恒流多通道动物机器人遥控刺激系统的研制

1．2 无线信号发射台
无线信号发射台的作用是把Pc机设置的刺激参数以无线信号的形式发送到“背负式微刺激器”中去。它由下列几部分组成：无线信号发射机(Transmitter)，由AMSlll7―3．3构成的降压稳压电路，Atmega8L微处理器，PC机串口与单片机串口之间的电平转换电路。无线信号发射台各部分电路的连接关系如图3所示。基于CCllOO无线收发器ccllOOA―01(立奇国际贸易有限公司)是一款低成本、低功耗的超高频(UHF)收发器，该模块的尺寸小(20 mm×30 mm×6 mm)，重量轻(2．3 g)，传输距离大于200 m，主要工作于ISM和SRD频率波段。

由于RS 232串口的逻辑O规定为5～15 V之间，逻辑1规定为一5～一15 V之间。而单片机只能接收TTL电平(输入高电平>2．4 V，输入低电平0．8 V，噪声容限为O．4 V)。因此，Pc机与单片机之间并不能通过串口线直接进行通信，必须经过电平转换，在此选用MAXIM公司生产的．RS 232接口芯片MAX3232，它使用单一电源电压供电，电源电压在3．0～5．5 V范围内都可以正常工作。该系统采用了9针串口，通过3根线完成通信：RXD，TXD和GND，对应9针串口上的2号线、3号线和5号线。在系统设计中，芯片MAX323采用5．0 V电压供电，单片机采用3．3 V电压供电。因此，选择3．3 V的稳压芯片AMSlll7―3．3，整个发射台可以通过USB接口从PC机取电。

2 背负式微刺激器的研制
对于整个系统来说动物背负式微刺激器占据着核心地位，它的重要性大于系统的其他部分，研制难度也较高。它既要求工作性能可靠，又要求能耗低，尺寸小。重量轻，遥控距离远。为了满足设计要求，该微刺激器的设计采用以下部分组成：Atmega8L微处理器、无线信号接收机、D／A转换芯片AD5310与()P07运算放大器构成的双相电压脉冲发生单元、双向模拟开关CD4051B、由运算放大器LM358和电阻构成的压控恒流电路、TC7660芯片组成的负压电路、TC7660芯片组成的倍压电路、发光二极管工作状态指示电路以及两块可充电聚合物锂电池(4．1 V，180 mAh)。
无线收发模块CCll00A一01既可以发送数据也可以接收数据，并且它的尺寸较小，重量较轻，因此，它也适合作为微刺激器遥控刺激参数数据的接收模块。单10位串行D／A转换芯片AD5310与()P07组合产生双相电压脉冲信号(如图4所示)，这些双相电压信号通过由LM358和电阻构成的电压控制电流源电路(VCcs)转化为相应的双相恒流脉冲信号。模拟开关cD4051在单片机的控制下，把这些恒流脉冲轮流送到第一到第4个刺激通道，这样就在4个通道上依次产生需要的恒流脉冲信号(如图5所示)。该设备能够达到多通道联合刺激，并且每通道都是电流强度可调的双相脉冲。当需要选择4个通道中任意几个进行多点位联合刺激时，将不需要选择的那些通道刺激强度设置为0即可。为了提高电路带动负载的能力，选择4．1 V聚合物锂电池，通过TC7660进行倍压和负压，专用于给压控恒流电路和模拟开关CD4051进行±8．2 V供电；用于产生双相电压脉冲的运算放大器()P07选择±4．1 V供电；无线接收机用5 kQ和41 kQ电阻把4．1 V分成约3．6 V供电。在背负式微刺激器的设计中都采用小封装的表贴电子元件(0603封装)，及电能密度大的聚合物锂电池(4．4 g，180 mAh)。因此，大大降低了该微刺激器整体尺寸，整体尺寸约为33 mm×24 mm×16 mm，带电池质量约为14．8 g，在大壁虎自由运动的负重范围之内。超低功耗的电路设计，使得该微刺激器在电池充满电时能够使用5个小时以上。经过适当的程序延时，该背负式微刺激器能够产生脉宽为1 ms，频率为50～125 Hz，强度约为O～40μA(负载电阻100 kΩ时)的双向恒流脉冲。由于该系统使用了成熟的商业无线通信模块，因此它的无线通信性能稳定，遥控距离约为200 m。

在大壁虎运动的人工诱导实验中，该设备对于敏感度居中以及中偏高的脑核团刺激表现的性能较好，能够满足对大壁虎运动脑核团刺激的强度，实现了控制壁虎运动行为的目标。但是，有些脑核团对电刺激不够敏感，或者是脑电极植入位置与脑核团实际位置偏差较大，其要求的刺激强度太大(40μA以上)，这时大壁虎对电刺激的反应就不够明显。背负式微刺激器不能达到很高的刺激强度，是该设备的不足之处，但是，它对大壁虎基本运动(例如左转、右转、前进、躲避)的诱导已经能够满足要求。微刺激器产生不同刺激参数的恒流脉冲(100 kΩ负载端电压波形)如图6所示。

3 结 语
动物机器人遥控刺激系统，在动物机器人的研制中具有重要的意义。它的研制不但涉及电路设计，程序设计和无线通信方面的知识，还与生命科学有着密切的联系。在多学科科研人员的共同努力下，研制的背负式微刺激器能够实现多通道双相恒流脉冲刺激，并且每个通道的刺激强度可以灵活调节。此外，它还具有多点位联合刺激和延时刺激的功能。其尺寸小，重量轻，耗能低，无线通信距离远，适合于小型动物的在体刺激试验。