设计报告-基于ARM的数字化中频电子治疗仪.doc

-基于ARM的数字化中频电子治疗仪.doc 2008第四届“博创杯”全国大学生嵌入式系统设计大赛 参赛作品 基于ARM的数字化中频电子治疗仪 设计报告 参赛学校:大连理工大学城市学院 作 者:于铁夫、沙硕、李伟 指导教师:金建设、孙承科、王永辉 基于ARM的数字化中频电子治疗仪 大连理工大学城市学院 基于ARM的数字化中频电子治疗仪 摘 要 医学上，在进行疾病控制时，通常可以通过电极以一定波形(如方波、正弦波等)、幅度、 占空比等电信号对神经或肌肉进行刺激，以使其支配相应的功能或肌肉产生收缩,舒张动 作，从而有利于症状的减轻。近年来，通过研究发现，钟形波和指数波等是最适合人体的物 理治疗波形。本文采用了由ARM嵌入式微处理器和D/A转换器来产生治疗波形的方法，通过 S3C2410芯片产生离散钟形波和指数波，然后通过D/A转换芯片把数字信号转化为模拟信号， 再利用功率放大与隔离输出电路来产生治疗波形。该种中频治疗仪的数字化解决了传统 的模拟式中频电子治疗仪很难产生钟形波的难，能根据治疗需要产生钟形波形和指数波 形。 关键词:电子治疗仪;医疗设备;嵌入式系统应用 Based on ARM Digitalized Medium Frequency Electronic Therapeutic Instrument Abstract In the process of pain control of medical science, , it is usual to stimulate nerves or muscles through the electrodes by electrical signals, such as changeable square waves or sine waves, so as to relieve the pain of ailment by controlling corresponding functions or the action of intramuscular constriction and dilatation. In recent years, on the basis of medical research, bell-like wave and exponential wave are most suitable for use. The method of curing waveform generated by ARM embedded microprocessor and D/A transformer is adopted in this paper. The discrete bell-like wave and exponential wave are generated through the s3s2410 microcontroller, and then the digital signal is converted into analog signal through D/A transform chips. Next the analog signal generates the curing wave through power amplifying and isolated output circuits. This plan of digitalized medium frequency curing instrument solved the difficulty of generating bell-like wave in traditional analog medium frequency electronic curing instrument. It could generate bell-like wave and exponential wave according to curing method. Key words: Electronic Therapeutic Instrument，Medical Care Equipment, Embedded System Application 1 基于ARM的数字化中频电子治疗仪 大连理工大学城市学院 第一章 前言............................................................................................................................. 3 第二章 系统方案 ..................................................................................................................... 3 第三章 功能与技术指标 ......................................................................................................... 4 3(1 系统的功能 ............................................................................................................. 4 3(2 系统的技术指标 ..................................................................................................... 4 第四章 实现原理 ..................................................................................................................... 