无线控制脑电波刺激器设计

无线脑电波刺激器的设计摘要长期以来，药物成瘾带来了严重的社会问题，寻找一种有效的“戒瘾”手段也成为医学界研究的重要课题。目前，治疗药物成瘾的方式主要为两种：药物治疗和非药物治疗。两种方法具有一定的疗效，但都存在着一些不足，应用上受到一定限制。随着脑深部电刺激器(deep brain stimulation，DBS)在运动障碍性疾病、癫痈、疼痛、精神疾病等外科治疗中的成功应用，DBS 在手术戒毒治疗中的应用议题引起了学界的广泛关注。脑深部电刺激技术具有对脑结构损伤小、并发症少、可逆等优点，然而，该技术在药物成瘾治疗中的应用仍处于实验研究阶段，为了支撑该技术在药物成瘾治疗中的实验研究，满足众多患者临床应用的强烈需求，研究设计一套可靠性高的脑深部电刺激系统也显得尤为重要。本文在查阅大量文献的基础上，分析总结了脑深部电刺激技术治疗药物成瘾的机理及发展现状;根据脑深部电刺激器的组成结构及工作原理，深入研究了DBS 设计的各项关键技术，包括供电技术、通信技术、系统控制技术等。结合DBS 微型化、低功耗的设计要求，提出了一种基于无线控制技术的 DBS 设计方案，并详细论述了方案的可行性。为满足数据通信稳定可靠的需要，设计采用低功耗短距离射频通信技术实现 DBS 系统的数据传输。整个 DBS 系统分为体外控制器和体内刺激器两大部分，论文重点分析研究体内刺激器的设计方法。根据体内刺激器设计指标，采用单片机 STC10L08XE、低功耗短距离射频通信模块 nRF24L01、双运放大电路实现压控恒流输出刺激信号的体内刺激系统的软硬件设计，并进行了相应的刺激脉冲输出、通信质量、功耗等功能测试分析。实验结果表明，刺激脉冲可调恒流输出，数据通信稳定可靠，满足设计要求。关键词：DBS ，药物成瘾，无线控制Research on the Wireless Control Deep Brain Stimulation (DBS) TechnologyAbstract:Drug addiction has become a big social problem for a long history.To find an effective solution for the drug addiction therapy has become an important research topic. Now, there are mainly two solutions for the drug addiction therapy: medicine therapy and non-medicine therapy. Both solutions were proved to be effective, but they are not so popular for the clinical applications because of some drawbacks. As a quite promising technique which has been already widely applied in the fiel7ds like physical disabled disease, falling sickness, psychoses, et al., DBS is a hot research topic for the applications in the surgery on the drug addiction.It has already been proved that DBS technique has much less brain destruction and much less syndrome and is reversible. But the application of this technique on the drug addiction therapy is still far from the clinical application. A lot of related research work is still in progress. To support the experimental research requirements on drug addiction therapy and to satisfy the clinical application, it is quite important to design a high reliability DBS system.Based on the collected documents, the principle and the development of DBS