基于ATmega48的微功耗電刺激器的設(shè)計
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為了研究DBS對癲癇治療的機(jī)理，首先開發(fā)了微型迷走神經(jīng)電刺激實驗器(Vagus Nerve Stimulator，VNSr)，并植入大鼠體內(nèi)進(jìn)行癲癇治療的研究。分別在大鼠出生后35天(Postnatal 35 days, P35)和P60時埋植神經(jīng)刺激器刺激電極和腦電圖(Electroencephalograph，EEG)記錄電極，借助電刺激器發(fā)出一定頻率、脈寬和強(qiáng)度的脈沖刺激迷走神經(jīng)，通過觀察動物自發(fā)性癲癇發(fā)作(Spontaneous Recurrent Seizures，SRSs)的頻率、皮層和海馬EEG的頻譜變化、水迷宮測定動物的視-空間記憶功能及Timm和Thionin組織染色觀察大腦神經(jīng)病理學(xué)改變，來測定神經(jīng)刺激器對癲癇的治療作用。
本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/180851.htm電刺激器由植入電極、連接導(dǎo)線及皮下脈沖發(fā)生器三部分組成。脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的刺激電流經(jīng)刺激電極刺激迷走神經(jīng)。植入動物體內(nèi)的電刺激器需要在設(shè)定的時間開啟。在一個時間間隔里，發(fā)出一定頻率的刺激脈沖電流。本文主要敘述電刺激器的設(shè)計思想。
1 電刺激器設(shè)計要求
本系統(tǒng)中植入動物體內(nèi)的電刺激器屬于開環(huán)控制，設(shè)定為間歇式工作方式，根據(jù)前期實驗結(jié)果，結(jié)合參考文獻(xiàn)1提供的參數(shù)，刺激器工作間隔時間為5分半鐘，刺激器每工作30秒，輸出一次刺激電流，然后停止工作5分鐘，如此循環(huán)往復(fù)。工作過程是輸出頻率30Hz、脈寬500μs的刺激電流。為了準(zhǔn)確控制設(shè)定的參數(shù)，本系統(tǒng)中嵌入了單片機(jī)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
電刺激器設(shè)計的關(guān)鍵是高可靠性、微型化和低功耗。因此采用紐扣式電池供電，選用低功耗、微小封裝的高可靠性單片機(jī)和元件。
2 電壓調(diào)整
本系統(tǒng)采用3V紐扣式鋰電池供電，為了達(dá)到刺激電流的強(qiáng)度要求，需要將電壓提升。電壓的提升應(yīng)選用高效率緊湊型DC/DC進(jìn)行升壓?？晒┻x用的緊湊型升壓DC/DC的IC元件很多，例如美國國家半導(dǎo)體公司的LM2703、LM2733，凌特公司的LT1615，德州儀器的TPS61040，臺灣易亨電子的AP1522等等。這幾種IC都是SOT23-5的緊湊型封裝，管腳完全兼容，這也是本系統(tǒng)選用這種IC的原因，不擔(dān)心芯片缺貨，將外圍元件參數(shù)稍做修改就可以對IC進(jìn)行互換。電壓調(diào)整電路的接線原理圖如圖2所示。
LT1615是微功耗高效率的升壓DC/DC，輸入電壓范圍為1.5V~15V，適用于最大輸出電流小于100mA的場合。芯片在空載時的靜態(tài)工作電流為20μA，當(dāng)4腳SHDN為低電平時關(guān)閉芯片，其靜態(tài)工作電流僅為0.5μA。芯片的工作效率約為75%。輸出電壓值由圖中的R2和R4決定: 
。
使用3V電池直接給單片機(jī)供電。單片機(jī)通過圖中的ON_OFF控制包括DC/DC電路在內(nèi)的外圍電路的供電，在工作的間歇期進(jìn)入休眠狀態(tài)無輸出脈沖時，將ON_OFF設(shè)為高電平，切斷外圍電路的供電，從而有效地降低系統(tǒng)的電流損耗。
3 ATmega48單片機(jī)及其脈沖發(fā)生電路
3.1 ATmega48單片機(jī)及應(yīng)用
ATmega48單片機(jī)是Atmel公司在2004年底推出的微功耗高性能八位單片機(jī)，采用TQFP32緊湊型封裝，批量生產(chǎn)時還可以選用更小體積的MLF32封裝(尺寸僅為5mm×5mm)。內(nèi)有4KB的Flash程序存儲器、256B的EEPROM和512B的靜態(tài)存儲器。支持ISP串行下載方式。
ATmega48單片機(jī)為RISC結(jié)構(gòu)，在1MHz頻率下速度為1MIPS。系統(tǒng)時鐘有外部低頻、外部高頻、內(nèi)部RC振蕩器時鐘等多種工作方式可以選擇。選擇方法是通過編寫熔絲位，并結(jié)合軟件編程與時鐘相關(guān)的寄存器實現(xiàn)。選擇單片機(jī)的時鐘頻率越高，單片機(jī)的功耗也越大。本系統(tǒng)選用128kHz的內(nèi)部RC振蕩器，在工作電壓為3V時，靜態(tài)電流小于60μA。休眠狀態(tài)時靜態(tài)電流更低。ATmega48單片機(jī)內(nèi)有六種省電休眠模式，可以使儀器在非工作期間進(jìn)入休眠狀態(tài)。ATmega48的系統(tǒng)時鐘還可以通過編程分頻進(jìn)一步地降低時鐘頻率，減小功耗，在儀器休眠期，采用32倍的分頻系數(shù)將時鐘降低到4kHz。
ATmega48單片機(jī)內(nèi)有兩個8位的定時/計數(shù)器，一個16位的定時/計數(shù)器，可以滿足本系統(tǒng)對開啟時間、脈寬、脈沖頻率的精確控制。另外單片機(jī)還有6個PWM輸出口，可以用于調(diào)節(jié)儀器的刺激強(qiáng)度。ATmega48單片機(jī)內(nèi)部有獨(dú)立的硬件看門狗時鐘，可以有效地防止單片機(jī)死機(jī)。
本系統(tǒng)選用的ATmega48V是ATmega48的低電壓工作的芯片，選用ATmega48V作為電刺激器的主控芯片，幾乎不需要另加其他的元件。ATmega48V可以在1.8V~5.5V范圍的電壓下工作，在電池使用的有效電壓范圍內(nèi)，單片機(jī)均可正常工作，能充分利用電池的容量。
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