4 4.1 基于S3C2410 ARM嵌入式系统硬件实现原理 ..................................................... 4 4.2 离散波形实现原理 .................................................................................................... 5 4.2.1存在的问题 ...................................................................................................... 5 4.2.2 问题的解决方案 ............................................................................................. 6 4.3 数/模转换实现原理 ................................................................................................... 8 4.4 波形功率放大与隔离实现原理 ............................................................................... 9 4.5 人机界面及实现原理 ................................................................................................ 9 第五章 系统测试与结果 ............................................................................................... 10 第六章 系统特色 ................................................................................................................... 11 参考文献................................................................................................................................. 11 附录 A 源程序清单 .............................................................................................................. 11 附录 B 源程序 .................................................................................................................. 12 附录 C 电路原理图 .............................................................................................................. 21 附录 D PCB图 ................................................................................................................. 22 2 基于ARM的数字化中频电子治疗仪 大连理工大学城市学院 第一章 前言 热敷、针灸、按摩等疗法，是我国历史上流传下来的利用物理因素起作用的治病方法。这些方法对许多病症均有较好的疗效。因此，研究并设计各种物理疗法在人体上起作用的电子治疗设备，是当今电子医疗健康设备的一个重要课题，应用前景广阔。 在医学上进行疾病控制时，通常可以通过电极以一定波形(如方波、正弦波等)、幅度、占空比的电信号对神经或肌肉进行刺激，以使其支配相应的功能或肌肉产生收缩,舒张动作，从而有利于症状的减轻。由于不同部位的神经或肌肉对电刺激发生的敏感水平不同，不同强弱和不同性质的电信号所产生的治疗效果是不一样的。近年来，通过研究发现钟形波和指数波等是最适合人体的物理治疗波形。 由于模拟式电子电路产生良好的钟形波形非常困难，所以传统的模拟式电子治疗仪一般采用指数波作为治疗波形。随着计算机技术，特别是嵌入式系统的发展，使根据治疗需要产生任意的波形成为可能。本文采用了由ARM嵌入式微处理器S3C2410、D/A转换器、波形功率放大与输出隔离电路来产生治疗波形的系统解决方案。通过S3C2410芯片产生离散钟形波和指数波，然后通过高速D/A转换芯片把数字信号转化为模拟信号，再利用功率放大与隔离输出电路来产生治疗波形。经测试表明基于ARM的数字化电子中频治疗仪解决了传统的模拟式中频电子治疗仪难以产生钟形波的难题。 第二章 系统方案 数字化中频电子治疗仪由波形产生、功率放大与隔离输出、人机操作界面等几部份组成。本系统硬件采用博创科技的UP-NETARM2410-S核心板配备必要的接口及外围电路构成ARM嵌入式系统，设计了功率放大与隔离输出电路和人机操作界面，系统的硬件框图如图2-1所示。 功GPIO 波形选择 D/A 率人开关状态 波形输出 转放采集电路 机 S3C2410 换 大操强度选择 器 核心板 与作 隔 界电阻电压A/D 离 面 转换电路 3 基于ARM的数字化中频电子治疗仪 大连理工大学城市学院 图2-1 数字化中频电子治疗仪硬件构成框图 中频电子治疗仪的治疗波形，对机体相关器官和组织的电刺激作用影响很大，本文采用频率为2.4kHz的钟形波和指数波作为治疗仪的输出波形，为了适应不同的患者和患者不同状态时的治疗需要，系统提供钟形波和指数波两种选择方案且输出波形强度可连续调节的功能。 