（交通信息工程及控制专业论文）基于DDS的智能脑电治疗仪的系统设计.pdf

南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 电刺微小脑顶核( f n ) 可以增加局部脑血流量( r c b f ) ，缩小梗塞体积，而不伴随脑代谢率 的改善，提示对脑缺血可能有益。基于直接数字频率合成技术的智能脑电治疗仪应用国内国际上 最新科研成果，采用直接数字频率合成技术，实现安全、有效的治疗，通过粘贴于体表的电极， 无创引入小脑顶核，从而改善脑供血状态和神经传导失调失络症状，增加大脑血流量，减少半影 区坏死神经元数目，减轻脑水肿，是终达到改善脑循环功能的作用。 本文提出了一种设计智能脑电治疗仪的系统方案，以a t 8 9 c 5 5 为核心控制模块，辅以d a 、 a d 成为全反馈闭环系统，使用液晶显示器为终端显示设备，实现数字合成动态负载恒流输出。 本文首先介绍系统的总体结构，并详细阐述了各个主要功能模块的工作原理、软件设计思想等， 最后给出了系统的设计结果。 关键字：直接数字频率合成，小脑顶核，a t 8 9 c 5 5 单片机电刺激 基丁二d d s 的智能脑电治疗仪的系统设计 a b s t r a c t e l e c t r i c i t ys t i m u l a t e sc e r e b r a lf a s t i g i a ln u c l e u st oi n c r e a s er e g i o n a lc e r e b r a lb l o o d f l o w ( r c b f ) a n dn a r r o w st h ev o l u m eo fb l o c k i n gu pw i t h o u tf o l l o w i n gb r a i nm e t a b o l i c r a t e ，t h e r e f o r ei t sf u n c t i o no nl a c ko fb r a i nb l o o dm a yb eh e l p f u l t h ec i r c u l a t i o nf u n c t i o n t h e r a p e u t i ci n s t r u m e n to f b r a i nb a s e do nd i r e c td i g i t a ls y n t h e s i s ( d d s ) t e c h n o l o g yu s e st h e d o m e s t i cn e w e s ts c i e n t i f i c f i n d i n g sa n do t h e r si nf o r e i g nc o u n t r i e s a d o p t i n gt h ed d s t e c h n o l o g yd i r e c t l y ，i tp r o d u c e st h es a f e ，v a l i dt r e a t m e n t t h r o u g hp a s t i n gh e a r te l e c t r i c e l e c t r o d eo nb o d ys u r f a c e ，i ti n t r o d u c e se l e c t r i cc u r r e n tt oc e r e b r a lf 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 no r d e rt oi m p r o v et h es t a t eo fb r a i nb l o o ds u p p l ya n dn e r v ec o n d u c t e d a n ds o m e t h i n go fl a c k i n gp r o p e rc a r et ol o s et h es y m p t o mo fc o o r d i n a t i n gw i t han e t ， i n c r e a s