的缺点： 开关电源的突出缺点是产生较强的电磁干扰( e m i ) 。开关稳压电源中，功 率调整开关晶体管工作在开关状态，它产生的交流电压和电流通过电路中的其他 元器件产生尖峰干扰和谐振干扰，这些干扰如果不采取一定的措施进行抑制、消 除和屏蔽，就会严重地影响整机的正常工作。此外由于开关稳压电源振荡器没有 工频变压器的隔离，这些干扰就会串入工频电网，使附近的其他电子仪器、设备 和家用电器受到严重的干扰。随着电子产品的电磁兼容性( e m c ) 日益受到重 视，抑制开关电源的e m i ，提高电子产品的质量，使之符合有关e m c 标准或规范， 已成为电子产品设计者越来越关注的问题。 目前，由于国内微电予技术、阻容器件生产技术以及磁性材料技术与一些技 术先进国家还有一定的差距，因而造价不能进一步降低，也影响到可靠性的进一 步提高。开关稳压电源虽然有了一定的发展，但在实际应用中也还存在一些问题， 不能十分令人满意。这暴露出开关稳压电源的又一个缺点，那就是电路结构复杂， 故障率高，维修麻烦。对此，如果设计者和制造者不予以充分重视，则它将直接 影响到开关稳压电源的推广应用。当今，开关稳压电源推广应用比较困难的主要 原因就是它的制作技术难度大、维修麻烦和造价成本较高。相对于开关电源的上 述缺点，而线性电源成本低、噪声低且结构简单。对于本治疗仪，主要是考虑到 成本问题，使用开关电源比使用线性电源在成本上要高2 3 倍，故在本治疗仪中 选用了线性电源作为工作电源。 由三端集成稳压器组成的串联型直流稳压电源，因为输出电路元件少，接线 简单，获得了广泛的应用。在本治疗仪中的电源就采用此电路。 1 6 南京航空航天人学硕士学位论文 图3 2 电源电路原理图 由电路图可知，在整流之后虽然采用了大容量的电解电容，但是对于来自电 源侧的高频干扰不能滤除。这是因为电解电容是卷绕结构，芯子本身就相当于一 个多圈的线圈，加上极板和引箔面积较大，因而存在一定的电感量，对高频信号 存在一定的感抗。频率越高，感抗越大。同时电容器都有引线、接头和极片，这 些也存在一定的电阻。电阻和电感在低频情况下影响较小，可以忽略。但是对于 高频干扰信号，由于l 较大和趋肤效应的增大，电阻和电感的影响就不能忽视。 在高频下的电解电容相当于图3 3 所示的等效电路。这是一个由l 、c 、r 组成 的串联谐振回路。而且由于电解电容的容量大，它的谐振频率f 0 较低，因而对高 频呈现电感性。 图3 3 电解电容在高频下的等效电路 由于电解电容在高频下工作存在着不可忽视的电感特性，因此高频干扰不 能被滤掉。因此在电解电容后必须加一个高频电容。高频电容可以改善纹波，改 善负载端的瞬态响应，同时可以抑制瞬变噪声干扰。 此外，稳压器的容量和调整范围也应该留有充足的裕量。当电网中出现大 电感负载启动时，由于电流过大可能造成较大的压降，稳压器的输入、输出电压 7 哿能仿生物电治疗仪优化设计研究 差应该大一些，一股3 v 。因此，在本治疗仪中变压器的两组抽头的输出电压 分别为8 7 v a c 和士2 0 v a c 。 3 1 3 复位电路设计 任何微机都是通过可靠复位之后才可有序执行应用程序。同时，复位电路也 是容易受噪声干扰的敏感部位之一”。因此，复位电路设计要求：其一要保证整 个系统可靠复位，其二要有定的抗干扰能力。 3 3 1 复位电路r c 参数的选择 复位电路应该具有上电复位和人工复位功能。对于a t 8 9 c 5 5 w d 单片机而 言，复位脉冲的高电平宽度必须大于2 个机器周期，若系统选用6 m h z 晶振，则 一个机器周期为2 9 s ，那么复位脉冲宽度最小应为4 9 s 。在实际应用系统中，考 虑到电源的上升时间，参数漂移，晶振起振的时间以及复位的可靠性等因素，必 须留有足够的余量。