第三章 功能与技术指标 3(1 系统的功能 数字化中频电子治疗仪实现的功能包括: (1) 产生治疗需要2.4kHz的钟形波和指数波，通过电极输出; (2) 为了适应不同的患者和患者不同状态时的治疗需要，可以通过操作界 面选择钟形波或指数波; (3) 输出波形强度可以根据患者的感觉连续地进行调节; (4) 采用隔离输出模式，确保患者治疗的安全。 3(2 系统的技术指标 系统的技术指标为: (1)治疗波形:双向钟型脉冲和双向指数脉冲; (2)治疗频率:2400HZ?100HZ (3)调制波形:随机调幅 (4)输出波形幅度:0,140Vp-p连续可调 第四章 实现原理 4.1 基于S3C2410 ARM嵌入式系统硬件实现原理 根据产品化的需要，本文在北京博创科技公司UP-NETARM2410-S核心板的基础上设计了ARM嵌入式硬件系统，系统的硬件配置如图4-1所示。硬件系统设计除了考虑数字化中频治疗仪的运行平台的需要外，还考虑到具要一定的通用性， 4 基于ARM的数字化中频电子治疗仪 大连理工大学城市学院 既可用于其它嵌入式系统应用产品开发的需要，也考虑到系统调试的方便。 电复JTAG 源 位 调试接口 JTAG UART0LCD 液晶屏 RS232串口0 UA UART1 触摸屏接口 RS232串口1 SPI UART2 S3C2410核心板 D/A转换 RS232串口2 HUSB USB接口 A/D 输入通道 10/100M网卡 总线 RJ45接口 总线隔离驱动电路 系统扩展槽 图4-1基于S3C2410的ARM嵌入式系统硬件构成框图 4.2 离散波形实现原理 4.2.1存在的问题 系统的治疗波形需首先由计算机产生离散波形，在经D/A和功率放大和隔离从电极输出，下面以钟形波为例说明离散波形的实现原理。 钟形波的数学模型为: 2,,tftAe(), (4-1) 看起来，利用C语言的函数库实现该数学模型的数值解是很容易的事情，但实际上在实现过程中我们遇到如下几个问题:第一，由于治疗波形是要求中频频 5 基于ARM的数字化中频电子治疗仪 大连理工大学城市学院 ,率，本系统要求的频率是2.4KHz100Hz，而经过计算，一个周期至少要描述50个点以上才能保证数值逼近不存在较大的失真，而使用C语言函数库中的函数在计算速度上不能满足要求。第二，由于要克服肌体对波形的适应性，所以我们必须采用随机调幅的函数来对波形进行调幅，在离散算法中也应该体现，针对以上问题我们经过试验采用以下解决方案。 4.2.2 问题的解决方案 为了提高离散波形的数值计算速度，本文使用了查表的方法。就是创建一个数组，然后把通过公式3-1计算得到的浮点数据全部存储到数组中去，进行数值计算时查表循环输出，既可得出波形的离散点的数值。虽然看起来有点麻烦，但是确实大大提高了计算机对离散波形的计算机速度。 其次，D/A转换器只能转换整形数据，其他类型的数据要通过公式转换才能转换，本文提出了把转换公式放到D/A转换函数外面的办法，提高了程序的执行速度。 同时对波形进行随机调幅也采用把随机调幅的函数数值计算出来，然后也存进一个数组中，接着，通过循环巧妙的调用来进行数值计算。 具体函数如下: for(t=0;t<40;t++) { for(q=0;q<40;q++) { u[q+(t*80)]= (unsigned int)(((a[q]*d[t]+1.85)*1024)/4.096); } for(r=0;r<40;r++) { u[(40+r)+(t*80)]= (unsigned int)(((2.15-a[r]*d[t])*1024)/4.096); } } 注意da_main()函数中的式子，这是本系统中的最精髓部分。正是因为这个函数，才解决了循环和数值计算的关键问题。也就是如果通过循环把随机调幅函数和钟形波函数很好的联系起来。 每个周期，有上下两个半波。我们采用的是一个周期80个点的描述。所以，第一个周期是a[0],a[79]，我们把这个周期里的所有函数乘以一个相同的系数，就完成了波形的调幅。这个系数是存储在另外一个数组d[40]中的。他们是平均分布的随机函数。我们人为的把他的范围设在0,5V之间，它的上限，即 6 基于ARM的数字化中频电子治疗仪 大连理工大学城市学院 5V可以通过外界参数的改变而改变，这就达到了随机调幅的同时，还能人为改 变幅度的效果。 我们一共计算了3200个点，这些点足够我们描述40个波形，通过40个波 形就可以描绘出更多的波形。 包括波形点计算的系统主程序框图如图4-2所示。 开始 系统初始化 函数定义 波形点计算 存入数组 N 全部存储完成 Y N 钟形波 Y 指数波 Y 更改参数 N 新参数 查表计算 D/A转换 图4-2 系统主程序框图 7 基于ARM的数字化中频电子治疗仪 大连理工大学城市学院 4.3 数/模转换实现原理 考虑到快速转换和与S3C2410连接方便，本文的D/A转换选择TLV5616 芯片。TLV5616是一种具有4线可复用串口的12位电压输出D/A转换器。这种4线串口可以复用TMS320，SPI，QSPI和Microwire串口。TLV5616可编程输入16位字符串，其中包含4个控制位和12和数据位。输入电压范围从2.7V到5.5V。 1( TLV5616芯片十二位D/A转换器的特点 ?12位D/A电压输出 ?可编程的建立时间和电源消耗 3 us 快速模式 9 us 正常模式 ?超低电源消耗: 900 uW 正常模式 (3V) 2.1 mW 快速模式 (3v) ?1 LSB (MAX) ?可以与TM320和SPI总线相兼容 ?具有省电模式 (10 nA) ?高阻抗缓冲器参考输入 ?输出电压范围为2倍的参考输入电压 ?电压不随温度变化 ?MSOP封装 2(D/A转换电路图 TLV5616芯片系统连接的电路图如图4-3所示。 U1001VCCMOSI018DINVDDP1001SPICLK027SCLKOUT12nSS136CSREFINVCCGNDHeader 2nSS045FSGND R1001TLV5616GND 1K GND 图4-3 TLV5616芯片系统连接的电路图 8 基于ARM的数字化中频电子治疗仪 大连理工大学城市学院 4.4 波形功率放大与隔离实现原理 D/A输出的0~3(3V电压信号的功率达不到治疗波形的功率要求，此外为了保证电子治疗仪的治疗安全，本文设计了波形功率放大与隔离电路。