ec e r e b r a lb l o o df l o w , r e d u c ed o w n r i g h tb a dn e u r o nf i g u r e d i s t r i c to fp e n u m b r a 1 i g h t e n b r a i n p e r i n e m o t o m a c o n s e q u e n t l y i t i m p r o v e s b r a i nc i r c u l a t i o nf u n c t i o no f f u n c t i o n as y s t e m d e s i g n o ft h ec i r c u l a t i o nf u n c t i o n t h e r a p e u t i c i n s t r u m e n to fb r a i ni s p r e s e n t e di nt h i sp a p e r a ni n t e g r a t e dp r o t o t y p ei sc o m p o s e do fa t 8 9 c 5 5 u s e da ss y s t e m c o n t r o l l i n gm o d u l ea n da d ，d ac o n v e r t o ra n dl i q u i dc r y s t a ld i s p l a yd e v i c eu s e da sa t e r m i n a ld i s p l a ym o d u l et or e a l i z et h eo u t p u to fd y n a m i cl o a da n d p e r m a n e n t f l o w t h r o u g h d i g i t a ls y n t h e s i s t h i sp a p e rd i s c u s s e st h ew h o l es t r u c t u r eo fs y s t e m ，a n dp r e s e n ti nd e t a i l t h ew o r k i n g p r i n c i p l e ，i d e ao f t h es o f t w a r ed e s i g n ，a n d t h ee f f e c t i v e n e s so f t h e d e s i g n k e y w o r d s ：d i r e c td i g i t a ls y n t h e s i s ，f a s t i g i a ln u c l e u s ，a t 8 9 c 5 5s i n g l e c h i pc o m p u t e r ， e l e c t r i cs t i m u l a t i o n 南京航空航天大学硕士学位论文 第一章绪论 康复治疗有许多手段和方法，其中使用仪器进行康复治疗起到越来越重要的作 用。近十年来，康复仪器的发展十分迅速，用于康复及治疗的仪器不断出现，打破了 诊断仪器一统天下的局面。康复仪器可分为治疗类、助残类、训练类、检测类、专用 类等。治疗类按原理又可分为物理治疗、化学治疗、放射治疗、音乐治疗等类型。助 残类按用途又可分为肢体矫形、生活自理、个人移动、环境控制、通讯信息、盲人专 用、聋人专用等类型。训练类主要包括装有电子检测仪器的健身器械和最近发展起来 的虚拟现实健身器械及系统。专用于康复检测和评价的仪器不多，有步态分析仪等。 其中许多治疗类和检测类仪器并不是专用于康复治疗而是通用的。 利用各种物理因素如声、光、电、磁、热、力和生物反馈等作用于机体，以达到 治疗和预防疾病的方法称为物理疗法。根据不同的物理因素，物理疗法可分为电刺激 疗法、超短波疗法、超声波疗法、红外线疗法、紫外线疗法、激光疗法、磁疗法、热 疗法、冷冻疗法等。各种物理因子对机体的所产生的治疗作用是多种多样的，总的说 来它具有治癌、消炎、镇痛等疗效，是治疗疾病恢复人体功能的种良好手段，但其 治疗机理还有待进一步研究。 