基于單片機的生物電阻抗頻譜測量系統(tǒng)

羅仕強,田 華,黃 華

摘 要:測量生物材料幅頻和相頻特性是研究生物組織電性質(zhì)的重要方法,同時測量系統(tǒng)的精度決定研究結(jié)果的準確性。針對此項研究,測量系統(tǒng)以C8051F340單片機為MCU;AD9852為信號源,產(chǎn)生頻率、幅度可調(diào)的正弦信號。采用AD8302測量組織與標準電阻兩端的幅度比和相位差,實現(xiàn)1 Hz~10 MHz頻率范圍內(nèi)測量生物組織的頻譜特性。實驗結(jié)果表明,該系統(tǒng)實時性和精確度較好。

關鍵詞:生物材料;頻譜特性;AD9852;AD8302

中圖分類號:TP274文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2009)12-146-03

Bioelectrical Impedance Frequency Spectrum Measurement System Based on Single Chip Computer

LUO Shiqiang,TIAN Hua,HUANG Hua

(School of Electrical Engineering and Information,Sichuan University,Chengdu,610065,China)

Abstract:The spectrum character of biological materials plays an important role in the research of bioelectrical properties.And accuracy of the research depends on the precision of measuring system.In this research,a measurement system is designed.C8051F340 used as MCU and AD9852 is chosen to supply Sine signal with variable frequency and amplitude.The magnitude ratio and phase are measured by AD8302 between tissue and the standard resistor so as to achieve the bioelectrical impedance measurement from 1 Hz~10 MHz.The experimental result indicates that the system has good real-time performance and accuracy.

Keywords:biological materials;spectrum character;AD9852;AD8302

0 引 言

長期以來,對生物組織電性質(zhì)的研究一直是生物醫(yī)學工程學關注的熱點。生物組織的電學性質(zhì)是人們認識生命物質(zhì)的一個重要方面。

生命物質(zhì)電阻抗作為一個重要的電參數(shù),在電性質(zhì)研究中占有很重要的地位,生物組織生理病理特性可以通過電阻抗來反映。許多研究表明,生物組織電特性的頻率依賴性很強,因此,對生物組織電特性的研究常采用多頻電阻抗法。目前,國內(nèi)外學者已經(jīng)通過研究生物組織的阻抗特性預測早期疾病[1]、治療過程中的監(jiān)護[2]、區(qū)分正常組織和病變組織[3]等。在這些研究報道中發(fā)現(xiàn),對相關生物組織的阻抗特性主要使用現(xiàn)成的阻抗分析儀測量,這些儀器均非針對生物組織而設計,因此存在對測量對象造成破壞、非實時、價格昂貴等問題。同時對生物組織頻譜測量系統(tǒng)的研究也在逐漸展開,并有少數(shù)的國外相關報道[4,5]。因此,在這些研究的基礎上,總結(jié)并設計一種先進、優(yōu)化、方便快捷的生物電阻抗測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)能全自動、在很短時間內(nèi)完成從1 Hz～10 MHz的逐頻掃描,并記錄和顯示各頻率點對應的幅值和相位。同時,系統(tǒng)可以和PC機相關聯(lián),具有很強的可擴展性。

1 測量原理

生物組織在不同的頻率下,具有不同的阻抗特性。對生物組織阻抗特性測量采用兩電極法,電路由電極和組織組成的電極系統(tǒng)Zx及無感容的標準純電阻Rs串聯(lián)組成。由于信號源產(chǎn)生的電壓只有毫伏,檢測到的Zx和Rs兩端電壓通過同比例放大后的電壓為U?Z和U?R。設信號源輸出電壓U?i=Umsin(ωt),同時信號源U?i,U?Z和U?R之間的關系滿足平行四邊形法則[6],通過Zx和Rs的電流I?,U?Z和U?R可表示為:

I?=U?i/Zx?+Rs(1)

U?Z=|A1|(U?s-UR?)=

|A1|Zx?I?=|UZ|∠φ1(2)

U?R=|A2|U?R=|A2|RsI?=|UR|∠φ2(3)

通過式(2)和式(3),可以計算得式(4):

Zx?=U?Z|A1|?I?=|UZ||UR|?|A2||A1|?∠φ1∠φ2Rs

=Rs|UZ||UR|?|A2||A1|∠θ(4)

