基于M0518LC2AE的无极性恒流电刺激器的设计
基于M0518LC2AE的无极性恒流电刺激器的设计
本文提出了一种双极性恒流电刺激器的设计方案，并给出了具体的实现方法，该刺激器可用于合成多种信号调幅的无极性指数脉冲，不仅能满足治疗效果，还兼顾了刺激的安全性。
M0518LC2AE主控芯片
超低功耗单片机M0518LC2AE的工作电压为1.8V-3.6V，晶振为32.768kHz的低速晶振，活动模式的功耗仅为250μA，使系统具有较低的动态功耗；具有32KBFLASH，用于存储程序和较大量的调幅信号波形数据；内置12位D/A转换器用于调幅波形数据的片内数模转换，输出特定频率和幅度的调幅信号；TimerA定时器用于产生特定频率的方波调制信号和外围电路控制信号。另外，M0518LC2AE还五种低功耗模式，可以通过软件控制芯片的工作方式，进行系统状态的实时调度，使整个系统达到最低的功耗并发挥其最优的性能[5,6]。
信号合成模块
（1）调幅电路：实现方波信号调幅。
MSP430单片机P1.2口输出方波脉冲，D/A输出调幅信号，晶体管起到高速开关电路的作用，放大器工作为跟随器。晶体管的截止时间由基极方波脉冲的高电平决定。当基极电压V2>UBE时，晶体管导通，D/A转换输出电路的电流直接流向地，后级放大器输入为0，输出Vout为0；当基极电压U2<Ube时，晶体管截止，D/A转换输出电路的电流直接流向后级的放大器，输出Vout=V1。
（2）微分电路：用于将方波整形为指数波。微分电路分为无源器件和有源器件的形式，有源微分电路具有更好的性能，并便于电路前后级之间的阻抗匹配，电容Cx具有防止电路产生振荡，抑制高频增益和减少输出噪声的作用。
微分电路的输出电压Vo和输入电压Vin之间为微分关系。
(1)全波整流电路：实现将微分后的双极性刺激信号全波整流为单极性信号。采用完全无需二极管并可在单电源供电情况下运行的全波整流，具有处理满摆幅的输入和输出、消除二极管压降的影响和实现高精度的小信号整流的特点。
(2)双极性控制电路：用于控制单极性信号的偶次周期时间间隔内得到反极性的电流输出，实现单极性信号的双极性输出。采用了单片机MSP430产生的极性相反的一组脉冲和三极管来控制输出极性的转换。三极管工作在开关状态，通过脉冲信号控制不同组合三极管的导通和关闭来实现负载上电流的流向，从而实现极性的控制，其原理如图4所示。
双极性控制原理
当开关K1和K4闭合，并且K2和K3断开时，负载RL上的电流方向由左向右；而当开关K2和K3闭合，并且K1和K4断开时，负载RL上的电流方向由右向左，实现了单极性信号在负载上的双极性输出。
(3)恒流源输出电路：实现输出幅度的控制以及恒定电流输出，输出电流不受负载变动的影响。电路由轨到轨单电源运算放大器MCP6004、CMOS管、电源以及刺激电极(即负载RL)组成。
无极性恒流电刺激器采用了M0518LC2AE微控制器，可以根据需要输出各种信号调幅的无极性指数脉冲，而无需更改软件和硬件结构，具有灵活性好、输出电流不受负载阻抗变化、安全可靠的特点；另外，设计结合了便携式设计方法，采用体积贴装芯片,也无需外接D/A转换器件、液晶驱动模块等,减小了整机的体积,提高了整机的性价比。