波形功率放大与隔离电路图如图4-4所示。 图4-4 波形功率放大与隔离电路图 4.5 实现原理 实现原理 根据选择治疗波形和调节波形强度的需要，本文设计了人机操作界面，界面采用传统的仪表面板，由开关、指示灯、多圈电位器等组成，功能包括电源开关、复位、波形选择切换、波形强度调节及刻度显示。其波形选择与波形强度调节电路如图4-5所示。 图4-5 波形选择与波形强度调节电路图 9 基于ARM的数字化中频电子治疗仪 大连理工大学城市学院 第五章 系统测试与结果分析 系统测试分电气测试和人体测试两个步骤进行: (1)电气测试 首先使数字化中频治疗仪正常工作，使用示波器测量电极的电压输出波形，进行波形选择和波形强度调节反复进行测试，测试结果表明数字化中频治疗仪能按设计产生输出波形，图5-1和图5-2分别为在示波器上显示的钟型波和指数波的显示结果的例子。 图5-1 钟形波形输出示波器显示 图5-2指数波形输出示波器显示 10 基于ARM的数字化中频电子治疗仪 大连理工大学城市学院 (2)人体测试 我们选择10名患有肩周炎的人进行测试，所有的受试者有明显的减轻疼痛和舒适的感觉，至于疗效的评价还需做进一步做大量的临床试验。 第六章 系统特色 (1)本设计将过去模拟电路实现的中频治疗波改造成由ARM嵌入式系统来实现，充分发挥了嵌入式计算机的长处和优点，解决了模拟电路产生钟型波的难题。 (2)针对用计算机产生中频离散治疗波形的仿真计算速度的要求，在算法上采取技术措施保证了实时保真波形的实现。 (3)本数字化中频治疗仪操作简单方便，并在设计上采用隔离输出保证了使用者的人身安全。 参考文献 [1] 魏洪兴，胡亮，曲学楼. 嵌入式系统设计与实例开发实验教材II [M] .北京:清华大学出版社，2005. [2] 孙承科，娄凤阁，毛德祥，王海，谷秀卿，周彦文。多功能电子医疗设备的波形设计与实现。大连理工学院学报，1987。 [3] 孙承科，毛德祥，王树本，娄凤阁，刘茂家，王士仁，谷秀卿。关于克服中频电子治疗机对肌体产生适应性问题的理论研究。大连理工大学学报，1989。 [4] 孙承科，毛德祥，娄凤阁，王树本，崔恩礼，刘茂家。随机调幅中频电子治疗仪的研制。中国医疗器械杂志，1994年，第18卷，第4期。 [5] 孙承科，刘 杰，毛德祥，接桂财，王树本，梁 枫。伪随机信号调幅中频电子治疗仪的研究。大连理工大学学报，1996年，第36卷，第1期。 附录 A 源程序清单 1.zsb.c 2.uniform.h 3.ad_main.h 4.da_main.h 5.Makefile 6.driver.c 11 基于ARM的数字化中频电子治疗仪 大连理工大学城市学院 7.s3c2410-adc.h 附录 B 源程序 ,. zsb.c /******************************************************************/ //function: Verify the username and password //author: Shashuo Liwei //date: 2008-9-5 //modify log: /*************************** login_zsb.c****************************/ #include #include #include "uniform.h" #include "da_main.h" #include "ad_main.h" #include #include #include #include #include #include #define E 0.1 static int fd; static int bit; void zxb() { double c=0.,b=5.,x; //定义随机函数的变量 long int s=13579; //定义随机函数的种子 double m,n,w,y,k,z; int p,q,r,t,j; double a[40],d[40]; //定义装载波形和随机调幅函数的数组 unsigned int u[3200];//定义合成函数的数组 while(ioctl(fd,0,0)) { float l=(-2.0); y=((float)GetADresult(0)*3.3)/1024.0; //将AD转换的数据写入调控幅 12 基于ARM的数字化中频电子治疗仪 大连理工大学城市学院 值的参数 for(p=0;p<40;p++) //将波形和随机函数的数据循环写入数组 { n=l*l; w=(-1)*n; z=exp(w); m=(0.11)*y*z; a[p]=m; //单一指数波的描述 x=uniform(c,b,&s); //调用随机数生成函数 d[p]=x; l=l+0.1; //将生成的随机数循环写入数组 } for(t=0;t<40;t++) { for(q=0;q<80;q++) //前半个周期的波形 { u[q+(t*80)]=(unsigned int)(((a[q]*d[t]+2)*1024)/4.096); } //单一波形与随机调幅数相乘后，换算成D/A转换器能接受的整形数据存入数组u[3200]中,其中+1.85和下面的2.15-是为了使波形更加连续,经过电容隔直后,就能出现正负交替变化的波形. for(r=0;r<40;r++) //后半个周期的波形 { u[(40+r)+(t*80)]=(unsigned int)(((2.00-a[r]*d[t])*1024)/4.096); } } for(k=y;((k-y)>(-E)&&(k-y)(-E)&&(k-y) #include #include #include #include #include #include #include "s3c2410-adc.h" #define ADC_DEV "/dev/adc/0raw" static int adc_fd = -1; //设置全局变量 static int init_ADdevice(void) //AD 设备初始化 { if((adc_fd=open(ADC_DEV, O_RDWR))<0){ printf("Error opening %s adc device\n", ADC_DEV); //若初始化失败打印出错信息 return -1; } } static int GetADresult(int channel) { int PRESCALE=0XFF; int data=ADC_WRITE(channel, PRESCALE); //将AD通道的值写入DATA 16 基于ARM的数字化中频电子治疗仪 大连理工大学城市学院 write(adc_fd, &data, sizeof(data)); //将DATA中的值写入AD设备 read(adc_fd, &data, sizeof(data)); //读取AD设备中的值 return data; } ,. da_main.h /******************************************************************/ //function: Verify the username and password //author: Shashuo Liwei //date: 2008-9-5 //modify log: /*************************** login_da_main.h***************************/ #include #include #include #include #define DA0_IOCTRL_WRITE 0x10 //定义写入DA0通道的地址 #define DA1_IOCTRL_WRITE 0x11 //定义写入DA1通道的地址 #define DA_IOCTRL_CLR 0x12 //定义D/A转换清零的地址 #define Max504_FULL 4.096f //定义D/A转换上限为4.096V static int da_fd = -1; char *DA_DEV="/dev/exio/0raw"; //设备挂载 void Delay(int t) //延迟程序 { int i; for(;t>0;t--) for(i=0;i<2;i++); } /***********************************************************/ int da_main(unsigned int v) //D/A转换主函数 { if((da_fd=open(DA_DEV, O_WRONLY))<0) { //判断设备是否工作正常 printf("Error opening /dev/exio/0raw device\n");//不正常则打印错误信息 return 1; //退出程序 } ioctl(da_fd, DA_IOCTRL_CLR, 1); //清除D/A数据 ioctl(da_fd, DA1_IOCTRL_WRITE, &v); //向D/A写数据 close(da_fd); //关闭D/A 17 基于ARM的数字化中频电子治疗仪 大连理工大学城市学院 return 0; } ,. Makefile /******************************************************************/ //function: Verify the username and password //author: Shashuo Liwei //date: 2008-9-5 //modify log: /***************************login_Makefile*************************/ TOPDIR = ../ include $(TOPDIR)Rules.mak EXTRA_LIBS += -lpthread TARGET = zsb zsb: zsb.o $(CC) $(CFLAGS)$^ -o $@ -lm install: $(EXP_INSTALL) $(EXEC) $(INSTALL_DIR) clean: -rm -f *.o a.out da *.gdb zsb ,. driver.c /******************************************************************/ //function: Verify the username and password //author: Yonghui Wang //date: 2008-9-5 //modify log: /*************************** login_driver.c****************************/ //打开内核 #ifndef __KERNEL__ #define __KERNEL__ #endif #ifndef MODULE #define MODULE #endif #include 18 基于ARM的数字化中频电子治疗仪 大连理工大学城市学院 #include #include #include #include "/arm2410s/kernel-2410s/include/asm-arm/arch-s3c2410/S3C2410.h" ODULE_LICENSE("GPL"); M //设备号 #define IOPORT_MAJOR 220 typedef char ioport_device_t; long port_addr; static ioport_device_t gpio_device[257]; //gpio控制函数 int gpio_open(struct inode *,struct file *); int gpio_release(struct