technique and its application on the drug addiction therapy are concluded in this paper. According to the system structure and the working principles, we analyzed the key technologies in the DBS system design, which includes: power supply system, communication technique, low consumption technique, system control system etc. Taking into account the micro-and low-power requirements in the applications,the DBS design scheme, which is based on wireless control technology technique, is discussed in the paper. The feasibility is also discussed in detail. Considering the high. stability and reliability during communication, low power RF communication technique is used for transmitting data in the DBS system. The total DBS system is composed of two parts: external remote control and internal stimulation part. The thesis is focused on the design of the internal stimulation system followed the system design index, we design DBS internal stimulation system which is mainly composed of STC10L08XE MCU module, nRF24L01 RF communication module, stimulation signal generator by a double TLU2404, and the related software.Keywords： DBS, drug addiction, wireless control 中北大学 2013 届毕业设计说明书第 I 页 共 II 页目录1 绪论 .11.1 本课题研究背景及意义 .11.2 DBS 设计研究现状及发展趋势 .21.3 上位机软件设计和.net 技术 .32 脑深部电刺激器(DBS)技术 .52.1 脑深部电刺激器的组成结构及工作原理 .52.2 脑深部电刺激器的设计要求 .52.3 DBS 的系统控制技术 .63 总体设计方案 .83.1 脑深部电刺激器的功能与设计要求 .83.2 无线控制 DBS 体内刺激器方案设计及可行性分析 .83.2.1 信号控制模块 .103.2.2 上位机控制模块 .104 无线控制 DBS 体内刺激器系统软硬件设计 .124.1 DBS 体内刺激器系统设计指标 .124.1.1 核心电路设计 .124.1.2 nRF24L01 射频通信电路设计 .124.2 刺激信号发生单元设计 .134.2.1 压控恒流源电路设计 .144.2.2 刺激脉冲输出程序设计 .155 实验调试与分析 .165.1 Proteus 仿真 .165.1.1 仿真各模块连接图 .165.1.2 仿真结果图 .185.2 硬件实物以及测试 .215.2.1 硬件实物图 .21中北大学 2013 届毕业设计说明书第 II 页 共 II 页5.2.2 硬件实物测试 .245.3 波形测试结果 .29结论 .32附录 .34参考文献 .80致谢 .82中北大学 2013 届毕业设计说明书第 1 页 共 90 页1 绪论1.1 本课题研究背景及意义长期以来，药物成瘾(吸毒)已成为全世界关注的严重社会问题。药物成瘾(吸毒)可以严重危害人类的身心健康，诱发违法犯罪事件的发生，危害社会治安的稳定，造成国民经济的巨大损失。目前，治疗药物成瘾的方式主要为两种：药物治疗和非药物治疗。药物治疗脱毒己基本实现，但吸毒人员或药物成瘾者脱毒后的复吸现象仍十分严重，医学界运用了药物、心理等多种治疗方法，但仍然没有解决这一难题。