设计报告-基于ARM的数字化中频电子治疗仪

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1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BasedonARMDigitalizedMediumFrequencyElectronicTherapeuticInstrumentAbstractIntheprocessofpaincontrolofmedicalscience,,itisusualtostimulatenervesormusclesthroughtheelectrodesbyelectricalsignals,suchaschangeablesquarewavesorsinewaves,soastorelievethepainofailmentbycontrollingcorrespondingfunctionsortheactionofintramuscularconstrictionanddilatation.Inrecentyears,onthebasisofmedicalresearch,bell-likewaveandexponentialwavearemostsuitableforuse.ThemethodofcuringwaveformgeneratedbyARMembeddedmicroprocessorandD/Atransformerisadoptedinthispaper.Thediscretebell-likewaveandexponentialwavearegeneratedthroughthes3s2410microcontroller,andthenthedigitalsignalisconvertedintoanalogsignalthroughD/Atransformchips.Nexttheanalogsignalgeneratesthecuringwavethroughpoweramplifyingandisolatedoutputcircuits.Thisplanofdigitalizedmediumfrequencycuringinstrumentsolvedthedifficultyofgeneratingbell-likewaveintraditionalanalogmediumfrequencyelectroniccuringinstrument.Itcouldgeneratebell-likewaveandexponentialwaveaccordingtocuringmethod.Keywords:ElectronicTherapeuticInstrument，MedicalCareEquipment,EmbeddedSystemApplication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第一章前言.............................................................................................................................3第二章系统方案.....................................................................................................................3第三章功能与技术指标.........................................................................................................43．1系统的功能.............................................................................................................43．2系统的技术指标.....................................................................................................4第四章实现原理.....................................................................................................................44.1基于S3C2410ARM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...................................................................................................................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DPCB图.................................................................................................................22基于ARM的数字化中频电子治疗仪大连理工大学城市学院3波形输出A/DGPIO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。波形选择强度选择人机操作界面电阻电压转换电路S3C2410核心板开关状态采集电路功率放大与隔离D/A转换器基于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