1 1 智能脑电治疗仪技术综述及研制背景 应用t e n s ( t r a n s c u t a n e o u se l e c t r i c a ln e r v es t i m u l a t i o n ) 疗法原理，使用恒流或 恒压、一定频率的波形施加于人体肌肉组织，在人体肌肉组织中产生电阻性发热、神 经肌肉的电兴奋及其他生化反应，从而具有解痉镇痛、消炎、改善血液循环等疗效。 此类仪器根据其电原理又分为许多种类型，有直流电离子导入治疗仪、低频电刺 激治疗仪、中频电刺激治疗仪、高频电刺激治疗仪、温热脉冲电流刺激治疗仪、差频 电疗仪、电针灸治疗仪等。 为了适应人体的各生理部位，以及人体的个体差异和病症不同等特点，电刺激信 号的频率、脉宽、幅度均设计成有较广泛的调节范围。为了避免人体组织对电刺激的 生理适应性反应，电刺激信号的波形也设计成各种各样，有脉冲波、尖峰波、三角波、 锯齿波、正弦波等，并有多种疗程选择。 低频电刺激频率范围为0 l k h z ，中频范围为l k l o o k h z ，高于l o o k h z 属高频范 围。现在电刺激频率向中高频发展，因为中高频使入体容抗减少，治疗电流量增加， 不适感减小但由于中频电流的周期性会使人产生适应性，所以有人设计出随机中频 电刺激治疗仪。电针灸治疗仪是根据中医针灸原理结合电刺激的治疗仪器，它产生频 率为几十至几百h z 的双向脉冲波，通过针电极刺激人体穴位。有人还研制出专用的 基于d d s 的智能脑电治疗仪的系统设计 ( 如专治哮喘病) 电针灸治疗仪。 此类仪器早期大都采用电子线路控制，功能比较单一。现在一般采用单片机控制， 功能较多，不但有多档参数选择，而且有刺激参数显示。有的仪器还做成治疗诊断两 用型的，即不但可用来电刺激治疗，而且具有强度一时间曲线检查和时值测定等诊断 功能。 功能电刺激( f u n c t i o n a le l e c t r i c a ls t i m u l a t i o n ，f e s ) 技术是随着现代电子技术、 计算机技术和生物材料技术的发展而发展起来的一种新的康复训练方法，能为截瘫和 偏瘫患者的肌肉功能重建和锻炼提供有效手段。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。目前国内已研制出功能 电刺激助行器和研究用的f e s 闭环系统，有人还研究采用功能电刺激治疗脑中风。 而市面上常见的电脉冲针灸治疗仪或理疗仪，其输出的脉冲刺激大部分为等幅脉 冲波，由于刺激强度无变化或变化少，作用于人体易产生适应性，强的刺激则易产生 烧灼刺激感。而使用低频锯齿波、正弦波、三角波来作为调制的脉冲，此种输出波形 对人体神经系统适应度较大，是最理想的输出治疗波形。刺激电压的幅度在一3 6 v 3 6 v 之间。本文提出了一个用单片机产生变幅调频脉冲波的方法，使脉冲锯齿波、脉 冲三角波、脉冲指数波及脉冲正弦波等脉冲波形的产生实现可编程。 1 2 脑电治疗的医学机理 近年来国外研究证明，电刺激小脑项核可以改善大脑循环，其作用机理可能与脑 血管的自动调节有关，而影响调节的因素可能是脑内存在一条从小脑顶核( f n ) 到 大脑皮质的固有神经通路，主要通过脑干网状结构和纹状体到大脑的血管舒张中枢， f n 受到刺激后，脑血管扩张，局部脑血流( r c b f ) 增加并可能与电刺激后乙酰胆碱 能神经递质释放有关。动物实验证实，仅有小脑f n 具有调节和扩张血管的功能，电 刺激小脑皮质和小脑齿状核均未见r c b f 的增加。局部脑缺血可分为中心区和周边区。 周边区又称为半影区，其流量往往介于功能损害住和形态损害性缺血阀之间。缺血中 心区由于供血动脉阻塞，中断血液供给，治疗药物也难以到达。如短时间内不能去除 阻塞，神经细胞的死亡在所难免。半影区可以从非阻塞动脉得到部分血液供给，神经 元的功能受损，但其形态结构尚完整，只要轻度增加该区血流量，超过功能性损伤阀 值，就有可能恢复其功能。此外，药物也能随血液流入半影区，起治疗作用。半影区 坏死神经元的数目及其所占总体神经元的比例是评价半影区缺血损害程度的客观指 2 南京航空航天大学硕士学位论文 标之一。实验研究发现，电刺激f n 可以明显减少半影区死亡神经元数目，使比例下 降，缩小梗塞体积，减轻脑水肿而不伴有脑代谢的改变。