在药物治疗方面，美沙酮、丁丙诺啡等药物在治疗脱毒方面收到了良好效果，但在本质上它们也属于强效阿片受体激动剂。具有成瘾性，只是戒断症状弱于其它阿片类毒品，持续时间较长，且对智力功能中的记忆、注意等认知功能有一定程度的损害，复吸率较高，无法从根本上解除药物成瘾。在非药物治疗方面，人们尝试了手术切除或损毁脑内某些结构(如扣带回、额前内侧皮质)的方法，虽然能够中止患者的复吸行为，但手术破坏了脑组织结构，对情感、记忆力、性功能等损失的副作用和伦理学争论限制了这种方法的应用，也有报道采用针灸或穴位电刺激方法，但患者是否长期配合治疗以及反复复吸等原因同样限制了这种方法的应用 1。随着脑深部电刺激器(deep brain stimulation，DBS)在运动障碍性疾病、癫痈、疼痛、精神疾病等外科治疗中的成功应用，DBS 在手术戒毒治疗中的应用议题引起了学界的广泛关注。DBS 手术是通过植入刺激电极和脉冲发生器，由体外控制器调整刺激参数，对脑内特定区域进行一定脉宽、频率、时间的持续性生物电刺激来发挥作用的治疗和研究技术，该技术具有对脑结构损伤极小、并发症少、体外可调控、可逆等优点。因此，既能避免由于神经核团破坏引起的严重不可逆性并发症，又能在手术后进行无创调节以达到最佳治疗效果，且该技术的出现为研究者们在伦理学允许的范围内探索以前被认为是禁区的脑深部结构及保守疗法无效的难治性功能性脑疾病提供了可能。然而，DBS 手术在药物成瘾治疗中的应用仍处于临床研究阶段，该项手术的中北大学 2013 届毕业设计说明书第 2 页 共 83 页技术要点、适应症、安全性、有效性等方面还没有做出结论，这种手术用于外科治疗仍需进一步研究 2。为了支撑 DBS 手术在药物成瘾治疗中的实验研究，脑深部电刺激器(DBS )的设计研发也显得尤为重要。DBS 的性能优劣将直接影响实验研究结果，甚者危及实验对象的生命安全，在很大程度上也限制了 DBS 临床应用的研究进展。目前，Medtronic 等国外公司己有成型的产品，由于其功能固定，不能满足有些实验需求，且价格昂贵，很难开展疗法机理和参数优化等基础医学研究。在强烈的临床应用和基础研究需求下，国内近年开始了研制工作，但进展缓慢。因此，研究设计一套体积微小、功耗低、可靠性高和低成本的脑深部电刺激系统，一方面可以根据实验目标满足各种临床试验研究的需要，另一方面也可以为我国的脑深部电刺激器(DBS)的发展应用作出贡献，带来巨大的经济和社会效益，具有重要的理论现实意义 3。目前，本课题组与生物医学工程实验室合作，为生物医学工程实验室开展DBS 对药物成瘾治疗研究提供硬件技术支持。由于目前采用的脑深部电刺激器(DBS )存在功能单一、体外程控距离短、数据传输不稳定等不足之处，本课题根据其实验需求，重点对脑深部电刺激器(DBS)技术展开研究。采用无线控制改进设计适合于动物长期植入又能够遥测编程的脑深部电刺激器，以支撑在动物模型上研究 DBS 对药物依赖和复吸的效果和机理，同时，脑深部电刺激器的设计也可为其它疾病的治疗研究提供技术支持，具有重要的实用价值 4。1.2 DBS 设计研究现状及发展趋势随着微纳技术和生物技术的发展，上世纪 80 年代末植入式电刺激技术开始出现。早期的植入式电刺激器电路采用分立器件设计，功能简单、可靠性低，临床已经不再使用。90 年代初，植入式电刺激器电路设计开始采用 CMOS 专用集成电路以实现程控逻辑功能，目前市场上尚有部分产品沿用这种设计。其缺点是研制费用和风险大，硬件逻辑没有灵活性，而且有限的逻辑功能已无法满足现代植入式电刺激器功能发展的需要。90 年代中期以来具有多种刺激模式和遥测功能的现代植入式电刺激器设计多采用带微处理器的专用集成电路设计，即将微功耗的微处理器内核和外围的逻辑电路乃至模拟电路组成一块或数块专用集成电路，再和电容、中北大学 2013 届毕业设计说明书第 3 页 共 83 页晶振等分立元件一起组成厚膜电路。这种电路设计功能强，可靠性高，编程灵活，可满足系统功能扩展的要求。目前市场上广泛使用的 Medtronic 公司的 Synergy镇痛治疗系统、深部脑刺激系统和各种电子耳蜗助听系统都属于这类设计 5。近几年来，随着微电子技术和微纳技术高速发展，集成电路的特征尺寸己进入 0.1um 左右的深亚微米阶段，电路的规模从超大规模(VLSI)发展到了芯片系统(soc)相应地植入式电刺激器的设计也开始朝着以 SOC 为核心，实现信号检测处理电路和电刺激电路混合集成或单片集成的方向发展。这种基于 SOC 的设计将使植入式电刺激系统具有更小的体积、更低的功耗、更高的可靠性和智能化功能，进而允许植入更小的空间如大脑、眼睛，实施更精确、协调的治疗或控制。目前，国外正积极开展这方面的研究，并取得了重要进展，国内也有部分研究机构和高校进行这方面的探索研究 6。