基于单片机的运动功能康复治疗信号发生器的设计

吴芳

摘要：目的：设计一种功能性电激励（FES）信号发生器，主要用于刺激患者截瘫部位以促进自身部分运动功能的恢复。方法：硬件系统基于AT89C52 MCU和DAC0832数模转换芯片。通过分析常见波形和动物实验中提取出的控制运动的神经信号波形的时域特征来设计单片机程序，实现软硬件协同之后，可产生预期波形作为治疗仪的信号源。结果：经过测试，该信号发生器给出了各时域波形图，包括如正弦波、矩形波、三角波等常见信号，以及与控制运动相关的神经信号波段。结论：与传统的信号发生器[1]相比，该信号发生器结构简单，功能齐全，成本低廉。并且，记录与控制运动相关的神经信号，通过数据分析编入程序共同作为运动功能康复治疗仪的信号源，这更有利于诱发协调的肢体动作，减少肌疲劳。

关键词：功能性电激励;信号发生器;单片机

中图分类号：TP311        文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2019）13-0259-04

Abstract： Objective： In order to promote paraplegia patients recovery of part of motor function， we design this functional electrical stimulation （FES） signal generator. Method： The hardware system consists of main control unit， conversion unit and output unit， with AT89C52 MCU and DAC0832 digital analog converter as the core .By analyzing the time domain characteristics of common waveforms and the neural signals which relate movement from animal experiments， we design SCM program to cooperate hardware design with software， and then the expected waveforms can be produced as signal sources of therapeutic apparatus. Results： After tests， this signal generator can produce each signal in the time domain waveform ， including common waveforms such as sine wave， rectangular wave， triangular wave signal， and neural signal bands relating movement .Conclusion： Compared with the traditional signal generators [1]， the signal generator has the advantages of simple structure， complete functions， low cost， convenient use. At the same time， using the neural signals which relate movement from animal experiments as signal sources of motor function rehabilitation treatment instrument is beneficial to induce the coordinated movement and reduce muscle fatigue.

Key words： Functional electrical stimulation; Signal generator; MCU

神經损伤后功能的恢复一直是医学界的研究热点。特别是脊柱、脊髓损伤[2]后造成的后果往往比较严重，损伤后的肢体功能恢复极为困难。

随着微电子技术、微纳技术和生物技术等相关领域的快速发展，功能性电激励在康复医学中的应用越来越广。科学家和康复医学工程师一直在设计基于功能电刺激（FES）的康复设备，以控制瘫痪患者的肢体运动 [3-7]。FES使用外部电信号来刺激神经或肌肉，以改善相应功能。它可用于重建上肢的运动，促进下肢的站立、平衡、姿态和步态训练。FES为瘫痪患者的康复提供了新方法和技术，尤其是运动功能的修复。然而，这些功能电激励设备采用的都是人工设置的正弦波、方波、三角波、锯齿波、梯形波等电信号来刺激神经或肌肉。在动作协调性方面还存在欠缺，且由于神经的逆序兴奋容易导致肌疲劳。为此，本文研究了运动功能康复治疗用信号发生器，它除了能产生传统的单向脉冲、双向对称脉冲和梯形波脉冲激励信号外，还可以调用一系列与脊髓神经控制下肢运动相关的原始神经信号，将与控制运动相关的神经信号记录下来作为运动功能康复治疗仪的信号源，这将有利于诱发协调的肢体动作，减少肌疲劳。

1 运动功能康复治疗仪系统组成

功能性电激励用信号发生器的硬件设计主要由主控单元、转换单元和输出单元组成（如图1）。其中主控单元通过编程实现单片机输出脉冲信号的波形和持续时间的设置，芯片输出数字信号，信号通过模数转换器转换为模拟信号。DAC0832是一个电流型转换器，所以在转换单元中添加了电流转换为电压的电路。最后，通过放大电路和滤波电路的作用，输出信号与所需的平滑曲线相匹配。

1.1主控单元

AT89C52 是 由ATMEL 生产的一种低功耗、低电压、高性能的 8 位微控制器[8]。它由一个中央处理器CPU，随机存取存储器RAM，只读存储器ROM，I/O接口，定时器/计数器和串行通讯接口组成。由于它是一个独立的微型计算机，这种芯片的系统简单可靠。中断系统允许处理器处理外部异步事件。AT89C52共有6个中断向量，其中包括两个外部中断（INT0和INT1），3个定时器中断（定时器0，1，2）以及1个串行端口中断（如图2）。使用AT89C52构成最小应用系统时，只要将其连接到时钟电路和复位电路即可。晶体振荡器，是产生原始时钟频率中常用的电路元件，时钟频率越高，则MCU运行速度就越快。

