基于單片機(jī)的智能可調(diào)低頻脈沖信號(hào)源的研制

焦明克，樓 林，耿西亮，焦 琳，張 鵬，張文遠(yuǎn)，張 新

基于單片機(jī)的智能可調(diào)低頻脈沖信號(hào)源的研制

焦明克，樓 林，耿西亮，焦 琳，張 鵬，張文遠(yuǎn)，張 新

目的：研制能夠輸出頻率、占空比和幅值獨(dú)立可調(diào)的低頻脈沖信號(hào)源發(fā)生器。方法：采用STC89C52單片機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)生低頻脈沖信號(hào)。應(yīng)用D/A轉(zhuǎn)換器DAC0832將單片機(jī)產(chǎn)生的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，最終進(jìn)行濾波和預(yù)放大。該輸出信號(hào)的頻率、占空比和幅度可通過(guò)程序和按鍵控制調(diào)節(jié)，輸出信號(hào)參數(shù)可通過(guò)LCD1602液晶進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。結(jié)果：采用TEKTRONIX示波器對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，該信號(hào)源輸出脈沖信號(hào)頻率可調(diào)范圍為0～2 kHz、步進(jìn)為0.5 Hz，占空比可調(diào)范圍為10%～80%，輸出電壓峰值為0～5 V。結(jié)論：該智能低頻脈沖信號(hào)源結(jié)構(gòu)緊湊、靈活可控，能夠保證輸出低頻脈沖信號(hào)準(zhǔn)確可靠。

低頻脈沖；單片機(jī)；信號(hào)源；占空比；獨(dú)立可調(diào)

0 引言

無(wú)論在信號(hào)檢測(cè)還是在電磁場(chǎng)的生物效應(yīng)方面，不同參數(shù)的電磁場(chǎng)均被廣泛地研究和應(yīng)用[1-3]，尤其是低頻脈沖電磁場(chǎng)（pulsed electromagnetic fields，PEMF）在促進(jìn)損傷組織修復(fù)的過(guò)程中具有重要作用[4-7]。而PEMF影響受損組織修復(fù)再生的生物效應(yīng)與生物組織對(duì)電磁場(chǎng)的比吸收率（specific absorption rate，SAR）密切相關(guān)，低頻脈沖電磁場(chǎng)的不同參數(shù)影響生物組織對(duì)電磁場(chǎng)的SAR[8-9]，因此高性能低頻脈沖信號(hào)源的研制對(duì)合適參數(shù)低頻脈沖電磁場(chǎng)的產(chǎn)生具有重要意義。而傳統(tǒng)低頻脈沖信號(hào)源通常采用晶體管、運(yùn)放IC等分離元器件設(shè)計(jì)制作，具有溫度漂移大、預(yù)熱時(shí)間長(zhǎng)等不足[10-12]；且一些信號(hào)發(fā)生器輸出頻率、占空比等參數(shù)單一，不能單獨(dú)調(diào)控，無(wú)法滿足實(shí)驗(yàn)的進(jìn)一步需要[13]。因此，本文以性價(jià)比較高的STC89C52單片機(jī)為核心[14-15]，聯(lián)合D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、LCD液晶顯示模塊等器件，設(shè)計(jì)制作低成本、高性能的參數(shù)可調(diào)低頻脈沖信號(hào)源。

1 材料和方法

1.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的硬件構(gòu)成主要包括STC89C52單片機(jī)、D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、LCD液晶顯示模塊、參數(shù)按鍵選擇設(shè)置電路、預(yù)放大濾波電路和直流電源模塊等。該低頻脈沖信號(hào)源的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。采用STC89C52單片機(jī)產(chǎn)生脈沖信號(hào)，輸出脈沖信號(hào)的幅值、占空比和頻率可通過(guò)程序控制調(diào)節(jié)。

圖1 低頻脈沖信號(hào)源結(jié)構(gòu)框圖

單片機(jī)部分電路主要包括單片機(jī)控制電路、時(shí)鐘電路和復(fù)位電路。STC89C52單片機(jī)是一種低功耗、高性能CMOS微控制器，具有8 KB系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器[13-14]。在系統(tǒng)中，當(dāng)程序運(yùn)行不正常時(shí)，必須應(yīng)用復(fù)位電路對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)位。該復(fù)位電路采用手動(dòng)復(fù)位按鍵和復(fù)位電容并聯(lián)，實(shí)現(xiàn)上電復(fù)位和手動(dòng)復(fù)位功能。時(shí)鐘電路由外部晶振驅(qū)動(dòng)，為提高信號(hào)輸出精度，采用24 MHz晶振。同時(shí)，本系統(tǒng)外加一片AT24C02存儲(chǔ)芯片用來(lái)存儲(chǔ)參數(shù)設(shè)置，使系統(tǒng)開機(jī)運(yùn)行時(shí)直接從中讀取保存的數(shù)據(jù)，簡(jiǎn)化開機(jī)數(shù)據(jù)設(shè)置。

