基于AVR的微功耗電刺激器

　　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(tái)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(duì)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(shí)的靜態(tài)工作電流為20μA，當(dāng)4腳SHDN為低電平時(shí)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(shí)，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(shí)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(chǔ)器、256B的EEPROM和512B的靜態(tài)存儲(chǔ)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(shí)鐘有外部低頻、外部高頻、內(nèi)部RC振蕩器時(shí)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(shí)鐘相關(guān)的寄存器實(shí)現(xiàn)。選擇單片機(jī)的時(shí)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(shí)，靜態(tài)電流小于60μA。休眠狀態(tài)時(shí)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(shí)鐘還可以通過編程分頻進(jìn)一步地降低時(shí)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(shí)鐘降低到4kHz。

　　ATmega48單片機(jī)內(nèi)有兩個(gè)8位的定時(shí)/計(jì)數(shù)器，一個(gè)16位的定時(shí)/計(jì)數(shù)器，可以滿足本系統(tǒng)對(duì)開啟時(shí)間、脈寬、脈沖頻率的精確控制。另外單片機(jī)還有6個(gè)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(shí)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。

　　3.2 脈沖發(fā)生電路

　　通常具有一定驅(qū)動(dòng)功率的脈沖輸出電路首先產(chǎn)生脈沖波形，再將脈沖波形用集成的功率放大器作驅(qū)動(dòng)放大，放大電路工作在線性放大區(qū)。這種放大電路必須具有靜態(tài)電流來維持合適的靜態(tài)工作點(diǎn)，功耗較大。為了降低耗電流，本系統(tǒng)的電刺激器用開關(guān)方式生成刺激脈沖。單片機(jī)及其脈沖發(fā)生器電路原理如圖3所示。J1是刺激電極的接線端子，OC0A是ATmega48V定時(shí)器0的PWM輸出口，根據(jù)實(shí)驗(yàn)的要求調(diào)節(jié)輸出強(qiáng)度。用PWM輸出以及R6、R7、C6和C7組成的濾波器調(diào)節(jié)U3A正相的輸入電壓。運(yùn)放U3A接為正相放大方式，放大倍數(shù)由R8和R9決定。Q2為功率放大三極管，增大輸出的驅(qū)動(dòng)能力。Q3工作在開關(guān)狀態(tài)，用于控制輸出脈沖的寬度和頻率，當(dāng)ATmega48V的9腳是高電平時(shí)，Q3導(dǎo)通，輸出刺激脈沖；導(dǎo)通500μs后，ATmega48V的9腳變到低電平，Q3關(guān)閉，脈沖結(jié)束；按10Hz的頻率循環(huán)往復(fù)。