inode *,struct file *); int gpio_ctl_ioctl(struct inode *,struct file *,unsigned int,unsigned long); /*-------------------------------------------------------------------------*/ static struct file_operations gpio_ctl_fops= { ioctl:gpio_ctl_ioctl, open:gpio_open, release:gpio_release, }; /*--------------------------------------------------------------------------*/ //打开gpio端口 int gpio_open(struct inode *inode,struct file *flip) { int minor; minor=MINOR(inode->i_rdev); set_gpio_ctrl(GPIO_MODE_OUT|GPIO_F0); set_gpio_ctrl(GPIO_MODE_OUT|GPIO_F6); set_gpio_ctrl(GPIO_MODE_OUT|GPIO_F1); gpio_device[minor]++; 19 基于ARM的数字化中频电子治疗仪 大连理工大学城市学院 return 0; } /*---------------------------------------------------------------------------*/ //释放gpio端口 int gpio_release(struct inode *inode,struct file *filp) { int minor; minor=MINOR(inode->i_rdev); if(gpio_device[minor]) gpio_device[minor]--; return 0; } /*----------------------------------------------------------------------------*/ int gpio_ctl_ioctl(struct inode *inode,struct file *flip,unsigned int command,unsigned long arg) { int err=0; int test1,test2,test3,test4; switch(command) { case 0: test1=read_gpio_bit(GPIO_MODE_IN|GPIO_F1); // break; return test1; case 1: test2=read_gpio_bit(GPIO_MODE_IN|GPIO_F0); // break; return test2; case 2: test3=write_gpio_bit(GPIO_MODE_OUT|GPIO_F6,1); break; case 3: test4=write_gpio_bit(GPIO_MODE_OUT|GPIO_F6,0); break; } return err; } static devfs_handle_t devfs_handle; /*--------------------------------------------------------------------------------*/ 20 基于ARM的数字化中频电子治疗仪 大连理工大学城市学院 //内核入口参数 int init_module(void) { int ret; printk("good\n"); ret=register_chrdev(IOPORT_MAJOR,"gpiotest",&gpio_ctl_fops); devfs_handle=devfs_register(NULL,"gpiotest",DEVFS_FL_DEFAULT,IOPORT _MAJOR,0,S_IFCHR|S_IRUSR|S_IWUSR,&gpio_ctl_fops,NULL); return 0; } /*----------------------------------------------------------------------------------*/ //驱动卸载函数 void cleanup_module(void) { devfs_unregister(devfs_handle); unregister_chrdev(IOPORT_MAJOR,"gpiotest"); } ,. s3c2410-adc.h /******************************************************************/ //function: Verify the username and password //author: Shashuo Liwei //date: 2008-9-5 //modify log: /*************************** login_s3c2410_adc.h***********************/ #ifndef _S3C2410_ADC_H_ #define _S3C2410_ADC_H_ #define ADC_WRITE(ch, prescale) ((ch)<<16|(prescale)) #define ADC_WRITE_GETCH(data) (((data)>>16)&0x7) #define ADC_WRITE_GETPRE(data) ((data)&0xff) #endif /* _S3C2410_ADC_H_ */ 附录 C 电路原理图 请参考原理图PDF文件 21 基于ARM的数字化中频电子治疗仪 大连理工大学城市学院 附录 D PCB图 请参考PCB图PDF文件 22