植入式大脑深部刺激器是该领域的重要研究成果，该研究采用掺杂多晶硅制备电极和微孔，用于神经的再生长，帮助帕金森氏综合症患者调节脑内信号的正常传输，减小病人的物理震颤。美国 Cy-berkinetics 公司已经获得了美 FDA 的批准，开始进行将一片 4 大小的芯片植入瘫痪病人脑内的临床试验，医治瘫痪病2人。Medlruni 等国外公司或已有成型的产品，或正在从事相关研究。在国内，天津大学对可充电式脑起搏器进行了研究，并提出了可行性方案。很多学者对 DBS实现提出了框架性的解决方案，但对具体技术细节未加以详述，文献给出了实际电路设计，但其方案是针对外部能量耦合的方式，且刺激参数调节范围有限，无法实现程控调节。综上所述，我国在 DBS 设计研究方面仍处于探索研究阶段，其关键技术是通信控制电路和刺激电路的微型化、低功耗和能源问题，只有这些技术的不断进步，才能使脑深部电刺激技术真正得到推广应用，给广大患者带来福音 7。1.3 上位机软件设计和.net 技术DBS 整体需要计算机上位机的控制，本系统采用 RS232 和下位机进行通信。上位机软件采用 Visual C#.NET 语言和 Visual Studio 2012 开发工具进行开发。NET Framework 是支持生成和运行下一代应用程序和 XML Web Services 的内部 Windows 组件。.NET Framework 旨在实现下列目标： 中北大学 2013 届毕业设计说明书第 4 页 共 83 页提供一个一致的面向对象的编程环境，而无论对象代码是在本地存储和执行，还是在本地执行但在 Internet 上分布，或者是在远程执行的。提供一个将软件部署和版本控制冲突最小化的代码执行环境。提供一个可提高代码（包括由未知的或不完全受信任的第三方创建的代码）执行安全性的代码执行环境。提供一个可消除脚本环境或解释环境的性能问题的代码执行环境。使开发人员的经验在面对类型大不相同的应用程序（如基于 Windows 的应用程序和基于 Web 的应用程序）时保持一致。按照工业标准生成所有通信，以确保基于 .NET Framework 的代码可与任何其他代码集成。.NET Framework 具有两个主要组件：公共语言运行库和 .NET Framework 类库。公共语言运行库是 .NET Framework 的基础。您可以将运行库看作一个在执行时管理代码的代理，它提供内存管理、线程管理和远程处理等核心服务，并且还强制实施严格的类型安全以及可提高安全性和可靠性的其他形式的代码准确性。事实上，代码管理的概念是运行库的基本原则。以运行库为目标的代码称为托管代码，而不以运行库为目标的代码称为非托管代码。.NET Framework 的另一个主要组件是类库，它是一个综合性的面向对象的可重用类型集合，您可以使用它开发多种应用程序，这些应用程序包括传统的命令行或图形用户界面 (GUI) 应用程序，也包括基于 ASP.NET 所提供的最新创新的应用程序（如 Web 窗体和 XML Web Services） 。.NET Framework 可由非托管组件承载，这些组件将公共语言运行库加载到它们的进程中并启动托管代码的执行，从而创建一个可以同时利用托管和非托管功能的软件环境。.NET Framework 不但提供若干个运行库宿主，而且还支持第三方运行库宿主的开发。中北大学 2013 届毕业设计说明书第 5 页 共 83 页2 脑深部电刺激器(DBS)技术2.1 脑深部电刺激器的组成结构及工作原理 脑深部电刺激器(DBS)，俗称脑起搏器，它因对深部脑核团提供连续电刺激而得名。该项技术源于植入式人工心脏起搏器，其基本原理是一个体外可编程的植入式脉冲电刺激器及相应的电极系统，在体外控制器的操作下，采用不同的参数组合刺激靶点以达到激活或阻断的不同效果。一个通用的电生理和电刺激系统由 6 个主要模块构成。其中传感器测量人体的电生理信号、外部刺激信号或其它生理信号；电极阵列是向人体施加电刺激信号的导体，有时电极阵列和传感器共用一组电极;电信号发生器是根据传感器输入的信号，内部控制器产生恒流或恒压信号的可编程电路；可编程控制器是能够通过计算机编程的外部控制器，它可以通过线控也可遥控信号发生器，同时它已与计算机一般有一个接口电路;电源是电刺激系统的重要组成部分，它为系统提供了长期稳定的能源，它可以用导线方式为系统供电，也可以用射频方式向系统提供能量。脑深部电刺激器(DBS)属于电刺激系统，系统工作时，通过体外控制器将控制信号传输到体内信号发生器，体内信号发生器接收指令信号后，产生刺激信号经电极将刺激传导至脑内特定核团，实现脑深部电刺激。通常状况下，医生通过手术将信号发生器埋置在胸前皮下，刺激电极插入脑内特定核团或固定于神经束，脉冲发生器发出的电脉冲通过一条植于皮下的导线传输到刺激电极，作用于靶点神经，用持续的脉冲电刺激抑制不正常的神经放电，达到治疗效果。