在系統(tǒng)中通過(guò)6個(gè)按鍵連接單片機(jī)P3口實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出脈沖信號(hào)參數(shù)的控制。其中3個(gè)按鍵分別對(duì)應(yīng)頻率、占空比和幅值設(shè)定選擇功能，當(dāng)選中其中一個(gè)參數(shù)后，第4、5個(gè)鍵分別對(duì)參數(shù)值進(jìn)行加減改變，當(dāng)參數(shù)設(shè)置合適后，按下第6個(gè)鍵進(jìn)行確認(rèn)輸出。其頻率輸出可調(diào)范圍為0～2 kHz、步進(jìn)為0.5 Hz；占空比和幅值可調(diào)范圍分別為10%～80%和0～5 V。

本設(shè)計(jì)輸出信號(hào)參數(shù)通過(guò)液晶顯示模塊LCD1602進(jìn)行顯示。首先在初始化中先設(shè)置其顯示模式，每次輸入指令前都判斷其是否處于繁忙狀態(tài)。其內(nèi)部字符發(fā)生存儲(chǔ)器已經(jīng)存儲(chǔ)了160個(gè)不同的點(diǎn)陣字符圖形，可以把所需地址中的字符進(jìn)行顯示。LCD1602液晶模塊的讀寫操作、屏幕和光標(biāo)的操作通過(guò)指令編程實(shí)現(xiàn)。

為了將單片機(jī)產(chǎn)生的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為所需的脈沖信號(hào)，必須通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換器將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，本設(shè)計(jì)采用了價(jià)格低、接口簡(jiǎn)單和轉(zhuǎn)換易控制的8位分辨率數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC0832。DAC0832為電流型輸出，設(shè)計(jì)中外接運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)電壓型輸出。本設(shè)計(jì)采用直通工作方式，單極輸出電路，基準(zhǔn)電壓為5 V，因此控制其輸出電壓范圍為0～5 V。

因?yàn)楸鞠到y(tǒng)設(shè)計(jì)需要±12和5 V電源電壓，所以在電源部分采用7812、7912和7805直流穩(wěn)壓芯片設(shè)計(jì)直流電源。該電源能夠?qū)崿F(xiàn)±12和5 V 3路輸出，滿足系統(tǒng)的需要。

系統(tǒng)控制電路原理圖采用電子設(shè)計(jì)軟件PROTELL DXP進(jìn)行設(shè)計(jì)，如圖2所示。

圖2 信號(hào)控制電路

1.2 系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)軟件程序設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)是該信號(hào)發(fā)生器的核心。軟件設(shè)計(jì)主要包括主程序、脈沖方波產(chǎn)生程序、顯示輸出參數(shù)程序、按鍵處理程序、輸出信號(hào)參數(shù)設(shè)定程序。

主程序主要是對(duì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)初始化，LCD初始顯示，同時(shí)掃描是否有對(duì)應(yīng)的功能鍵按下，對(duì)系統(tǒng)化進(jìn)行中斷管理，調(diào)用各功能子程序。當(dāng)按鍵處理程序執(zhí)行時(shí)，將用戶通過(guò)按鍵設(shè)定的參數(shù)送至單片機(jī)，從而控制單片機(jī)輸出相應(yīng)需要的信號(hào)。程序通過(guò)改變信號(hào)輸出與停止時(shí)間實(shí)現(xiàn)頻率的調(diào)節(jié)，進(jìn)而通過(guò)調(diào)節(jié)信號(hào)輸出與停止的時(shí)間比值實(shí)現(xiàn)占空比調(diào)節(jié)。系統(tǒng)設(shè)定D/A轉(zhuǎn)換電路基準(zhǔn)電壓Vref為5 V，因此根據(jù)按鍵設(shè)定使單片機(jī)輸入數(shù)字量00H—FFH變化，從而實(shí)現(xiàn)電壓輸出可調(diào)范圍為0～5 V。系統(tǒng)程序在KEIL環(huán)境下采用C語(yǔ)言編寫，因此程序代碼具有可讀性強(qiáng)、維護(hù)方便和可移植等優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)的主程序流程如圖3所示。

圖3 程序流程

2 信號(hào)輸出結(jié)果

為評(píng)估該智能參數(shù)可調(diào)低頻脈沖信號(hào)發(fā)生器的輸出信號(hào)參數(shù)性能，在該低頻脈沖信號(hào)發(fā)生器系統(tǒng)上電后，采用TEKTRONIX TBS 1022示波器檢測(cè)其輸出信號(hào)各參數(shù)。第1組輸出脈沖信號(hào)參數(shù)設(shè)置為頻率f=10.5 Hz、占空比50%、幅值2 V；第2組輸出脈沖信號(hào)參數(shù)設(shè)置為頻率f=29 Hz、占空比42%、幅值2 V；第3組輸出脈沖信號(hào)參數(shù)設(shè)置為頻率f= 600 Hz、占空比50%、幅值4 V。

