基于單片機的生物電阻抗頻譜測量系統(tǒng)

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(guān)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、治療過程中的監(jiān)護、區(qū)分正常組織和病變組織等。在這些研究報道中發(fā)現(xiàn)，對相關(guān)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(shè)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(guān)報道。因此，在這些研究的基礎(chǔ)上，總結(jié)并設(shè)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(guān)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UZ和UR。設(shè)信號源輸出電壓Ui=Umsin(ωt)。同時信號源Ui，UZ和UR之間的關(guān)系滿足平行四邊形法則，通過Zx和Rs的電流I，UZ和UR可表示為：

   
    通過式(2)和式(3)，可以計算得式(4)：

    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。

    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，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。

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 DigitalSynthesizer，DDS)技術(shù)，選用AD9852芯片來產(chǎn)生電壓信號。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1μs。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。

    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。
    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-O．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。

    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。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(guān)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為輸人電壓，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：

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；RFISP=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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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。

    對AD9852的驅(qū)動和控制是系統(tǒng)軟件設(shè)置的重點和難點。對AD9852的初始化，首先，要設(shè)置工作模式。該設(shè)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(shè)計時要特別考慮程序的時序設(shè)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(shè)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(guān)測量，對相關(guān)研究具有重要意義。