2.2 脑深部电刺激器的设计要求虽然脑深部电刺激器结构比较简单，然而，由于医学领域使用对象的特殊、刺激部位的重要，使其在设计研制过程中面临诸多困难，通用的 DBS 的设计要求如下：1） 成本要低，使用寿命要长目前全世界只有美国 Medtronic 一家公司研制并生产脑深部电刺激器，其电池只能用 5-8 年，且价格非常昂贵，电池耗尽之后必须进行手术更换脉冲发生器，中北大学 2013 届毕业设计说明书第 6 页 共 83 页既给病人增加了疼痛之苦，又给病人带来了沉重的经济负担。可见，降低成本、延长使用寿命才能真正使脑深部电刺激器实现自身价值，使广大患者受益。2） 刺激脉冲可控，精度要高大脑是人和动物的重要器官，对脑组织进行电刺激必须保证人和动物的生命安全，为此，脑深部电刺激器发出的治疗脉冲必须按治疗要求可控，精度要高 8。3） 工作指令数据的可靠通信体内刺激器与体外控制器之间的指令数据传输必须正确，保证数据信息的可靠通信。2.3 DBS 的系统控制技术DBS 的工作主要包括：刺激脉冲的输出、体内外的数据通信和刺激工作模式的自动切换等。这些功能的实现，都要求刺激器有一个协调性好、可靠性高的控制系统，其控制系统的信息处理能力和控制性能从根本上决定了其整体性能。目前，对于控制系统而言，主要有单片机、嵌入式处理器和数字信号处理器DSP 三种类型。单片机是指一个集成在一块芯片上的完整计算机系统。尽管它的大部分功能集成在一块小芯片上，但是它具有一个完整计算机所需要的大部分部件：CPU、内存、内部和外部总线系统。它的发展主要经历了 SCM、MCU、SOC 三大阶段。SCM即单片微型计算机(Single Chip Microcomputer)阶段，主要是寻求最佳的单片形态嵌入式系统的最佳体系结构。MCU 即微控制器(Micro Controller Unit)阶段，主要的技术发展方向是：不断扩展满足嵌入式应用，对象系统要求的各种外围电路与接口电路，突显其对象的智能化控制能力。SOC 单片机即片上系统单片机，是指微处理器、内存、外存储器、I/O，多种总线接口、及其它一些常用外围接口(如：AD/DA 转化器、PWM、模拟比较器等)集成在一个专用的电路中，其中包含完整系统并有嵌入软件的全部内容 9。它的出现，大大提高了单片机应用系统设计能力，也是现在应用的主流。嵌入式微处理器，它将通用 CPU 许多由板卡完成的仟务集成在芯片内部，从而有利于嵌入式系统在设计时趋于小型化，同时还具有很高的效率和可靠性。它中北大学 2013 届毕业设计说明书第 7 页 共 83 页的技术要求是对象的智能化控制能力，技术发展方向是与对象系统密切相关的嵌入性能、控制能力与控制的可靠性。嵌入式微处理器有各种不同的体系，即使在同一体系中也可能具有不同的时钟频率和数据总线宽度，或集成了不同的外设和接口。目前主流的体系有 ARM、MIPS、PowerPC、X86 和 SH 等。嵌入式微处理器的选择是根据具体的应用而决定的，在应用中多以嵌入式微处理器为硬件内核，搭载操作系统平台开发应用设计，构成一个完整的嵌入式系统 10。嵌入式系统定义为：以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机系统。嵌入式操作系统的主要特点包括：支持开放性和可伸缩性的体系结构，可裁剪。强实时性。提供设备统一的驱动接口。操作方便、简单、提供友好的图形 GUI 和图形界面。强稳定性，弱交互性。固化代码。良好的移植性。这也是嵌入式系统开发的最大优势，因此，单片机是嵌入式的低端开发，嵌入式微处理器是嵌入式的高端开发。中北大学 2013 届毕业设计说明书第 8 页 共 83 页3 总体设计方案3.1 脑深部电刺激器的功能与设计要求脑深部电刺激器由体外控制器和体内刺激器构成。本着满足后期多种刺激实验的实际需要，本课题设计的 DBS 实现的功能和具体要求如下：1)脑深部电刺激器的体外控制器能对多个体内刺激器进行控制管理，实现对动物的 识别跟踪，方便实验人员的动物管理;2)体内刺激器能根据体外控制器的命令输出刺激参数可调、弱电恒流脉冲;3)体外控制器与体内刺激器之间需保证有效可靠通信，完成体内外指令与数据的传输;4)体外控制器可以通过键盘设置刺激参数，同时可以显示体内刺激器的状态信息及刺激参数;5)当体外控制器写入刺激参数后，体内刺激器可独立于体外控制器连续或周期工作。6)体内刺激器要求体积微小、可处于低功耗工作模式;7)体外控制器可以通过 RS232 串口与 PC 机相连，为每一个实验对象建立实验数据库，设立多种不同的刺激方案，以分析记录实验结果。3.2 无线控制 DBS 体内刺激器方案设计及可行性分析本论文重点研究采用无线控制技术实现 DBS 体内刺激器的具体方案，配合刺激生理电极和电源，构成体内刺激器硬件与软件平台，实现体内刺激器的全部功能。