基于AT89C52的體外神經(jīng)剌激儀的設(shè)計

1. 引言

電刺激療法被廣泛應(yīng)用于促使神經(jīng)細胞或肌肉纖維興奮等臨床醫(yī)學(xué)與醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域。自1971年Galvani取得的對蛙腿刺激的實驗成功以來，它便被廣泛應(yīng)用于臨床醫(yī)療和生理學(xué)研究。它在減輕組織痛，肌肉加固，心率調(diào)節(jié)，藥物的電離子滲入療法[5]，等方面有著廣泛的應(yīng)用，并且效果顯著。
功能性電刺激療法相比于其它療法，如藥物注入療法，激光療法，傳統(tǒng)的超聲波與電磁振蕩療法等，有著明顯的優(yōu)勢。電荷刺激是FES中在發(fā)生在組織中刺激的本質(zhì)。從簡單的單通道刺激儀，到復(fù)雜的可編程的多通道的電學(xué)刺激儀，有越來越多的電學(xué)刺激儀被開發(fā)出來，并應(yīng)用于各種FES康復(fù)領(lǐng)域。在最近的幾年里，可攜式的電刺激儀已被投入到醫(yī)學(xué)研究和醫(yī)學(xué)臨床，并受到越來越多醫(yī)學(xué)專家與患者的好評[4]。
近年來，隨著計算機應(yīng)用技術(shù)的高速發(fā)展，各種高智能化的專業(yè)型FES應(yīng)用設(shè)備被廣泛研制，并且刺激更趨精細和功能更趨完備。例如，在各種癱瘓患者康復(fù)鍛煉過程中，通過編制肌肉的力量與耐力訓(xùn)練程序，為重新獲得站立，行走能力而研制的助行系統(tǒng)，在國外已獲若干進展。
綜合國內(nèi)國外的研究成果，F(xiàn)ES應(yīng)用設(shè)備的智能化和數(shù)字化程序越來越高，但是體積大，成本高，穩(wěn)定性不夠，并且需要通用的具有相關(guān)功能的小型FES應(yīng)用設(shè)備進行維護和校準。這種價格高昂的大型設(shè)備，一方面，需要高性能微機作為主機，進行數(shù)據(jù)分析；另一方面，需要復(fù)雜的高性能微型單片機應(yīng)用系統(tǒng)，如基于嵌入式系統(tǒng)或DSP系統(tǒng)進行終端設(shè)計，以控制脈沖發(fā)放和高速采集并處理數(shù)據(jù)[7]。并且需要一條高速度，高可靠性的通信信道進行數(shù)據(jù)交換。

2硬件電路設(shè)計
體外神經(jīng)刺激儀的原理框圖如圖1所示，主要由MCU、鍵盤模塊、顯示模塊、電源模塊、電極以及AD/DA轉(zhuǎn)換通道組成。

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MCU為控制中心，它控制液晶顯示模塊，DA，AD。鍵盤中含有的儀器開關(guān)鍵，可以控制電源。本設(shè)計中MCU選用AT89C52，主要考慮到它內(nèi)含用8KB flash ROM,并且含有三個定時中斷，這些特有的資源對該系統(tǒng)的設(shè)計非常有利。因為系統(tǒng)需要占用定時器０去確定信號輸出的頻率，定時器１去確定信號輸出的脈寬，還需要定時器２來決定阻抗鳴聲的頻率。
鍵盤電路主要實現(xiàn)各種模式選擇和參數(shù)的設(shè)定，采用常見的掃描碼鍵盤實現(xiàn)。在CPU與鍵盤接口模塊中，通過擴展外部中斷0接入CPU，這樣更加增強了鍵盤信息的響應(yīng)度。電源電路向系統(tǒng)提供可靠的、高穩(wěn)定的電源。本設(shè)計中電極和AD/DA轉(zhuǎn)換通道是硬件設(shè)計的關(guān)鍵。系統(tǒng)的DA器件采用的是12位的TLV5619器件。該器件最大的特點是轉(zhuǎn)換速度快，且?guī)缀鯖]有時延。電路圖如圖2所示。

