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手穴診療儀之MCU架構與設計
MCU設計應用專欄(1)

【作者: 施松村、蔡詩禮】   2006年12月21日 星期四

瀏覽人次:【8673】

本作品「手穴診療儀」為第二屆盛群盃儀器儀表組第一名之作品,主要為提供個人使用,一般使用者只要利用連接本儀器之穴位探棒,即可自行尋找手掌上之穴位,當尋找到手掌上的穴位時,使用者會感到穴位探棒傳來的刺激感,同時「手穴診療儀」會對該穴位進行判讀,透過內建的顯示螢幕告知使用者一個客觀的指標,藉此瞭解該穴位所對應的人體器官是否建康。


除了診察穴道的功用,「手穴診療儀」能夠利用不同頻率的電流輸出,而得到中醫針灸之效果,此功能僅需要一般使者即能夠自行操作,不但沒有危險性,更不需要冒風險到坊間找其他民俗醫療。


「手穴診療儀」將設計超迷你的體積,All In One的功能,讓使用者輕鬆帶著走,無論是火車上或是飛機上隨時隨地可以使用,就像一位隨行的個人醫師。


  


研究動機

針灸是中國歷代祖先最具慧的醫療方式,但礙於一般人對於針灸不甚瞭解,且國內有許多不合格的針灸醫師,若讓不合格的醫師診療,恐有疑慮。有研究証實人體穴道位置,其實可以經由施以微小電流,而由皮膚上電阻的變化來測定穴位所在。而由穴位上電阻的變化,也可以用來觀察人體五臟六腑的機能是否正常。因此,為了國人的安全與健康,我們著手創作安全、方便又實用的「手穴診療儀」,並經由測試者的反應實驗,驗證五臟六腑的機能與相對應穴位所在處電阻的變化是否有密切關係,同時也可驗證於坊間書籍有關手穴位置及相關理論基礎是否正確。


  


三大要素:氣、穴道、經絡

請試著按摩自己的手掌,找一找和身體各位置相對應的部份。被按摩的部位會慢慢地溫熱起來,心情也愈來愈愉快,不是嗎?接著,拇指用力,連續按壓手掌的每一處,是不是覺得有些地方按起來很痛,而有些地方雖然會痛,卻很舒服呢?接下來,請試著搓揉自己的手,或雙手相互摩擦,當手漸漸熱起來的時候,令人訝異的是,情緒也會隨之沉靜下來。


只是摸一摸雙手、按一按手掌、搓一搓掌心而已,為什麼就會產生這些變化呢?實際上,這些可以用東方醫學來解釋。


  • ●第一,每一個人的手掌都和媽媽的手掌一樣,可以產生「氣」;


  • ●第二,手上有很多「穴道」;


  • ●第三,手是眾多「經絡」的聚集處。


  •   



經絡、穴道集中在雙手

三大要素中的經絡和穴道,並非只有手上才有。人體大約有二千多個穴道和二十多條經絡。其中,分布最多的部位就是手和腳。隨意按一下手,有時候會按到一些有特殊壓痛感的地方,按照東方醫學的說法,就是按到了「穴道」。穴道和體內的某個臟器相連結,而負責連接兩處的線,就是「經絡」。東方醫學認為,人體體內的路經為穴道→經絡→臟器。換句話說,體內的臟器和體表的皮膚之間佈滿了各種網路,而網路上的線就是經絡,點就是穴道。


  


穴道和內臟之間的健康通信

有網路就會有情報交換的事實發生,臟器和穴道之間也是一樣。某個臟器若發生機能異常,就會透過經絡,反應在穴道上;相反的,如果穴道受到剌激,該剌激也會透過經絡傳給臟器。運用這個原理所研究出來的,正是東方醫學的「針灸、指壓及穴道療法」。簡單地說,該療法就是「適當地剌激穴道,以調整臟器的機能,消除身體的疼痛」。


  


工作原理

「手穴診療儀」將利用盛群生產之MCU HT46R24作為系統核心,以HT46R24單晶片與一些周邊電路來產生一個與人體脈動相符的脈衝,利用此脈衝來刺激手掌上的穴位,人體神經可感受到此刺激感,即可達成初步的尋找穴位功能。再利用HT46R24的A/D Converter對人體受刺激的反應進行判讀,再將判讀結果由顯示螢幕顯示告知使用者該穴位之反應狀況,即達成診斷之功能。另外利用HT46R24與一些周邊電路產生一與人體脈動相符的變動脈衝,可對固定穴位進行刺激,即達成類針灸的電療效果。


因此「手穴診療儀」是採用HT46R24 MCU產生微小電流脈波經過手掌穴道,藉由比對判讀穴道的反應電流值,透過LCD顯示幕顯示診療穴位的健康程度。


  