通过减少诱生型一氧化氮酶 m r n a 的表达对局部缺血后的大脑起到保护作用。电刺激f n 对实验性脑缺血的神经 元有明确的保护作用。但其作用机理尚不清楚，可能与以下假说有关。 1 2 1 血管扩张学说 电刺激f n 的脑保护作用主要是通过增加缺血区及半影区r c b f 来实现的。但增 加r c b f 的机理未明。多数人认为，与脑血管扩张、阻塞的毛细管开放、改善微循环 有关。小脑f n 可能通过一条特殊传导通路与大脑皮层相联系。如小脑f n 一丘脑一 纹状体系统一大脑皮层，或小脑f n 一脑千网状结构一纹状体系统一大脑皮层，作用 于脑血管自动调节中枢。此外，d e l b o 提出电刺激f n 可抑制血管收缩的活性物质释 放，如加压素、肾上腺素和儿茶酚胺等。这样使血管收缩作用减弱，扩张作用增强， 导致脑血管扩张，毛细血管通畅，微循环得到改善，使梗塞区及半影区的r c b f 增加， 从而缓解缺血性脑损害。动物实验证实，仅有小脑f n 具有调节和扩张血管的功能， 电刺激小脑皮层和小脑齿状核均未见r c b f 的增强。 1 2 2 神经递质假说 a m e r i c 提出电刺激f n 增加r c b f ，改善缺血性脑损害的作用机理是脑血管扩张， 神经递质释放的结果。这些神经递质主要包括乙酰胆碱( a c h ) 和去甲肾上腺素( n a ) 。 但也有不同意见，认为电刺激f n 后a c h 和n a 的含量不变。实验也证实用阿托品抑 制a c h 的释放和切断颈段脊髓、颈交感神经及面神经，以阻断n a 的作用，但电刺激 f n 后r c b f 仍明显增加。提示与a c h 和n a 无关。此外，是否与其它扩张血管的递 质，如5 - h t 、血管活性肠肽、降钙素基因相关肽及一氧化氮( n o ) 有关还有待进一 步研究。 1 2 3 白细胞流变学的改变 脑缺血后可以引起血液流变学的改变。而目前对白细胞流变学的改变，越来越受 到重视。白细胞在缺血、缺氧及代谢产物的作用下，活性增强，变形能力减弱，粘附 聚集作用增强，发生流变学改变。并在毛细血管内的数目增多，流速减慢，甚至形成 细胞拴子，加重局部脑缺血。而浸润到梗塞灶及其周围的自细胞可释放各种酶类、花 生四烯酸代谢产物、血小板活化因子( p a f ) 及自由基等，介导和直接损伤缺血区及 周围区脑组织，加重缺血性脑损害。电刺激f n 可因血管扩张，r c b f 增加，微循环 3 基于d d s 的智能脑电治疗仪的系统设计 改善而使毛细血管内的白细胞粘附聚集减轻，毛细血管内白细胞数目减少。通过速度 加快，使微循环通畅，侧支循环建立，梗塞区及周围缺血得到改善。此外，浸润到梗 塞灶内的白细胞减少，减轻对脑缺血区及其周围区脑组织的损伤。 综上所述，电刺激f n 通过脑血管扩张，神经递质释放，以及白细胞流变学改善 等可能机理，使r c b f 增加，脑梗塞体积缩小，缺血区白细胞浸润减轻，半影区坏死 神经元数目减少等作用，可明显改善和缓解缺血性脑损害，对脑缺血神经元具有明确 的保护作用。但作用机理尚有待于进一步研究和探讨。 1 3 本课题的意义 在医学上，随着c t 、m r j 技术的不断完善和普及，脑血管疾病的形态学诊断已 有了突破性进展。如何在得知形态学改变的基础上，进一步了解脑血管功能变化，已 成为国际上的研究新热点，倍受重视。脑循环功能治疗仪是一种小脑顶核区电刺激治 疗仪( 非药物性疗) ，脑循环功能治疗仪的核心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 贴于两耳侧乳突的电极贴片，无创伤引入小脑顶核，对人的脑部进行电刺激治疗，其 技术是世界领先的。脑循环功能治疗仪的主要功能是：显著增加脑部血流量，保护神 经细胞，促进神经控制功能恢复。主要用于脑供血不足、脑梗塞、脑出血恢复期，脑 外伤后遗症、偏头痛等脑部疾病的预防和治疗。 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。 脑循环功能治疗仪是新一代电刺激治疗设备，该仪器应用数字频率合成仿生物电 技术通过无创伤电刺激小脑顶核区( f n ) ，启动固有神经保护机制，改善脑部供血系 统，加速修复脑损伤，是简易型脑血管病治疗和保健设备。 