式中:θ=∠φ1-∠φ2,則阻抗的幅值和相位分別為:

|Zx|=|UZ||UR|Rs(5)

θ(ω)=arccosU2i?-U2R?-U2Z?2|U?R|?|U?Z|(6)

因此,通過測量和計算就可以獲得生物組織的幅頻和相頻特性。

2 生物電阻抗頻譜測量系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)總體

生物阻抗頻譜測量系統(tǒng)原理如圖1所示。該系統(tǒng)主要包括電源模塊、實驗平臺、信號檢測、MCU、液晶顯示、鍵盤、SD卡存儲器、USB接口等。

圖1 阻抗頻譜測量系統(tǒng)原理圖

實驗平臺是由測量對象和電極組成的電極系統(tǒng),其中電極采用自制的共面電極[7],如圖2所示。首先在合適的測量環(huán)境下,準備好測量對象,啟動測量系統(tǒng)。單片機通過控制DDS芯片產(chǎn)生由低頻到高頻的正弦信號,作用于電極系統(tǒng),測量系統(tǒng)對信號處理后通過單片機內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換,將數(shù)據(jù)存儲于單片機內(nèi)。單片機通過對數(shù)據(jù)分析處理,將不同頻率時|Zx|和θ(ω)的值通過液晶對應顯示,同時將數(shù)據(jù)存儲在SD卡中。PC機可以通過USB接口直接讀取SD卡中的信息并分析。

圖2 共面電極示意圖

2.2 信號源部分

信號發(fā)生器是系統(tǒng)的重要組成部分,要保證輸出的正弦波信號失真小,幅值穩(wěn)定且具有幅值、相位和頻率可調(diào)的功能。該系統(tǒng)采用直接頻率合成(Direct Digital Synthesizer,DDS)技術,選用AD9852芯片來產(chǎn)生電壓信號[8]。AD9852是美國Analog Devices公司生產(chǎn)的新型直接數(shù)字頻率合成器,具有頻率轉(zhuǎn)化速度快、頻譜純度高、工作溫度范圍寬、集成度高等特點。工作電壓為3.3 V,片內(nèi)有4～20倍可編程時鐘乘法電路,系統(tǒng)最高時鐘可達300 MHz,輸出頻率可達120 MHz,頻率轉(zhuǎn)化速度小于1 μs。內(nèi)部有12位D/A轉(zhuǎn)化器、48位可編程頻率寄存器和14位可編程相位寄存器,具有12位振幅調(diào)諧功能,能產(chǎn)生頻率、相位、幅度可編程控制的高穩(wěn)定模擬信號,完全能滿足實驗要求。

信號源的電路原理框圖如圖3所示。

圖3 信號源原理框圖

信號源的時鐘采用外接一個20 MHz的有源晶振,通過內(nèi)部時鐘乘法器倍頻得到系統(tǒng)時鐘。由于DDS芯片直接輸出的信號中帶有內(nèi)部時鐘的干擾成份,為了抑制雜散,在AD9852輸出端要加低通濾波器[9]。

AD9852的最大輸出幅度由5,6腳的電阻器RSET決定,RSET=39.93/IOUT。AD9852輸出電流范圍是5～20 mA。在輸出典型值為10 mA時,可提供最好的SFD(Spurious Free Dynamic range)性能,因此選擇RSET=3.9 kΩ。而數(shù)模變換器的輸出電壓幅度為-0.5～+1 V,輸出信號功率不能直接滿足要求,所以還要對輸出信號進行放大。

2.3 測量部分

測量電路如圖4所示。

圖4 電路測量原理圖

從理論分析可知,選用芯片AD8302可以得到從電極輸出的兩路信號的幅度比和相位差[10]。AD8302是美Analog Devices公司生產(chǎn)的專門用于幅度和相位測量的首款單片集成電路,它能同時測量從低頻到2.7 GHz頻率范圍內(nèi)兩輸入信號之間的幅度比和相位差。它內(nèi)部含兩個精密匹配寬帶對數(shù)檢波器、一個相位檢波器、輸出放大器組、一個偏置單元和一個輸出參考電壓緩沖器等。該器件將精密匹配的兩個對數(shù)檢波器集成在一塊芯片上,因而可將誤差源及相關溫度漂移減小到最低限度。