作品功能、特色

「手穴診療儀」主要為提供個人使用,一般使用者只要利用連接本儀器之穴位探棒,即可自行尋找手掌上之穴位,當尋找到手掌上的穴位時,使用者會感到穴位探棒傳來的刺激感,同時「手穴診療儀」會對該穴位進行判讀,透過內建的LCD螢幕告知使用者該穴位所對應的人體器官是否建康。


本作品「手穴診療儀」可分為診療模式與保健模式。診療模式利用穴位探棒提供固定的電流波動,經由「手穴診療儀」判讀後,使用者可從內建的顯示螢幕瞭解自己點的穴位健康狀況,同時若判讀不健康會自動提醒使用者。保健模式則可利用穴位探棒或貼片提供不規則的電流波動,在醫師的指導之下可自行針對特定穴位進行電療按摩,可比擬針灸的效果。


「手穴診療儀」設計成迷你的體積,讓使用者可以輕鬆帶著走,無論是火車上或是飛機上隨時隨地可以使用,就像一位隨行的個人醫師。



《圖一 手穴診療儀外觀》
《圖一 手穴診療儀外觀》

診療模式

  • ●可針對不同使用者改變設定;


  • ●依照不同體質改變輸出大小;


  • ●顯示穩定客觀的健康度;


  • ●相對健康度=((量測點-歸零點)/AD_TOTAL)×100;


  • ●AD_TOTAL=基準點-歸零點。




《圖二 診療模式》
《圖二 診療模式》

保健模式

  • ●使用保健貼片治療與解除酸痛感;


  • ●利用音樂不斷改變輸出的微小電流;


  • ●隨時隨地享受按摩的樂趣。




《圖三 保健模式》
《圖三 保健模式》

作品結構

硬體部分


《圖四 硬體架構》
《圖四 硬體架構》

主要使用的HT46R24單晶片的功能如下:


  • ●PWM:輸出到濾波電路,做為DAC控制輸出Level;


  • ●TMR:控制診療與保健模式輸出頻率;


  • ●ADC:偵測人體反應電流與電阻(多次擷取後平均)操作按鍵掃描,利用電阻分壓;


  • ●WDT:預防未知的硬體損毀(i.e. LCD、EEPROM);


  • ●I2C:存取外部EEPROM,儲存選項設定;


  • ●I/O:資料傳遞、控制LCD與元件電源管理;


  • ●Calculate:最高可達32Bit。計算A/D量測的結果以供顯示健康度。計算Level大小以供設定PWM寬度。


  •   



軟體部分


《圖五 軟體功能架構圖》
《圖五 軟體功能架構圖》
《圖六 軟體功能流程圖》
《圖六 軟體功能流程圖》

  


設計方式

「手穴診療儀」採用國內盛群半導體所生產的Holtek HT46R24微控制器作為本系統核心。HT46R24具備8K OTP程式記憶體及384個Byte一般資料記憶體,提供程式撰寫者應用於較大及較複雜資料之處理有更大的彈性應用空間。配備40個I/O pin可供設計者應用於多輸入及輸出控制的裝置,如外部按鍵輸入控制、直接驅動LED顯示,或控制外部開關元件如TRIAC、Relay等。提供8 channels 10bit解析度A/D轉換輸入作為監測外部類比信號之用途。


搭配不同Sensor可應用於偵測如電池電壓、電流、溫度、溼度、壓力、明暗度等功能。搭載4 channel 8-bit PWM高頻載波輸出,以直接存取內部Register就能控制PWM Duty Cycle,使PWM之使用相當方便。PWM輸出更可應用於控溫、調速、定電壓、定電流等控制。


HT46R24亦提供下列功能:I2C bus串行界面(Salve),使用者在On Board Communication應用方面能更方便。PFD(Program Frequency Divider)可產生精確的頻率輸出,應用於音頻產生,可直接驅動Buzzer等發音元件。LVR(Low Voltage Reset)用於偵測系統電壓,若系統電壓低於LVR值時系統將產生重置,以避免系統工作電壓低於操作電壓可能造成的不穩定狀態。


在此應用了重要的ADC功能用來偵測電流的變動,利用PWM控制輸出的電流大小與控制感應電路的OPA電壓,另外使用I2C Bus存取EEPROM,充份的利用Holtek HT46R24 MCU的功能。


在製作過程中不斷的測試與修正錯誤,所遇到的設計瓶頸都能夠一一排除,至今不論是硬體電路或是軟體之設計均已經非常穩定。在製作前所訂定的功能都有完成設計,甚至還加入了新的功能。在多次的改版之下,至今的成品令我們相當的滿意。



