基于单片机的智能可调低频脉冲信号源的研制
2014-03-17焦明克耿西亮张文远
焦明克，楼 林，耿西亮，焦 琳，张 鹏，张文远，张 新
基于单片机的智能可调低频脉冲信号源的研制
焦明克，楼 林，耿西亮，焦 琳，张 鹏，张文远，张 新
目的：研制能够输出频率、占空比和幅值独立可调的低频脉冲信号源发生器。方法：采用STC89C52单片机系统产生低频脉冲信号。应用D/A转换器DAC0832将单片机产生的数字信号转换为模拟信号，最终进行滤波和预放大。该输出信号的频率、占空比和幅度可通过程序和按键控制调节，输出信号参数可通过LCD1602液晶进行实时显示。结果：采用TEKTRONIX示波器对输出信号进行检测，该信号源输出脉冲信号频率可调范围为0～2 kHz、步进为0.5 Hz，占空比可调范围为10%～80%，输出电压峰值为0～5 V。结论：该智能低频脉冲信号源结构紧凑、灵活可控，能够保证输出低频脉冲信号准确可靠。
低频脉冲；单片机；信号源；占空比；独立可调
0 引言
无论在信号检测还是在电磁场的生物效应方面，不同参数的电磁场均被广泛地研究和应用[1-3]，尤其是低频脉冲电磁场（pulsed electromagnetic fields，PEMF）在促进损伤组织修复的过程中具有重要作用[4-7]。而PEMF影响受损组织修复再生的生物效应与生物组织对电磁场的比吸收率（specific absorption rate，SAR）密切相关，低频脉冲电磁场的不同参数影响生物组织对电磁场的SAR[8-9]，因此高性能低频脉冲信号源的研制对合适参数低频脉冲电磁场的产生具有重要意义。而传统低频脉冲信号源通常采用晶体管、运放IC等分离元器件设计制作，具有温度漂移大、预热时间长等不足[10-12]；且一些信号发生器输出频率、占空比等参数单一，不能单独调控，无法满足实验的进一步需要[13]。因此，本文以性价比较高的STC89C52单片机为核心[14-15]，联合D/A数模转换模块、LCD液晶显示模块等器件，设计制作低成本、高性能的参数可调低频脉冲信号源。
1 材料和方法
1.1 系统硬件结构
本系统结构的硬件构成主要包括STC89C52单片机、D/A数模转换模块、LCD液晶显示模块、参数按键选择设置电路、预放大滤波电路和直流电源模块等。该低频脉冲信号源的结构框图如图1所示。采用STC89C52单片机产生脉冲信号，输出脉冲信号的幅值、占空比和频率可通过程序控制调节。
图1 低频脉冲信号源结构框图
单片机部分电路主要包括单片机控制电路、时钟电路和复位电路。STC89C52单片机是一种低功耗、高性能CMOS微控制器，具有8 KB系统可编程Flash存储器[13-14]。在系统中，当程序运行不正常时，必须应用复位电路对系统进行复位。该复位电路采用手动复位按键和复位电容并联，实现上电复位和手动复位功能。时钟电路由外部晶振驱动，为提高信号输出精度，采用24 MHz晶振。同时，本系统外加一片AT24C02存储芯片用来存储参数设置，使系统开机运行时直接从中读取保存的数据，简化开机数据设置。
在系统中通过6个按键连接单片机P3口实现对输出脉冲信号参数的控制。其中3个按键分别对应频率、占空比和幅值设定选择功能，当选中其中一个参数后，第4、5个键分别对参数值进行加减改变，当参数设置合适后，按下第6个键进行确认输出。其频率输出可调范围为0～2 kHz、步进为0.5 Hz；占空比和幅值可调范围分别为10%～80%和0～5 V。
本设计输出信号参数通过液晶显示模块LCD1602进行显示。首先在初始化中先设置其显示模式，每次输入指令前都判断其是否处于繁忙状态。其内部字符发生存储器已经存储了160个不同的点阵字符图形，可以把所需地址中的字符进行显示。LCD1602液晶模块的读写操作、屏幕和光标的操作通过指令编程实现。
为了将单片机产生的数字信号转换为所需的脉冲信号，必须通过数模转换器将数字信号转换为模拟信号，本设计采用了价格低、接口简单和转换易控制的8位分辨率数模转换器DAC0832。DAC0832为电流型输出，设计中外接运算放大器实现电压型输出。本设计采用直通工作方式，单极输出电路，基准电压为5 V，因此控制其输出电压范围为0～5 V。