分別采用示波器對(duì)3組輸出信號(hào)進(jìn)行測(cè)試，第1組設(shè)定參數(shù)輸出信號(hào)波形如圖4（a）所示，輸出頻率誤差僅為0.01 Hz，而占空比和幅值誤差均為0%；第2組設(shè)定參數(shù)輸出信號(hào)波形如圖4（b）所示，輸出頻率誤差為0.02 Hz，幅值誤差為0.04 V，占空比誤差為0%；第3組設(shè)定參數(shù)輸出信號(hào)波形如圖4（c）所示，輸出頻率誤差為0.1 Hz，幅值誤差為0 V，占空比誤差為0.4%。根據(jù)測(cè)試，該低頻脈沖信號(hào)源符合設(shè)計(jì)要求。

3 討論

低頻脈沖信號(hào)源在很多方面的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，因此設(shè)計(jì)制作適合特殊需要的參數(shù)可調(diào)信號(hào)源就變得非常必要。本研究設(shè)計(jì)的低頻脈沖信號(hào)發(fā)生器能夠產(chǎn)生頻率、占空比和幅值單獨(dú)可調(diào)的脈沖信號(hào)，且輸出信號(hào)波形失真度低，系統(tǒng)具有小型化、集成便攜的優(yōu)點(diǎn)。

該可調(diào)低頻脈沖信號(hào)源不但能夠滿足一般工業(yè)控制的需要，而且其輸出信號(hào)參數(shù)獨(dú)立可調(diào)的特性使其作為低頻脈沖電磁場(chǎng)的信號(hào)源具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。參數(shù)獨(dú)立可調(diào)使線圈產(chǎn)生的電磁場(chǎng)具有更可控的生物電磁效應(yīng)，可廣泛應(yīng)用于低頻脈沖電磁場(chǎng)生物效應(yīng)研究，通過(guò)調(diào)節(jié)產(chǎn)生不同參數(shù)的脈沖波形，從而控制輸出適合不同傷口愈合治療的低頻脈沖電磁場(chǎng)。然而，由實(shí)驗(yàn)測(cè)試3個(gè)信號(hào)輸出波形圖看出，雖然信號(hào)波形失真度較小，但隨著頻率升高略有失真，在隨后工作中將進(jìn)一步通過(guò)改變程序設(shè)計(jì)降低波形失真。

圖4 輸出低頻脈沖波形

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（收稿：2014-05-06 修回：2014-08-11）

Development of intelligent adjustable low frequency pulsed signals generator based on single chip

JIAO Ming-ke,LOU Lin,GENG Xi-liang,JIAO Lin,ZHANG Peng,ZHANG Wen-yuan,ZHANG Xin
(Department of Biomedical Engineering,Urumchi General Hospital of Lanzhou Military Area Command,Urumqi 830000,China)

ObjectiveTo design and complete low frequency pulsed signal generator with the frequency,duty cycle and amplitude independently adjustable.MethodsThe single chip system was designed to generate low frequency pulsed signals,and then the digital signals were converted into analogy signals through DAC0832 chip.Finally the analogy pulsed signals were filtered and amplified.The frequency,duty cycle and amplitude of the output pulsed signals could be adjusted by button.In addition,the parameters of the output signals could be displayed in real time by LCD1602 liquid crystal screen.ResultsThe results of measurement of TEKTRONIX oscilloscope showed that the signals generator could output satisfied signals with frequency range between 0 and 2 kHz,stepped by 0.5 Hz,duty cycle range from 10%to 80%,voltage range from 0 to 5 V.ConclusionThe intelligent low frequency pulsed signals generator features compact structure, easy operation,especially can ensure the high precision and reliability of output signals.[Chinese Medical Equipment Journal，2014，35（11）：12-14，118]

low frequency pulse;single chip;signals generator;duty cycle;independently adjustable

R318.6；TP346

A

1003-8868（2014）11-0012-04

10.7687/J.ISSN1003-8868.2014.11.012

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（81301344）

焦明克（1978—），男，博士，工程師，主要從事電磁場(chǎng)醫(yī)學(xué)應(yīng)用和生物醫(yī)學(xué)信號(hào)檢測(cè)方面的研究工作，E-mail：jmkok@126.com。

830000烏魯木齊，蘭州軍區(qū)烏魯木齊總醫(yī)院醫(yī)學(xué)工程科（焦明克，樓 林，耿西亮，焦 琳，張 鵬，張文遠(yuǎn)，張 新）