AD8302的幅度和相位測量原理主要基于對數(shù)放大器的對數(shù)壓縮功能,其一般數(shù)學表達式為:VOUT=VSLPlog(VIN/VZ)其中VIN為輸入電壓,VZ為截距,VSLP為斜率。AD8302正是利用上述對數(shù)壓縮原理,通過精密匹配的兩個寬帶對數(shù)檢波器來實現(xiàn)對兩輸入通道信號的幅度和相位的測量,其方程式如下:

VMAG=RFISLPlog(VINA/VINB)+VCP

VPHS=-RFIΦ(|Φ(VINA)-Φ(VINB)|-90°)+VCP

式中:VINA和VINB分別為A,B兩通道的輸入信號幅度;Φ(VINA)和Φ(VINB)分別為A,B兩通道的輸入信號相位;VCP為參考電壓VCP=900 mV;RFISLP=30 mV/dB;RFIΦ=10 mV/(°)。

因此,兩路電壓信號經(jīng)過AD8302輸出增益和相位電壓值;再通過C8051F340單片機內(nèi)部自帶的10位ADC轉(zhuǎn)換后,取到增益和相位具體參數(shù),計算后可直接得到被測的阻抗。

2.4 其他部分

在本系統(tǒng)的設計中除了信號源和檢測部分,鍵盤、顯示、數(shù)據(jù)存儲等部分也是必不可少的。

鍵盤主要用來設置信號源參數(shù),包括信號的起止頻率、頻率步進、開始和復位等。鍵盤采用3×2矩陣式結(jié)構(gòu)。

顯示部分選用EDM12864B型圖形點陣式LCD液晶顯示模塊,主要用來顯示信號參數(shù)的具體設置信息和輸出狀態(tài),如當前輸出信號的頻率和幅值,測量對象的頻譜特性參數(shù)值(幅值和相位)等。

外部數(shù)據(jù)存儲器采用SD卡。這種模式方便快捷,當測量結(jié)束后,將測量數(shù)據(jù)存入SD卡中;然后取下SD卡,插入到讀卡器中,可以直接在計算機上讀出數(shù)據(jù)文件并處理數(shù)據(jù)。另外,在該系統(tǒng)上還設計了USB接口。當連接USB與計算機,通過程序的控制,可以實現(xiàn)直接讀取SD卡中的數(shù)據(jù)文件。

3 系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)軟件設計完成單片機以及各外部芯片初始化,包括單片機時鐘,A/D初始化,AD9852初始化,AD8302初始化,以及鍵盤、液晶顯示、USB、SD卡初始化等。初始化完成后,向DDS芯片AD9852寫入控制字,控制并輸出信號;向幅度相位測試芯片AD8032寫入控制字,控制測量輸出幅度差、頻率比的輸出模式。另外完成檢測按鍵狀態(tài),實時顯示,存儲數(shù)據(jù),查詢USB等。

系統(tǒng)軟件流程如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)軟件流程圖

對AD9852的驅(qū)動和控制是系統(tǒng)軟件設置的重點和難點。對AD9852的初始化,首先,要設置工作模式。該設計采用單調(diào)模式(Single-Tone),要求輸出1 Hz～10 MHz不同頻率的正弦信號。首先計算每個需要的頻率點的頻率控制字的值,頻率控制字的值由如下等式?jīng)Q定:FTW=輸出頻率×248/系統(tǒng)時鐘頻率;然后,在內(nèi)存中輸入對應頻率表值,通過編程獲取對應的頻率值并送到DDS的頻率控制字中,控制DDS輸出頻率,在一輪檢測完成以后再送出下一個頻率值。另外,在程序設計時要特別考慮程序的時序設計。

檢測部分主要是一個A/D轉(zhuǎn)換過程。ADC是單片機自帶的模塊,程序采用中斷的方式讀取A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。當轉(zhuǎn)換完成后,讀取幅度比和相位差值,通過計算,直接得到被測組織的阻抗。

4 結(jié) 語

這里所設計的生物組織阻抗頻譜測試儀能快速、準確、自動完成1 Hz～10 MHz范圍的生物組織電阻抗(頻率特性)測量。儀器結(jié)構(gòu)完整、簡單、成本低。DDS芯片的使用,讓信號的質(zhì)量得到了保證,而AD8302芯片極大的簡化了幅度和相位測量電路,并且提高了測量精度。該系統(tǒng)能很好地完成生物組織電阻抗頻譜特性的測量,極大地改善、拓展了相關測量,對相關研究具有重要意義。

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