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基于C8051F015的手持式电刺激器系统设计

• 【摘要】本文介绍了一种由高速单片机C8051F015控制的手持式电刺激器的实现方案，具体介绍了整个方案的设计思想以及软硬件实现。该设计可以用于家庭及社区居民的医疗保健，有一定的实用价值。
  【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，进而刺激模压电感器感觉神经，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工字电感器它部分产生干扰。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，存储各记录功率电感器号对应的刺激参数，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。DataF电感传感器lash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。

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