本信号发生器中，S1控制波形的切换，S2控制频率的切换。晶振频率为11MHz，与单片机内部电路相结合，可以产生运行所需要的时钟频率。

1.2转换单元

由于MCU输出数字信号，为了获得所需的波形，数字信号被转换成模拟信号。如图3所示，DAC0832是一款8分辨率D/A转换集成芯片，具有8位输入锁存器，8位DAC寄存器，8位D/A转换电路及逻辑转换控制电路[9]。ILE、CS、WR1的逻辑组合产生LE，当LE为高电平时，数据锁存器状态随输入数据线变换，LE负跳变时将输入数据锁存。DAC0832的输出不是真正连续可调，而是以绝对分辨率为单位增加或减少，此时外接运放可使电流型输出转换为电压型输出。

DAC0832有三种工作模式：直通模式、单缓冲模式和双缓冲模式，CSDA：片选信号输入线（选通数据锁存器），低电平有效;WR：数据锁存器写入选通输入线，负脉冲有效（脉宽大于500ns）。本设计中，DAC0832的数据口（D0-D7）与单片机P0口相连，即采用直通模式，实现八位数据并行传输。输出端接放大器，实现电压型输出。

1.3输出单元

如图4，第一级运算放大电路将DAC0832输出的电流信号转换为电压信号，第二级运放是将信号放大，放大倍数为

[A=-（R2/R1）]                                         （1）

本設计中，R1选择5KΩ的电阻，R2选择10KΩ的电位器，可根据实际需要通过改变电阻的大小来改变放大倍数。

低通滤波器连接到放大电路的输出端，截止频率为

[f=1（2π?C1?R3）]                                    （2）

低通滤波器起滤波和平滑的作用：选择合适的参数以获得更好的滤波效果。本设计C1选择104F的电容，R3选择100Ω的电阻，采用100Hz-800Hz的带宽范围。

2 软件设计

波形产生程序的设计是设计的关键。在系统设计中，单片机只能产生数字信号，无论是信号频率还是信号幅度都是离散点。根据不同波形的时域特性，采用不同的方法实现，这由计算机来完成[10]。

在本文中，对信号的量化是通过MATLAB软件实现的。其中生成方波的方法相对简单，只要周期性地输出最小值和最大值即可。正弦波的生成是通过对标准正弦波进行采样输出得到的，采样间隔越小，正弦波的输出精度越高，失真度也越小。对于三角波，通过由最小值到最大值和由最大值到最小值的循环来实现输出。

AT89C52 MCU线路简单、结构紧凑、体积小、价格低廉、频率稳定度高、抗干扰能力强、用途广泛。通过设计程序控制单片机输出低频信号，同时，如果需要生成新波形，只需修改程序即可。主程序的设计流程框图如图5所示。

本程序中的两个外部中断分别起到控制波形和频率变化的作用，程序设计流程如图6所示。

3 运行结果

连接好MCU，DA转换器，运算放大器和滤波电路，下载设计的完整程序，并通过示波器检验输出波形。设计原理上S1控制各种波形的切换，结果表明不断按S1，示波器将依次显示正弦波、方波、锯齿波、梯形波、三角波以及原始神经信号，如图7所示。

设计原理上，S2控制波形频率的改变，实验结果证明每种波形下不断按S2，波形的频率的将依次在800Hz，400Hz，267Hz，200Hz，160Hz，133Hz，114Hz，100Hz中循环切换大小。从而成功完成了功能电激励信号发生器的仿真设计。

4 总结

该功能性电激励信号发生器设计简单，具有价格低廉，操作方便，功能齐全的优点，不仅能够产生周期可变的常见信号，还从动物实验中提取与控制运动相关的神经信号，对其进行时域分析后编入波形设计程序，从而作为运动功能康复治疗仪的信号源之一发挥作用，这有利于诱发协调的肢体动作，减少肌疲劳。如有需要，修改波形设计程序或添加适当的子程序，以生成具有更多波形的信号源。

但是，本文设计出的功能性电激励用信号发生器是在静态条件下进行的，若在锻炼过程中，仍然不能根据患者的具体情况进行有效的动态刺激，为此，我们将进一步引入实时信号采集系统以提高系统功能。

参考文献：

[1] 杨晶晶，刘岩. 基于AT89C52单片机的超低频信号发生器设计[J]. 现代电子技术，2015，34（4）：29-31.

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[9] 谢增忠.基于单片机的波形发生器的硬件设计[J].工程技术，2013（3）：26-29.

[10] 李伟龙.基于单片机的函数信号发生器设计[J].机械与自动化，2013（5）：83-84.

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