无线控制主要体现在两个方面：低功耗短距离射频通信技术和低频唤醒技术11。具体实现方案如图 3.1 所示。中北大学 2013 届毕业设计说明书第 9 页 共 83 页图 3.1 DBS 整体框图体内刺激器由无线射频通信模块、信号控制模块、刺激信号发生模块、刺激生理电极组成。无线射频通信模块负责接收体外控制器的控制信号和返回体内刺激器的工作状态参数；信号控制模块产生相应的控制信号;刺激信号发生模块产生频率、脉宽、强度可变的刺激脉冲。基本工作过程如下：无线射频通信模块接收到体外控制命令参数后，通知信号控制模块，信号控制模块根据接收的命令生成刺激脉冲控制信号，刺激信号发生模块产生刺激脉冲，由刺激电极完成对脑组织刺激治疗 12。在本设计中，系统软件采用了结构化设计方法和模块化技术。顶层是主程序，单片机控制系统DAC和恒流源模块上位机串行接口刺激探针输出单片机控制系统无线 nrf2401无线 nrf2401液晶 12864ADC 采集探针中北大学 2013 届毕业设计说明书第 10 页 共 83 页它主要负责系统初始化、参数分析处理及第二层各功能模块的管理和调用。功能模块主要包括刺激脉冲输出模块、射频通信模块、实时时钟模块、电源电压监测模块等。底层包括各种中断服务程序、功能模块子程序等。每个模块完成一个特定功能，整个软件易于理解、修改和扩展。本系统软件使用 c 语一言进行编写，c 语一言具有执行效率高、可移植性好、简洁紧凑、灵活方便等特点，可以实现本系统的各种控制功能。3.2.1 信号控制模块信号控制模块控制体内刺激器的无线通信模块休眠和工作，控制刺激信号发生模块工作和待机，是体内刺激器的核心 13。信号控制模块是由单片机和相应接口电路组成，基于体积和功耗的考虑，本文选择 STC10L08XE 作为系统的控制核心，接收外部控制器的指令，产生电压、频率、脉宽可调的脉冲信号。3.2.2 上位机控制模块体外控制器需要计算机上位机软件通过串口进行控制和数据的采集。本系统的的上位机软件运行在 Windows 平台上。目前在 Windows 上的主流开发语言有很多种，比如 Microsoft 公司的 Visual C+、Visual Basic、Visual C#，Boardland 的Delphi 等等 14。Microsoft Visual C#（读作 C sharp）是一种编程语言，它是为生成在 .NET Framework 上运行的多种应用程序而设计的。C# 简单、功能强大、类型安全，而且是面向对象的。C# 凭借它的许多创新，在保持 C 样式语言的表示形式和优美的同时，实现了应用程序的快速开发。Visual Studio 支持 Visual C#，这是通过功能齐全的代码编辑器、项目模板、设计器、代码向导、功能强大且易于使用的调试器以及其他工具实现的。通过 .NET Framework 类库，可以访问多种操作系统服务和其他有用的精心设计的类，这些类可显著加快开发周期 15。Visual C+是目前在 Windows 平台上最流行的系统级语言，但是 VC 因为其非常强大，所以学习曲线较为陡峭，而且开发也不够敏捷，在没有过多偏重操作系统底层调用情况下，VC 并不是最明智的选择。Visual Basic 较为简单，学习周期较短，开发也比较敏捷，但是没有 C#的强大。微软官方也推荐在新的应用上使用 C#语言。C#语言简洁、快速，开发敏捷，同时也因为有.NET Framework 的强大类库中北大学 2013 届毕业设计说明书第 11 页 共 83 页而功能强大。综上，本系统上位机选择 Visual C#作为开发语言，并用微软官方的开发工具Visual Studio 2012 进行开发。使用 C#开发的程序并非运行在真实的操作系统上，而是运行在.NET Framework 上，微软称之为托管代码。.NET Framework 基础类库中有串口操作控件（System.IO.Ports.SerialsPort） ，上位机在该控件的基础上，开发了 RichSerialsPort 控件，整个上位机软件使用了该控件和下位机进行通信 16。中北大学 2013 届毕业设计说明书第 12 页 共 83 页4 无线控制 DBS 体内刺激器系统软硬件设计4.1 DBS 体内刺激器系统设计指标DBS 体内刺激器系统设计需要考虑多种因素，主要包括射频通信距离、刺激脉冲特性、电路工作电流、待机电流和体积等要求。研究设计的系统主要技术指标如下：1、产生刺激参数可调、弱电恒流脉冲。