《圖七 應用於手穴診療儀的MCU架構圖》
《圖七 應用於手穴診療儀的MCU架構圖》

結語

希望能透過本作品「手穴診療儀」的功能,在未來研發出能夠自動辨別手掌穴位的儀器,讓一般不解瞭如何尋找手掌位的民眾能夠在家中自行對自己的身體健康做更深入的檢測,藉此幫助更多的群眾。



《圖八 手穴診療儀電路圖》
《圖八 手穴診療儀電路圖》

盛群半導體與 「盛群盃」競賽活動

盛群概要

盛群半導體位於新竹科學工業園區,為專業之積體電路設計公司。在北京、上海、深圳、成都等都設有銷售技術服務單位,總員工人數共有五百多人,資本額為新台幣20.66億元,營業範圍主要包括積體電路之設計、研發與銷售。銷售網已遍佈全球各主要國家與地區,未來仍將持續擴展,迎向市場無限的商機。


經由不斷地產品創新與開發,目前盛群半導體產品範圍包括有通用型與專用型微控制器(MCU),除一般應用領域外,更涵蓋語音、通訊、電腦週邊、家電等各專業領域,此外並提供各種電源管理,非易失性記憶體等微控制器週邊元件,盛群更將經由持續不斷地投注心力,以期更為強化其產品的功能性與運用彈性,獲致豐碩成果。


為落實永續經營之理念,盛群半導體除了持續發展目前各類產品外,基於半導體產業垂直分工之優勢,更將整合上下游相關資源,經由專業之積體電路設計、晶圓製造與封裝,提供客戶全方位之服務,進而大幅提昇其產業效能,在更具挑戰性的資訊時代,持續以穩健之腳步,邁向成長的高峰,與客戶共創雙贏的未來!


盛群願景

發展無所不在的微控制器IC,讓電腦、通訊、消費與車用電子科技產品,更為人性化生活化與便利化。


核心競爭力

盛群半導體基於自1983年投入半導體IC設計領域所成立的團隊以及多年累積的豐富智財權、專利,並擁有數家前段晶圓廠及後段封裝測試廠的全力支援下,同時在台灣/中國/美國建立當地銷售及技術服務據點。因此,盛群半導體足以提供客戶:


  • ●最好的產品品質(高品質靜電破壞保護及抗雜訊能力)?;


  • ●最短的產品交期;


  • ●最佳性價比產品;


  • ●提供一次寫入式(OTP)、罩幕式(Mask)與多次寫入式(MTP)微控制器產品;


  • ●最快速的在地化技術服務;


  • ●彈性的ASSP & ASIC微控制器開發服務;


  • ●專業開發工具與高效C語言編譯器。



產品策略

盛群半導體的產品發展定位在以8/16位元微控制器IC為主,加上微控制器週邊IC為輔的架構上,提供客戶多元化的彈性選擇。一次購足的便利性以及優異的性能與價格比,使客戶的產品具有強大之市場競爭力。


發展策略

公司發展策略鎖定以家電與汽車領域為發展市場,並經由專注研發高品質微控制器開拓國際市場。優異的產品品質與快速的在地服務,不但滿足全球客戶的需求,亦已成功地將盛群微控制器順利導入全球著名家電大廠,建立起盛群微控制器全球化的專業品牌形象。


「盛群盃」競賽活動

競賽目的

盛群半導體專注於微控制器設計研發,近年來公司的微控制器產品不僅全系列符合工業規格並可達到車用規格的要求,產品的應用範圍由民生家電、醫療儀器、儀錶、汽車周邊等等。為推廣盛群微控制器產品並結合各個學校之間的交流,經由競賽場合提供各校師生共同觀摩參賽隊伍作品、並可帶動全國學生互相學習。


舉辦活動說明

  • ●2005第一屆盛群盃在台北舉辦,由龍華科技大學承辦;


  • ●2006第一屆天津市盛群盃在天津市舉辦,由天津工業大學承辦;


  • ●2006第二屆盛群盃在台北舉辦,由龍華科技大學承辦;


  • ●2007在天津(5/19)、重慶(5/26)、廈門(6/2)、台北(11月)舉辦。


  • ---本文由盛群半導體提供---


  •   


  •   


  • <參考資料:


  • [1]水?丈雄,神奇手掌按摩療法,輕舟出版社(1998)。


  • [2]鍾啟仁,HT46xx微控制器理論與實務實典,全華科技圖書股份有限公司(2004)。


  • [3]蔡朝洋,單晶片微電腦原理與應用,全華科技圖書股份有限公司(1998)。


  • [4]鄧錦城,8051單晶片實作寶典,益眾資訊有限公司(1996)。


  • [5]柯南,全能電路設計之Protel PCB 99 SE,台科大圖書股份有限公司(2002)。


  • [6]伍孝鵬,實用數位IC線路設計,全華科技圖書股份有限公司(1995)。>


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