基于FPGA的便携式低频脉冲治疗仪的研制

发布时间：2016-11-04 10:26

本文关键词：基于FPGA的便携式低频脉冲治疗仪的研制，由笔耕文化传播整理发布。

《重庆大学》 2009年

基于FPGA的便携式低频脉冲治疗仪的研制

裴跃生

【摘要】： 低频脉冲电流对人体有多种生理作用和治疗作用,尤其以兴奋神经肌肉组织和镇痛为主要作用。目前在医疗界,众多基于电刺激疗法的治疗仪已广泛被临床应用,并取得了较好的治疗效果。这种疗法以其安全性、可靠性和无创性被广大患者所接受。本文设计的便携式低频脉冲治疗仪,采用Altera公司Cyclone系列FPGA作为主控制器,结合750kHz低功耗DC/DC升压控制器以及双向压控恒流输出技术,产生变化有序的多种组合脉冲波形,可以较逼真地模拟出针灸、捶击、按摩、火罐、推拿和刮痧等不同的刺激效果。该治疗仪以经皮神经电刺激为主要治疗手段,采用按键+液晶实时显示的人机交互方式,电极输出双极性脉冲,刺激频率、模式、强度和定时时间数字式可调,可以有效地克服单极性刺激时电极的极化现象,同时也避免了人体对固定频率的适应性问题。与以往的治疗仪相比,该治疗仪体积小,集成度高,电池供电,方便携带。不需要设计过于复杂的外围电路,通过对FPGA芯片编程就可以产生任何形式的组合波形,并且在线可编程能力强。论文主要分五个部分:首先从多个角度详细阐述了低频脉冲电流的镇痛机理。然后对刺激波形的类型、频率和脉宽进行了综合分析并最终确定了治疗仪的输出指标参数。其次详细介绍了治疗仪的硬件电路,包括Boost升压电路、双向压控恒流输出电路、按键扫描电路和液晶显示电路等。接下来介绍了系统的软件设计与实现过程。软件部分采用模块化设计,重点阐述了刺激波形发生模块、键盘扫描译码模块和LCD显示模块。最后,为了检验所设计的治疗仪是否达到设计要求,对治疗仪进行了硬件调试并记录了仪器在四种工作模式下输出的波形,从实验的结果可以看出,此治疗仪的输出波形基本达到了设计的预期要求。

【关键词】：
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：TH789
【目录】：

摘要3-4

ABSTRACT4-9

1 绪论9-19

1.1 问题的提出及研究意义9-10

1.1.1 问题的提出9-10

1.1.2 研究意义10

1.2 低频脉冲电刺激的国内外研究现状10-16

1.2.1 低频脉冲电流治疗疾病的历史10-11

1.2.2 低频脉冲电流的刺激机理11-13

1.2.3 低频脉冲电流的生理和治疗作用13-14

1.2.4 低频脉冲电刺激的临床应用14-16

1.3 低频脉冲治疗仪的研究现状16-17

1.4 本课题的研究目的和论文规划17-19

1.4.1 课题研究目的和任务17-18

1.4.2 论文规划18-19

2 低频脉冲治疗的机理和脉冲波形设计19-26

2.1 低频脉冲电流的镇痛机理19-21

2.2 脉冲波形设计21-26

2.2.1 波形设计的关键点21

2.2.2 刺激频率的设计21-22

2.2.3 刺激波形类型的设计22-25

2.2.4 刺激波宽的设计25-26

3 低频脉冲治疗仪总体设计26-31

3.1 医学仪器的设计原则26-28

3.2 本治疗仪的设计要求28

3.3 治疗仪总体设计28-31

3.3.1 治疗仪总体结构28-29

3.3.2 治疗仪指标参数及工作原理29-31

4 低频脉冲治疗仪硬件电路的设计31-50

4.1 FPGA 控制器31-35

4.1.1 Altera 公司的Cyclone 系列FPGA 器件31-32

4.1.2 Altera 公司的FPGA 配置方式32-33

4.1.3 Altera 公司的FPGA 配置过程33-35

4.2 ALTERA 专用串行配置芯片EPCS135-36

4.2.1 主动串行配置35-36

4.2.2 AS 配置器件的在线编程36

4.3 电源供电模块36-41

4.3.1 电源电路设计36-37

4.3.2 升压电路设计37-41

4.4 恒流源输出电路模块41-43

4.4.1 双极性控制电路41-42

4.4.2 恒流源输出电路42-43

4.5 D/A 转换模块43-44

4.5.1 TLC5615 的引脚功能及工作时序说明43-44

4.5.2 D/A 转换芯片的接口电路44

4.6 人机接口模块44-50

4.6.1 LCD 模块简介44-45

4.6.2 RT12864-16-SYGEG-5V 液晶模块45-47

4.6.3 LCD 显示模块与FPGA 芯片的接口电路47

4.6.4 按键控制模块47-50

5 系统软件设计与实现50-64

5.1 FPGA 芯片编程设计50-52

5.1.1 Altera 综合开发平台QuartusⅡ简介50-51

5.1.2 VHDL 编程基础51-52

5.2 刺激波形输出控制模块的软件设计52-53

5.3 脉冲调制模块的软件设计53-54

5.4 调频调幅模块的软件设计54

5.5 刺激定时控制模块的软件设计54-55

5.6 D/A 并–串转换模块的软件设计55

5.7 按键控制模块的软件设计55-58

5.7.1 键盘接口电路模块划分56-57

5.7.2 键盘扫描电路57

5.7.3 键盘译码电路57-58

5.8 LCD 显示模块的软件设计58-64

5.8.1 液晶显示模块指令系统58-60

5.8.2 液晶显示控制流程及显示原理60-61

5.8.3 液晶显示设计思路61-64

6 PCB 板的设计与系统调试64-73

6.1 PCB 板的设计64-66

6.2 系统的调试66-69

6.2.1 系统的外型设计及使用方法66-68

6.2.2 刺激电极的类型及放置原则68-69

6.2.3 软硬件调试69

6.3 初步实验结果69-73

6.3.1 刺激波形仿真结果69-70

6.3.2 治疗仪输出的组合波形70-71

6.3.3 恒流源测试71-73

7 结论与展望73-75

7.1 结论73-74

7.2 后续研究的展望74-75

致谢75-76

参考文献76-79

附录79

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