本仪器可用于治疗脑缺血及与之相关的疾病，适用于中风康复，中风预防，头疼， 头晕，失眠及其他脑血管疾病，对劳累过度和用脑过度处于亚健康状态的人群具有显 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。 4 南京航空航天大学硕士学位论文 第二章仪器设计参数 电源：2 2 0 v5 0 h z功率：1 0 w 电流：数字合成动态负载恒流输出特性 频率范围：o 1 0 k h z 输出最大电流峰值：主电极( m 型) 主1 0 m a 辅电极( m 型) 三3 0 m a 2 1 外形结构 图2 - l 智能脑电治疗仪的仪器正面图 ll c d 液晶显示屏 2数显窗口参数递增钮 3数显窗口参数递减钮4数显窗口上切换钮 5数显窗口下切换钮 6工作方式切换钮 7准备启动钮 8系统复位钮 9电源开关治疗0输出线插座 2 2 开关按钮的使用 ( 1 ) 电源开关( p o w e r ) 每次使用时开启，使开关钮处于i 状态；结束时关闭，使开关处于0 状态。 ( 2 ) 准备，启动钮( s t a n d b y s t a r t ) 仪器处于准备状态( s t a n d b y ) ，进行治疗前的准备工作与全部参数的设置，准 基于d d s 的智能脑电治疗仪的系统设计 备完毕后按该按钮，仪器输出启动，处于治疗状态( s t a r t ) 。在启动状态按该 钮，仪器关闭输出，又切换到准备状态。 附注：电源开启时自动处于准备状态( 包括电源掉电自行复通时) 。 ( 3 ) 数显窗口上切换钮( f ) 按该钮实现当前操作数显窗口位置的上移，当前操作位置的指示字反相显示。 ( 4 ) 数显窗口下切换钮( 1 ) 按该钮实现当前操作数显窗口位置的下移，显示同2 3 。 ( 5 ) 数显窗口参数递增钮( 一) 按该钮实现数显窗口参数的递增。每按一次参数增加l ，持续按住则连续递增， 以便较迅速地达到所需参数值。 ( 6 ) 数显窗口参数递增钮( 一) 按该钮实现数显窗口参数的递减。持续按钮的效果类似2 5 。 ( 7 ) 模式显示( m o d e ) 目前有l 、2 、3 ( 3 种) 固定模式，差别在输出电流的波形与频率。 ( 8 ) 比率显示( r a t e ) 比率为辅助治疗组与治疗组( 见3 1 ) 的强度之比，调节范围为0 5 - - 3 0 ，即辅助 治疗组的强度时治疗组的o 5 倍至3 0 倍范围内可调节，调节步长为0 1 。 ( 9 ) 强度显示( i n t e n s i t y ) 强度可调范围：0 1 2 7 ，用表示。数值越大强度越高。 ( 1 0 ) 频率显示( f r e q u e n c y ) 频率可调范围：0 2 5 5 ，用表示。数值越大频率越高，但非直接简单与频率 对应。 n p 时间显示( t i m e ) 时间显示为一个可设置的治疗时间计时器，用“分钟”( “m ”m i n u t e ) 为计时单 位，时间可调范围：0 6 0 ，按所需治疗时间设定。启动后采用倒计时方式计 时，所显示为剩余的治疗时间。当到达时间为0 时，首先由蜂鸣器呼叫提醒，随 后自动结束启动状态进入准备状态。同时，时间显示自动返回原设置值，以方便 重复同样的治疗过程。 2 3 附件的使用 ( 1 ) 输出线： 输出线由母线与接长线构成，母线插于仪器插座0 ，接长线接插与母线的末端， 接长线末端为夹持器，治疗时夹于粘贴电极的钮扣上。夹持器按颜色分组，黄、 绿为一组( 治疗用) ：红、白为一组( 辅助治疗用) 。其中治疗组放置在两耳后乳 6 南京航空航天大学硕士学位论文 突部位，辅助治疗组根据治疗需要可放置于躯干、四肢等各种治疗部位。 ( 2 ) 治疗贴片电极： 采用随弃式心电监护体表粘贴电极。在选择替代品种时应注意与输出线夹持器适 配。 2 4 一般操作 ( 1 ) 操作步骤： 打开电源后，仪器即处于准备状态，使用钮完成全部治疗参数的设置。 将贴片各1 粘贴于双侧耳背乳突处，将黄、绿夹头( 治疗组) 固联于贴片金属钮 上，按钮即进入治疗过程，计时器显示退计时至。时自动切换回准备状态，完 成治疗。 