因为本系统设计需要±12和5 V电源电压，所以在电源部分采用7812、7912和7805直流稳压芯片设计直流电源。该电源能够实现±12和5 V 3路输出，满足系统的需要。
系统控制电路原理图采用电子设计软件PROTELL DXP进行设计，如图2所示。
图2 信号控制电路
1.2 系统软件实现
系统软件程序设计实现是该信号发生器的核心。软件设计主要包括主程序、脉冲方波产生程序、显示输出参数程序、按键处理程序、输出信号参数设定程序。
主程序主要是对系统实现初始化，LCD初始显示，同时扫描是否有对应的功能键按下，对系统化进行中断管理，调用各功能子程序。当按键处理程序执行时，将用户通过按键设定的参数送至单片机，从而控制单片机输出相应需要的信号。程序通过改变信号输出与停止时间实现频率的调节，进而通过调节信号输出与停止的时间比值实现占空比调节。系统设定D/A转换电路基准电压Vref为5 V，因此根据按键设定使单片机输入数字量00H—FFH变化，从而实现电压输出可调范围为0～5 V。系统程序在KEIL环境下采用C语言编写，因此程序代码具有可读性强、维护方便和可移植等优点。系统的主程序流程如图3所示。
图3 程序流程
2 信号输出结果
为评估该智能参数可调低频脉冲信号发生器的输出信号参数性能，在该低频脉冲信号发生器系统上电后，采用TEKTRONIX TBS 1022示波器检测其输出信号各参数。第1组输出脉冲信号参数设置为频率f=10.5 Hz、占空比50%、幅值2 V；第2组输出脉冲信号参数设置为频率f=29 Hz、占空比42%、幅值2 V；第3组输出脉冲信号参数设置为频率f= 600 Hz、占空比50%、幅值4 V。
分别采用示波器对3组输出信号进行测试，第1组设定参数输出信号波形如图4（a）所示，输出频率误差仅为0.01 Hz，而占空比和幅值误差均为0%；第2组设定参数输出信号波形如图4（b）所示，输出频率误差为0.02 Hz，幅值误差为0.04 V，占空比误差为0%；第3组设定参数输出信号波形如图4（c）所示，输出频率误差为0.1 Hz，幅值误差为0 V，占空比误差为0.4%。根据测试，该低频脉冲信号源符合设计要求。
3 讨论
低频脉冲信号源在很多方面的应用越来越广泛，因此设计制作适合特殊需要的参数可调信号源就变得非常必要。本研究设计的低频脉冲信号发生器能够产生频率、占空比和幅值单独可调的脉冲信号，且输出信号波形失真度低，系统具有小型化、集成便携的优点。
该可调低频脉冲信号源不但能够满足一般工业控制的需要，而且其输出信号参数独立可调的特性使其作为低频脉冲电磁场的信号源具有独特的优势。参数独立可调使线圈产生的电磁场具有更可控的生物电磁效应，可广泛应用于低频脉冲电磁场生物效应研究，通过调节产生不同参数的脉冲波形，从而控制输出适合不同伤口愈合治疗的低频脉冲电磁场。然而，由实验测试3个信号输出波形图看出，虽然信号波形失真度较小，但随着频率升高略有失真，在随后工作中将进一步通过改变程序设计降低波形失真。
图4 输出低频脉冲波形
[1]JIAO Ming-ke，LU Guo-hua，JING Xi-jing，et al.A novel radar sensor for the non-contact detection of speech signals[J].Sensors，2010，10（5）：4 622-4 633.
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[2]Sherafat M A，Heibatollahi M，Mongabadi S，et al.Electromagnetic field stimulation potentiates endogenous myelin repair by recruiting subventricular neural stem cells in an experimental model of white matter demyelination[J].J Mol Neurosci，2012，48（1）：144-153.