刺激脉冲强度：调节范围为 0.12.5mA，可调精度为 0.1mA；刺激脉冲频率：调节范围为 1200Hz，可调精度 1 Hz；刺激脉冲脉宽：调节范围为 1001600us，可调精度 100us；2、程控通信距离：010m ； 4.1.1 核心电路设计核心控制电路由单片机和相应接口电路组成硬件平台，由体内单片机控制射频通信电路的发送与接收，考虑到 DBS 体内刺激器的微型化和低功耗要求，核心控制电路采用低功耗单片 STC10L08XE 作为微控制器。信号控制硬件电路包括 STC10L08XE 单片机、nRF24L01 无线通信 SPI 接口、刺激控制 DAC 接口、液晶 12864 ISP。4.1.2 nRF24L01 射频通信电路设计根据系统设计方案，体内刺激器与外部控制器之间的信息交流，需要通过无线数据通信的方式来进行。由于内部刺激器的刺激脉冲参数需要由外部控制器提供，因此数据传输的正确与否将直接决定整个系统的成败 17。DBS 射频通信电路设计的最基本要求是可靠性高、功耗低，至于传输速度和传输距离适当即可。本设计采用 Nordic 公司生产的短距离无线射频收发芯片 nRF24L01。 nRF24L01 具有很高的集成度，在设计上充分考虑了用户编程和使用的方便，外围元件极少(共 12 个)，利用单片机的 I/O 接口实现 nRF24L01 的工作参数配置以及数据传送。脑深部电刺激器无线通信硬件电路包括 nRF24L01 电路和天线 18。nRF24L01 给用户提供 6 个 I/O 接口，主要功能是芯片配置和工作方式控制。中北大学 2013 届毕业设计说明书第 13 页 共 83 页使用的芯片的引脚功能如下：（1）CE 为发射和接收的使能端；（2）CSN 为 SPI的使能端；（3） SCI 为 SPI 配置时钟：（4）MOSI 为 SPI 数据输入；（5）MISO为 SPI 数据输出；（6）IRQ 为中断输出。通过这些引脚可以设定射频模块的工作频段、通道、输出功率和时钟频率的工作参数，工作状态可以通过 PRIM Rx（收发模式控制，为 0 时器件处于 TX 模式，为 1 时器件处于 RX 模式） 、CE（发送使能） 、PWR UP（芯片上电）来设定。该射频通信电路由 nRF24L01 芯片和一些外围器件(电感、电阻、电容) 组成。nRF24L01 芯片采用 2.5V 电源供电。电源在接入 VDD 管脚之前需要先经过一个旁路滤波电路，减少电源中的杂波对芯片的干扰。这个滤波电路是由 C8， C9 和地组成。从 ANT 1 和 ANT2 管脚引出的是一个 50 欧姆的阻抗匹配网络，目的是与 50欧姆天线的阻抗相匹配，一该网络由 L1，L2，L3， C3，C4，C5 和 C6 组成。从 XC 1 和 XC2 管脚引出的是 16MHz 的晶振电路，它的作用是为射频芯片提供时钟信号。该振荡电路采用 XT 模式，即采用一个 16MHz 的石英晶体和两个 22pF 的电容，共同构成一个自激多谐振荡器。考虑到射频电路的可靠与稳定，本设计采用模块化结构，主控单片机电路与射频电路独立制版，以提高射频电路的性能。图中，VDD， GND， CE， CS， NRSCK， NRMISO，NRMOSI 和 IRQ 通过一个八针接头引出与主控电路板连接，微控器通过对它们的控制可实现数据的无线传输。出于节省体积以及与电路进行一体化设计的考虑，nRF24L01 的天线设计采用在印刷电路板上绘制的 1/4 波长平面天线，该结构的天线相对于传统设计的天线有较高的增益和较宽的带宽，且容易制作，而且可以通过调整长度来适应于不同的环境。在该天线的设计过程中要特别注意以下几点： 折线的长度不是一定的，与它的几何形状以及与接地面的距离都有关系。它要稍长于信号的 1/4 波长 19。天线应该绘制在 PCB 的顶层(top layer)，并靠近同样位于顶层的接地面。线发射区域的下方一定不能有接地面。因为天线对其周围的金属接地面十分敏感，严重影响到天线的辐射性能。中北大学 2013 届毕业设计说明书第 14 页 共 83 页4.2 刺激信号发生单元设计刺激信号发生模块是整个 DBS 设计的关键组成部分，刺激信号是否恒流输出将直接影响临床试验结果，甚至可能威胁人体及动物的生命安全，因此恒流设计必须具有稳定性和可靠性。同时作为体内刺激器的一部分，考虑到微型化的要求，结构也要尽可能的简单。因此本设计采用 STC10L08XE 单片机内部定时器产生的 PWM 信号来控制刺激脉冲强度，但脉宽表示的强度大小需经 D/A 转换完成，具体通过低通滤波器滤波实现，由 DAC 输出来驱动恒流源电路产生恒流输出。4.2.1 压控恒流源电路设计根据上述分析，基于单片机 STC10L08XE 的定时器 PWM 控制的 D/A 输出己完成电压幅度的控制，具体电路如图 4.2 所示。 图 4.1 压控恒流源电路图中，为了保证压控恒流电路工作在线性区，输出恒流，则要求电阻R4=R5=100K， R6=R7=100K，R8=1K，由此得到的电流输出 I=V/R8，实现了 0-2.5mA的设计要求。