辅助组也可同时施用于肢体躯干的需要治疗部位) 。 ( 2 ) 治疗过程中的参数调节： 在治疗过程中，为了适合病人的需要，可以按2 3 ，2 4 ，2 5 ，2 _ 6 ，2 ，8 的方式调 节强度、比率、频率、时间，但模式不可以调节。 ( 3 ) 治疗过程中间的终止或暂停： 如在治疗过程中需要终止或暂停治疗，只需按钮至准备状态即可实现。计时时 间显示提留在原计时达到的数值。 举例：初始时间设置为3 0 ，当治疗到剩余1 2 分钟时停止治疗，这时时间显示仍 为1 2 。 ( 4 ) 暂停的恢复： 如要在上述4 _ 3 情况下恢复治疗，只需按钮重新迸行即可，继续剩余时间的治 疗。 ( 5 ) 终止后重新按原设置方式治疗： 如要在上述43 情况下重新按原设置方式进行治疗，重新设置时间( 模式、比率、 强度、频率等如需改变，亦可重新设置) ，设置完毕后按钮即可进行。 2 5 连续治疗方式与夜间治疗方式 该两种治疗方式提供了两种特定的治疗方式，连续治疗方式与夜间治疗方式可给 病人以更大的疗效，弥补其他治疗措施的不连续与夜间缺治的不足。在进入这两种方 式的第一次治疗时间是可以按正常设置的。 例如：治疗时间设置为3 0 ，同时进入连续治疗方式，然后再按启动，则治疗完 成3 0 分钟后即刻进入4 5 分钟过渡期和1 5 分钟治疗期的循环。 ( 1 ) 普通治疗方式、连续治疗方式及夜间治疗方式的设置与转换关系： 7 基于d d s 的智能脑电治疗仪的系统设计 按钮一次即进入连续治疗方式；如再按钮一次即进入夜间治疗方式；再同样 操作一次即回复到普通治疗方式。 连续治疗方式及夜间治疗方式可在任何时间进行设置。 ( 2 ) 连续治疗方式： 按( 1 ) 进入连续治疗方式，此时以1 小时为一个循环单位反复进行。每个循环中， 4 5 分钟处于轻度过渡期，仅输出设景强度的1 4 左右，1 5 分钟处于治疗期，按原 置强度输出。 连续治疗方式的标志：在进入连续治疗方式后，l c d 上的“普通方式”变为“连 续方式”。 ( 3 ) 夜间治疗方式： 夜间治疗方式适用于需要在睡眠中进行治疗的病人。其方式与连续治疗方式相 似。唯一不同的是以2 小时为一个循环单位，其中治疗期为2 0 分钟，过渡期为 1 0 0 分钟。 连续治疗方式的标志：在进入连续治疗方式后，l c d 上的“普通方式”变为“夜 间方式”。 在夜间治疗方式中，为了不致于干扰正常睡眠，应将频率适当调离敏感点或将强 度适当减小。 2 6 治疗参数的设置 经临床使用经验发现，不同的模式、频率、强度、时间对治疗效果有直接影响。 ( 1 ) 频率对病人的影响： 在频率较低时，对病人的刺激感较强。随着频率的增高，刺激感逐步减弱：但在 较高频率时，由于个体差异，会有几个频率段范围的刺激感较强。经临床对比治 疗试验，发现较高频率的治疗效果比较低频率的治疗效果较显著，故建议用较高 的频率对病人进行治疗。 ( 2 ) 强度对病人的影响： 由于个体差异，每个人对刺激强度感受不尽相同。一般正常人可承受的强度范围 在6 0 左右，在对病人治疗时通常以病人的自我感受为准，对无法表达感受的病 人一般设置强度为8 0 1 1 0 即可。临床经验表明，只要病人能够承受较高强 度，还是以较高强度进行治疗为好。 ( 3 ) 时间对病人的影响： 根据不同的病人，病情严重程度等情况，因人而异，一般为每次治疗时间为3 0 4 0 分钟，每日一至二次，治疗周期五至十天。同时发现每日二次的治疗效果要比 每日一次的治疗效果明显。 南京航空航天大学硕士学位论文 第三章脑电治疗仪的总体设计 3 1 d d s 技术原理 直接数字频率合成技术的基本原理是，将波形在采样点的数字值依次通过d a 转换器转换为模拟量输出。其基本环节由计数器、存储器、d a 转换器和滤波器等 组成。下面以正弦波的形成为例来说明数字波形合成的基本原理。 对于一个标准的正弦信号： “( f ) = s i n 2 n f o ，= s i n o ，= s i n o ( t ) ( 1 ) 它的相位是时间的线性函数，即： o ( t ) = 彩。f = 2 g r ( 2 ) 相位函数对时间的导数是常数 掣氇= z 矾 ( 3 ) 它就是信号的频率。