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 在對DA的操作中，也是通過尋址來實現(xiàn)操作，高位地址是通過P2.6(H4ADDR)和P2.5(DACADDR)來線選。其中，P2.6（H4ADDR）為高4位數(shù)據(jù)鎖存器地址，P2.5(DACADDR)為低八位數(shù)據(jù)鎖存器地址。由于CPU的數(shù)據(jù)總線寬只有8位，所以需要一個擴展的鎖存器來鎖存高4位。在本系統(tǒng)中，我們采用的是SN74HC573AN來實現(xiàn)的。具體的操作如下，先通過P2.6(H4ADDR)，將需要進行DA的CODE的高4位打入SNHC573中鎖存，再能過寫操作，將CODE的低8位寫至DA中，由于這一步的寫操作開啟啟了DA器件TLV5619的鎖存，同時也會將高4位CODE寫入DA中，因為SN74HC573AN的輸出端低4位和DA器件TLV5619的高4位相連。寫入操作完成后，由于LDAC一直有效，所以立即啟動DA轉(zhuǎn)換。
本系統(tǒng)采用的是單通道串行輸出A/D芯片TLC1549，逐次比較型10位A/D器件。該器件有6個工作方式：區(qū)別主要是CS是否連續(xù)為低電平；支持快速、慢速：決定于I/O CLOCK周期。區(qū)別于普通的單通道串行輸出A/D芯片如DS18B20,其具有獨立的時鐘與數(shù)據(jù)線接口。

3．軟件設(shè)計

軟件設(shè)計在本系統(tǒng)設(shè)計方案中占有重要地位，各種功能的實現(xiàn)依賴于系統(tǒng)的各個處理模塊。系統(tǒng)中，如果按功能來劃分模塊，并不能實現(xiàn)系統(tǒng)的分割，因為，各功能模塊的關(guān)系非常緊密，如液晶顯示模塊與鍵盤控制模塊，液晶顯示模塊與DA/AD模塊均有著緊密的關(guān)系。不能完全把它們隔離開來。但考慮到51單片機應(yīng)用系統(tǒng)的特性，可以將系統(tǒng)按照服務(wù)模塊進行分割。具體劃分如下：
（1）主程序模塊（包括系統(tǒng)初始化）
（2）外部中斷0服務(wù)模塊
（3）定時中斷0服務(wù)模塊
（4）定時中斷1服務(wù)模塊
（5）定時中斷2服務(wù)模塊
（6）數(shù)據(jù)定義模塊
這五個模塊實際上就是各應(yīng)用程序，它們之間即互斥，又相關(guān)，互斥的是爭達CPU周期，相關(guān)的時，通過綬沖區(qū)中數(shù)據(jù)進行信息交換。并且在各中斷服務(wù)間，優(yōu)先級是固定的，這將大大簡化了程序的設(shè)計。
在主模塊中，系統(tǒng)初始化包括堆棧的定義，通用寄存器組0的選擇，內(nèi)存緩沖區(qū)的初始化，中斷及中斷優(yōu)選級的設(shè)置，開啟外部中斷0(給用戶控制權(quán))；液晶及顯示初始化，具體包括液晶的初始化，界面信息的顯示,操作參數(shù)的初始值顯示；接下來的就電極間阻抗的測量及顯示。當(dāng)然，在沒有啟動顯示阻抗前，主程序是不進行阻抗測量與顯示的。只是一直在等待。主程序模塊流程圖見圖3.1

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圖3主程序模塊流程圖

4.結(jié)論
基于以上談到的情況，本設(shè)計方案是專門針對于低成本，便攜式的，高安全性，高可靠性，通用型，寬頻段的FES應(yīng)用環(huán)境。其可以作為臨床醫(yī)學(xué)或醫(yī)學(xué)實驗的關(guān)鍵設(shè)備，也可作為大型的智能FES應(yīng)用設(shè)備的輔助校準設(shè)備，其應(yīng)用有著廣泛的前景。
該設(shè)計方案最大的特點就是可靠性高，方便易用，刺激頻率范圍寬，適用于頭部，頸椎，腰間盤，生殖系統(tǒng)，排泄系統(tǒng)，下肢神經(jīng)中樞等的刺激。并且通過特制的植入式電極，還可應(yīng)用于體內(nèi)刺激。本產(chǎn)品還可以作為一些國外大型FES應(yīng)用設(shè)備的校準與測試儀器。該應(yīng)用型設(shè)計方案可以充實我國在低成本，便攜式，通用型，智能化數(shù)字控制電刺激治療儀應(yīng)用方案的空缺，其產(chǎn)品將會為更多的肌體不健全患者帶來福音。
本文作者的創(chuàng)新點：采用MC51系列單片機的設(shè)計出了可靠性高，方便易用，刺激頻率范圍寬，適用范圍廣的體外神經(jīng)刺激儀。