基于ARM的数字化中频电子治疗仪 大连理工大学城市学院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方案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题，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 InstrumentAbstractIn 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 第一章 前言3第二章 系统方案3第三章 功能与技术指标431 系统的功能432 系统的技术指标4第四章 实现原理44.1 基于S3C2410 ARM嵌入式系统硬件实现原理44.2 离散波形实现原理54.2.1存在的问题54.2.2 问题的解决方案64.3 数/模转换实现原理84.4 波形功率放大与隔离实现原理94.5 人机界面及实现原理9第五章 系统测试与结果分析10第六章 系统特色12参考文献12附录 A 源程序清单12附录 B 源程序12附录 C 电路原理图21附录 D PCB图21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。功率放大与隔离D/A转换器开关状态采集电路人机操作界面GPIO波形输出波形选择S3C2410核心板强度选择电阻电压转换电路A/D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31 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。32 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：2400HZ100HZ（3）调制波形：随机调幅（4）输出波形幅度：0140Vp-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，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。电源复位JTAG调试接口 JTAG LCD 液晶屏 S3C2410核心板 RS232串口0 UART0触摸屏接口RS232串口1 UA UART1 D/A转换RS232串口2 SPI UART2 USB接口A/D输入通道 HUSB 10/100M网卡RJ45接口 总线 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： （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