对( 1 ) 式信号进行采样，采样周期为疋( 即采样频率正= 1 疋) ， 则可得到离散的波形序列： “( 行) = s i n ( e n f o ”t ) ( n = o ，1 ，2 ，) ( 4 ) 离散的相位序列为： 0 ( h ) = 2 矾 疋= a o n ( n 2 0 ，1 ，2 ，) ( 5 ) 式中a o = 2 巧t = 2 r c f o f 。是连续两次采样之间的相位增量。根据采样定理，只 要f o i l 7 1w = o ： 循环完8 个数据后再回到首数据 3 0 南京航空航天大学硕士学位论文 这里的e 【w 】= 0 x 0 7 ，0 x o e ，0 x o b ，o x o e ，0 x o b ，0 x o d ，o x 0 7 ，0 x o d ) ； 当然也可以对p 1 口的p l4 、p l5 、p 16 、p l7 各个管脚单独操作输出，不过这样可能造 成各个管脚输出的信号不能同步( 因为指令执行是需要时间的，大概需要十几个u s ) ， 这样就会造成p l4 、p i5 、p l6 、p l7 各个管脚输出不同步，可能会造成频率无法很好地 调整。 p l4 、p l5 、p i6 、p l7 各个管脚的输出分别通过4 个电阻( 阻值= 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25 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 。 电路图如图5 2 所示。 图5 - 2 电压比较稳压电路 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。如图5 - 3 所示。 t l p 5 2 1 4 ie 一，o oe 。 图5 - 3 光耦t l p 5 2 1 - - 4 的引脚及结构图 当d 1 i n 端的电压比d 1 0 u t 端的电压高，这时光耦输入端导通，则光祸的输出端t l i n 和t 1 0 u t 可以近似为同一电压。通过光耦的应用，在输出端加上5 v 电压，而在输 3 l 基丁d d s 的智能脑电治疗仪的系统设计 出端加上1 8 v 电压，达到用5 v 电压控制1 8 v 电压的输出，另外保证各部分的工作 独立性。 5 2l c d 液晶显示模块 5 2 1s e d l 3 3 5 的软件特性 s e d l 3 3 5 的软件功能非常强。一共有1 4 条指令且多数指令都带有若干个参数。 参数值有使用者根据所控制的液晶显示模块的特性和显示内容的需要而设置。指令一 览表如表5 - 2 所示： 表5 - 2 指令一览表 指令名称指令代码操作码a 0w r r d 参数量 初始化设置s y s t e ms e t4 0 hi 00 l8 显示域设置s c r o l l4 4 hi 00 11 0 体闲模式设置s l e e p i n5 3 h l0 l 显示状态设置d i s po n o f f5 9 5 8 hi 0o ll 显示合成设置 o v l a y5 b hi 00 11 点位移设置h d o ts c r5 a hi 0 01l 光标形状设置c s r r f o r m 5 d hi 0012 c g r a m 首址设置c g 队m a d r 5 c hl ，0012 光标移动方向设置c s r d i r 4 c 4 f h101 光标指针设置 c s r w4 6 hi 00 l2 读取光标指针 c s r r4 7 hlo ，li 0 2 数据写入设置 m w r j t e4 2 hi 00 l若十 数据读取设置 m r e a d4 3 h l0 li 0若干 读状态位 r e a df l u g0 l0 初始化设置s y e t e ms e t 该指令为s e d l 3 3 5 的初始化而配置的。它规定了s e d l 3 3 5 工作所必需的各种参 数。该指令是计算机操作s e d l 3 3 5 控制器时首先要写入的指令。如果该指令参数的 设置不适合所要控制的液晶显示模块的特性，那么计算机就不能实现对液晶显示模块 的控制和系统所希望的显示效果。