[3]焦明克，耿西亮，焦琳，等.隔离度改善对雷达语音传感器影响的实验研究[J].医疗卫生装备，2013，34（3）：11-12，40.
[4]Callaghan M J，Chang E I，Seiser N，et al.Pulsed electromagnetic fields accelerate normal and diabetic wound healing by increasing endogenous FGF-2 release[J].Plast Reconstr Surg，2008，121：130-141.
[5]Ottani V，De Pasquale V，Govoni P，et al.Effects of pulsed extremely-low-frequency magnetic fields on skin wounds in the rat[J].Bioelectromagnetics，1988，9：53-62.
[6]Strauch B，Patel M K，Navarro J A，et al.Pulsed magnetic fields acceleratecutaneouswoundhealinginrats[J].PlastReconstrSurg，2007，120：425-430.
[7]焦明克，胡劼，焦琳，等.低频脉冲电磁场对冻伤组织血液循环的影响[J].中国医学物理学杂志，2013，30（1）：3 946-3 949.
[8]文峻，谢恒堃，钟力生.脉冲电场和磁场对高血粘影响的比较研究[J].中国医学物理学杂志，2002，19（1）：48-49.
[9]牛中奇，侯建强，周永军，等.生物电磁剂量学及人体吸收电磁剂量的数值分析[J].中国生物医学工程学报，2006，25（5）：580-584，589.
[10]王斯刚，席晓莉，文峻.CXLY-I型低频脉冲磁场发生仪的研制[J].中国医学物理学杂志，1998，15（3）：34-35.
[11]鲁雯，王先运，刘世民，等.低频脉冲磁场治疗仪的研制及临床应用[J].中国矫形外科杂志，1998，5（5）：60.
[12]艾学忠，刘伟，柳仁禹.实验室用低频信号源的设计[J].吉林化工学院学报，2013，30（7）：46-48，53.
[13]梁巧艳，杨会彩，杜延军，等.一种基于AT89C51低频信号源的设计[J].现代电子技术，2008（21）：112-115.
[14]黄戎，何红梅，李智.基于STC89C52的便携式输液监控器[J].激光杂志，2013，34（2）：51-52.
[15]杨成，邢聪聪，邵帅.基于STC89C52单片机的舵机控制系统设计[J].电子技术与软件工程，2013，3（5）：53-54.
（收稿：2014-05-06 修回：2014-08-11）
Development of intelligent adjustable low frequency pulsed signals generator based on single chip
JIAO Ming-ke,LOU Lin,GENG Xi-liang,JIAO Lin,ZHANG Peng,ZHANG Wen-yuan,ZHANG Xin
(Department of Biomedical Engineering,Urumchi General Hospital of Lanzhou Military Area Command,Urumqi 830000,China)
ObjectiveTo design and complete low frequency pulsed signal generator with the frequency,duty cycle and amplitude independently adjustable.MethodsThe single chip system was designed to generate low frequency pulsed signals,and then the digital signals were converted into analogy signals through DAC0832 chip.Finally the analogy pulsed signals were filtered and amplified.The frequency,duty cycle and amplitude of the output pulsed signals could be adjusted by button.In addition,the parameters of the output signals could be displayed in real time by LCD1602 liquid crystal screen.ResultsThe results of measurement of TEKTRONIX oscilloscope showed that the signals generator could output satisfied signals with frequency range between 0 and 2 kHz,stepped by 0.5 Hz,duty cycle range from 10%to 80%,voltage range from 0 to 5 V.ConclusionThe intelligent low frequency pulsed signals generator features compact structure, easy operation,especially can ensure the high precision and reliability of output signals.[Chinese Medical Equipment Journal，2014，35（11）：12-14，118]
low frequency pulse;single chip;signals generator;duty cycle;independently adjustable
R318.6；TP346
A
1003-8868（2014）11-0012-04
10.7687/J.ISSN1003-8868.2014.11.012
国家自然科学基金项目（81301344）
焦明克（1978—），男，博士，工程师，主要从事电磁场医学应用和生物医学信号检测方面的研究工作，E-mail：jmkok@126.com。
830000乌鲁木齐，兰州军区乌鲁木齐总医院医学工程科（焦明克，楼 林，耿西亮，焦 琳，张 鹏，张文远，张 新）