PWM 波形由定时器 1 输出比较匹配引脚 OC1B 输出，控制开关三极管的导通与截止，实现刺激脉冲的频率、脉宽调节 20。实际设计在选择运放芯片的时候，需要考虑电源工作电压、精度、增益带宽中北大学 2013 届毕业设计说明书第 15 页 共 83 页积、功耗、电压噪声、转换速率、封装尺寸等因素，本文设计的刺激电流强度最大为 2.5mA，负载取 1 K，且一段时间内输入电压信号幅值稳定（直流）因此增益带宽积、转换速率等参数要求不是很高，大多线性放大器均可满足要求;对于功耗是本设计的重点，因此选用功耗较低的 CMOS 器件。4.2.2 刺激脉冲输出程序设计基于硬件设计的分析，脉冲各项参数调节的实现需要使用单片机内部定时器完成。通常状况下，调节脉宽、频率的定时器程序设计主要有两种方式。一种是定义定时器的最小时间基准，定时溢出中断程序中进行最小时间的累加，当脉宽、频率达到自己的时间要求时进行控制输出高低电平。另一种是使用定时器自身提供的定时器 PWM 工作模式，通过配置相应控制寄存器完成。两种方式比较而言，第一种的优点是可以节省定时器资源，一个定时基准即可完成多种定时需要，但对于硬件端口的控制，需要自编程序控制，端口的响应时间将有一定延迟;而第二种方式直接由单片机硬件根据定时时间精确的完成端口的 PWM 输出，不需用户参与，只需按照寄存器使用说明即可实现，但此种方式的缺点是当有多于两个不同频率、不同脉宽的 PWM 控制输出时，一个定时器无法完成 21。结合系统硬件资源及设计指标，本设计需要产生精准、快速的 PWM 波形以控制单片机 D/A 输出，完成刺激脉冲幅度的控制，且脉宽、频率也要求比较严格，因此采用第二种方式，使用两个定时器分别控制实现。本程序设计采用定时器 T0 产生刺激脉冲强度控制的 PWM 波形，采用定时器T0 产生刺激脉冲脉宽、频率控制的 PWM 波形。程序设计的关键之处是定时器的寄存器配置初始化，由于定时器 T0 和 T1 产生 PWM 信号的原理基本上一致，只是精度上的差别，因此现以定时器 T1 为例，说明频率、脉宽可调的 PWM 信号的程序设计方法 22。本设计系统时钟为 1MHz，定时器 T1 使用系统时钟 100 分频。每计数一次时间为 100us 由此可计算脉宽、频率需要计数的次数。结合硬件电路，本设计使用通道 P1 的输出比较匹配引脚输出，采用比较匹配时置位、计一数值为 TOP 时清零的方式，使用 PWM 快速模式且采用 T0 寄存器存储 TOP 值，计数时钟为系统时钟 100 分频，因此 TH0=(65536-100)/256，TL0=(65536-100)%256; 中北大学 2013 届毕业设计说明书第 16 页 共 83 页最后，控制寄存器、计数初值寄存器操作完毕，写中断屏蔽寄存器，开放输出比较中断，即可连续产生脉冲频率可调的输出波形。中北大学 2013 届毕业设计说明书第 17 页 共 83 页5 实验调试与分析按照前面设计的方案先在 Proteus 上进行了仿真。由于 Proteus 上没有Nrf2401 所以只仿真了数控恒流部分，及用矩阵键盘实现电流的控制。最后硬件直接调试的无线模块。下面分别是 Proteus 仿真和硬件实物调试。5.1 Proteus 仿真下图是 Proteus 下的各个模块的电路图连接和仿真结果。主要是单片机最小系统、DAC 部分、和双运放恒流部分。中间电路实现转化的。达到了数控恒流的目的。全部乘 100。及 0.1mA 对应 10，2.5mA 对应 250。5.1.1 仿真各模块连接图下图是单片机最小系统图 5.1 单片机最小系统中北大学 2013 届毕业设计说明书第 18 页 共 83 页图 5.2 DAC0832 及比例调节模块图 5.3 双运放恒流模块中北大学 2013 届毕业设计说明书第 19 页 共 83 页5.1.2 仿真结果图图 5.4 上电后图 5.6 键盘设置电流输出 0.1mA中北大学 2013 届毕业设计说明书第 20 页 共 83 页图 5.7 电流输出 0.5mA图 5.8 电流输出 1mA中北大学 2013 届毕业设计说明书第 21 页 共 83 页图 5.9 电流输出 1.5mA中北大学 2013 届毕业设计说明书第 22 页 共 83 页5.10 电流输出 0.2mA5.10 电流输出 0.25mA5.2 硬件实物以及测试5.2.1 硬件实物图下面是体外发射部分、体内刺激部分的实物图和上位机界面以及二者的各模块连接图。中北大学 2013 届毕业设计说明书第 23 页 共 83 页图 5.11 体外发送模块中北大学 2013 届毕业设计说明书第 24 页 共 83 页图 5.12 体内接收刺激模块模块图 5.13 上位机界面中北大学 2013 届毕业设计说明书第