各参数的功能如下： p l ： d r辅助位移时钟周期的选择位。d r = 0 为正常运行；d r = 1 为使用辅助位移时 3 2 南京航空航天大学硕士学位论文 说明 i v 说明 w | s m 2 m 1 m o p 2 ： w f f x p 3 钟周期。通常选取d r = 0 。 在控制双屏显示时需要液晶显示模块一行像素为6 4 的整数倍，如果不是则控 制器自动通过填充数据“0 ”来凑齐6 4 位，此时就需要增加辅助位移时钟周 期。 负向字符显示时屏面边界选择位。i v = 0 为画面首行作为边界：i v = l 则无边 界。通常选取i v = 1 。 在文本显示方式下，第一行显示的字符是项天的，没有天头。所以在制作负 向字符显示时的效果就不太理想。此时使用i v 参数位在显示控制时制造出一 行空行作为天头，以达到理想的显示效果。 适配驱动系统选择位。该位将选择驱动时序信号的类型。w s = 0 为单屏结构 液晶显示驱动系统：w s = i 为双屏结构液晶显示驱动系统。 外部字符发生器的字体的选择位。m 2 = 0 为8 8 点阵字体；m 2 = 1 为8 1 6 点阵字体。 外部字符发生器c g r a m 代码区选择位。m l = o 选择c g r a m l ，字符代码 为8 0 h 9 f h ；m 1 = 1 选择c g r a m l + c g r a m 2 ，字符代码为8 0 h 9 f h 和 e o h f f h 。 字符发生器选择位。m 0 = 0 为内部字符发生器；m 0 = l 为外部字符发生器。 交流驱动波形选择位。w f = 0 为c 型驱动波形，行翻转驱动波形，交流驱动 波形输出w f 状态每1 6 行反转一次：w f - - - - - 1 为b 型驱动波形，交流驱动波 形输出w f 每一帧翻转一次。通常w f = 1 。 字符体宽度设景参数( 点列数) 。若f x 大宇实际字符体的宽度，则余出的部 分作为空点置于字符体的右侧，形成字符间距。f x 取值在o 7 范围内，代 表l 8 点y t l 字符体。 f y字符体高度设置参数( 点行数) 。若f y 大于实际字符体的高度，则余出的部 分作为空点置于字符体的下方，形成字符行距。f y 取值在0 f h 范围内， 代表1 1 6 点行字符体。 p 4 ： c ，r有效显示窗口宽度设置参数。c r 值设置了显示屏上一行显示所占显示存储 器的单元数( 字节数) 。c r 取值在0 0 h e f h 范围内，表示显示屏上一个显 示行占显示存储器单元数为l 2 4 0 个单元。 3 3 基于d d s 的智能脑电治疗仪的系统设计 p 5 ： t c r 驱动频率的时间常数。t c r 是晶振频率的f 。转换成液晶显示驱动工作频率 f r 的时间常数。它可以简单地由下式求出。 t c r 兰c r “ p 6 ： i竺l l f 扫描驱动的帧参数。l f 值设置了控制器所要控制的液晶显示驱动系统的扫 描行数，其倒数为占空比系数。当液晶显示驱动系统为单屏结构时，l f 即 为一帧的扫描行数；当液晶显示驱动系统为双屏结构时，l f 为一帧扫描行 数的二倍，此时l f 必须为偶数值。l f 取值在0 f f h 范围内，对应扫描行 为1 2 5 6 行。 p 7 ： p 8 ： a p ：在显示存储器内分配给一个显示行的单元数( 字节数) 。a p 为双字节参数， a p l 为低8 位，a p h 为高8 位。通常a p 取值为c r + 1 或大于c r 值的整数， 以方便计算各显示行的显示存储器地址。 显示域设置s c r o l l 该指令设置了四个显示区的起始地址s a d 和各区所控制的显示行数s l 。该指令 设置的参数与s y s t e ms e t 指令设置的参数结合将确定显示r a m 中的各显示区的 区域范围与有效的显示区域。定时间定量的递增或递减某区的起始地址s a d ，将产 生显示画面的平滑滚动。该指令带有十个参数。部分参数的设置是有效的，但设置的 顺序不能改变也不能省略。 s a d l显示一区首地址值，由双字节组成，为s a d l l 和s a d l h 。 s l l 显示一区所控制的显示屏上的行数。s l l 取值为0 0 h -