而晶振起振的时间和晶振频率有关，1 0 m h z 时约为l m s ， 1 m h z 时约为1 0 m s 。实践证明，按下复位键瞬间r c 电路充电，r e s e t 引脚出 现正脉冲，只要r e s e t 端保持2 0 m s 以上的高电平，就能使单片机可靠复位。 由a = r 8 9 c 5 5 w d 的数据手册可知，能使a t 8 9 c 5 5 w d 复位的最低电平是0 7 v c c 。 幽3 4 夏位电路原理圈 这样由公式 酞。r = 5 x e 喘 计算可知，电容c 1 的合适容值应该在2 0 9 f 左右，此时按下复位键a t 8 9 c s 5 w d 单片机能够可靠复位。所以电容c 1 选择为2 2 9 f ，当电容c 1 选择为1 0 9 f 时 a t 8 9 c 5 5 、d 单片机不能可靠复位。在实验中同样证明了这个结论的正确性。 3 3 2 i 0 接口芯片的延时复位 在单片机的应用系统中，除单片机本身需要复位以外，外部扩展的i o 接口 芯片( 如8 2 5 5 、8 2 7 9 等) 也需要复位，因此需要一个系统的同步复位信号。即 单片机复位后，c p u 开始工作时，外部的电路一定要复位好，以保证c p u 有效 地对外部电路进行初始化编程。i o 接口芯片的复位端1 3 与单片机的复位端v i 往 往连在一起，接口芯片由于生产厂家不同复位时间也稍有不同：复位线较长而有 南京航空航天大学硕十学位论文 较大的分布电容，导致这些接口的复位过程滞后于单片机。实践汪明，当单片机 复位结束立即对这些i o 芯片进行初始化操作时，往往导致操作失败。因此当单 片机进入0 0 0 0 h 地址后，首先要执行1 1 0 m s 的软件延时，然后才能对这些i o 芯片进行初始化( 写入控制字和其他参数) 。 在本治疗仪中，液晶显示控制器s e d l 3 3 5 的复位信号为低电平复位。在实 验期间，液晶显示部分的复位电路和单片机的复位电路是共用的复位脉冲通过 非门反相后接到液晶显示控制器s e d l 3 3 5 的复位端。这样常常造成a t 8 9 c 5 5 w d 单片机和液晶显示控制器s e d l 3 3 5 不能同时可靠复位。于是后来将液晶显示控 制器s e d l 3 3 5 的复位信号用单片机的个i o 端来模拟，这样液晶显示控制器 s e d l 3 3 5 的复位就由软件控制，复位信号的持续时间也可以由软件任意调整， 从而保证了整个系统的可靠复位。 3 4 仿生物电波形产生电路 生物电信号频率较低且不规则，在波形上有时变化极迅速，表现为垂直上升 或下降，有时又变化极其缓慢，表现为略微起伏的波动甚至电平根本就不变化， 但是生物电所产生的基本波型还是为方波脉冲群。在此基础上，治疗仪采用数字 频率合成技术，产生特定适用的仿生物电。数字频率合成的硬件原理如图3 5 所 示。 在此电路中，a t 8 9 c 5 5 w d 单片机的p l 口中的p t o 、p i l 、p 【2 、p l3 为四个 频率控制输出端，p 1o 、p l l 、p i2 、p l3 各个管脚的输出分别通过4 个电阻( 阻值 为1 0 k q ) ，然后连接到一个比较器( 比较器为四运放的放大器，即l m 3 3 9 ) 上， 其作用是为了保证输出电压维持在5 v ，不要低于5 v 。因为比较电压是在2 5 v ， 只要是大于2 5 v 的电压都会被认为高电平，提高到5 v ；而小于2 5 v 的电压都 会被认为低电平，降为0 v 。经过比较器后，4 个频率控制端在5 v 左右，对两个 光耦进行导通截止的控制。光耦特性简单的说，输入端导通，输出端就导通，反 之亦然。 此时，在调试中值得注意的地方是，l m 3 3 9 是集电极开路( o c 门) 输出， 这种