cpld控制的神经康复治疗仪的刺激器设计

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1、http://www.paper.edu.cnCPLD控制的神经康复治疗仪的刺激器设计陈骥，裴跃生，廖科重庆大学生物工程学院，重庆（400030）E-mail：pys0404@sohu.com摘要：本文提出了一种用于神经康复治疗仪的刺激器的设计方法。通过对CPLD芯片编程实现刺激波形的发生、刺激频率、脉宽和幅度的数字式可调。该方法简化了电路，提高了系统的可扩展性；并把微处理器（DSP）从繁复的工作中解放出来，专注于肌电采集和人工智能判断，提高了实时处理能力。经仿真和电路测试证明，刺激波形输出准确可靠，能很好满足

2、性能要求。关键词：CPLD；VHDL；电刺激器；神经康复治疗仪中图分类号：TH431.21.引言脑损伤和脑卒中已经成为危害人类健康的主要神经系统疾病之一。神经性疾病往往导致各种功能性障碍。现今，新的康复治疗技术不断应用于临床，对瘫痪的治疗有了许多新的疗[1]法。其中利用生物反馈和功能性电刺激技术（Biofeedbackandfunctionelectricstimulation,BFES）的神经康复治疗仪介入康复训练在国内已引起广泛的重视并取得了很好的临床疗效。神经康复治疗仪的基本原理是把患者自身的肌电信号反馈

3、回仪器，动态设定阈值，控制电刺激输出，通过重建大脑和瘫痪肌肉的功能联系，促进病人恢复健康，改变了以往患者都是被[2]动接受治疗的模式，是现代康复医学主动治疗模式的典范。随着微电子制造工艺的发展，CPLD(ComplexProgrammableLogicDevice)作为专用集成电路概念上的一个新型范畴和门类，以其功能强大、开发周期短、可反复编程修改、保密[3]性能好、开发工具智能化等特点，日益成为电子设计自动化领域的热门技术。利用CPLD来设计功能复杂、小体积和易于管理的数字电路已成为一种可靠的解决方案。本文在

4、介绍刺激器整机结构的基础上，着重阐述了采用VHDL语言，运用自顶而下的思想，来设计神经康复治疗仪的刺激器的核心——多参数刺激波形发生器。2.刺激器整体结构框图刺激器的整体结构框图如图１所示。它由刺激参数端口控制部分、CPLD实现的多参数刺激波形发生器、Boost升压电路和双向恒流刺激输出四大部分组成。由于人体的体表电阻大约在4K左右，而刺激脉冲的最大输出电流幅值为30mA，因此必须将提供的5V直流电升压到大于100V（4K×25mA）的高压，以此为双向恒流刺激器提供所需的工作电压；刺激参数端口控制模块根据要求向

5、I/O端口输出所需的选择信号，控制多参数刺激波形发生器产生具有多种刺激波形、刺激频率、刺激脉宽和刺激幅度可调的信号，经D/A转换后的模拟[4]信号在刺激输出部分进行放大，并产生电流恒定的刺激信号对患者受损肌肉进行刺激，从而达到神经康复治疗的目的。-1-http://www.paper.edu.cn图1刺激器整体结构框图3.多参数刺激波形发生器的设计由图1可以看出，基于CPLD的多参数刺激波形发生器的设计是整个刺激器设计的核心，它是实现刺激指标的关键所在。[5]利用VHDL语言设计多参数刺激波形发生器的顶层设计图

6、如图2所示，它主要由波形发生模块、脉冲调制模块、DAC模块和刺激定时模块组成。通过选择不同的波形及其频率、载波频率、脉宽和幅度，使能刺激定时模块，就能使刺激器按患者要求实现刺激功能。图2多参数刺激波形发生器顶层设计图本设计使用CPLD来实现刺激器主要硬件电路的设计，可以简化电路、提高电路系统的集成度、数据处理速度和可靠性；同时可以实现刺激频率、刺激脉宽和刺激幅度的数字式可调等功能，只需要微处理器向I/O端口输出所需的选择信号，其它所有工作就由CPLD的硬件电路来完成，不需再占用微处理器的时间，把微处理器从繁复的

7、工作中解放出来，专注于肌电采集。下面将对各个功能模块的实现做详细的阐述。-2-http://www.paper.edu.cn3.1波形发生模块波形发生模块用来产生频率（波频）可调的正弦波、三角波、疏密波、指数波、断续波、方波六种不同波形，为后续脉冲调制模块提供调制信号。在本设计中，采用VHDL语言编程，通过对系统时钟（CLKIN）的分频来实现频率的选择，由于仪器的刺激输出部分采用了双向恒流源技术，所以此模块只需产生单极性波形即可。正弦波和指数波的设计采用查表法拟合波形，即在正弦波（指数波）半个周期内按时间平均取

8、32个相位，计算相应相位的正弦（指数）值，并以相应相位作为地址，把对应的正弦（指数）值存储在CPLD设计的ROM中，然后通过相位累加产生地址信息，读取当前时刻的相位值在ROM中对应的值，从而产生所需波形；疏密波的设计是先对输入时钟进行不同的分频，产生疏波和密波两种波，然后通过控制二选一选择器来实现疏波和密波的交替输出；方波的设计采用对输入时钟进行计数，从0计数到15，方波幅值为1023