基于MSP430F149的阻抗測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引 言
    醫(yī)學(xué)阻抗測(cè)量是利用生物組織與器官的電特性及其變化，提取與生物體生理、病理狀況相關(guān)的生物醫(yī)學(xué)信息的一種檢測(cè)技術(shù)。它通常借助于驅(qū)動(dòng)電極向檢測(cè)對(duì)象送入一微小的交變電流(或電壓)信號(hào)，同時(shí)測(cè)量?jī)蓸O的電壓(或電流)信號(hào)，從而計(jì)算出相應(yīng)阻抗，然后應(yīng)用于不同目的。
    不同組織的阻抗值也不相同，因此阻抗可以作為區(qū)分不同組織的一項(xiàng)重要指標(biāo)；同時(shí)隨著生理活動(dòng)的變化，同一組織阻抗值也會(huì)發(fā)生改變，因此阻抗可以作為檢測(cè)組織是否發(fā)生病變的一個(gè)依據(jù)。
    生物組織的阻抗受多種因素影響呈現(xiàn)出各種特性，其中最主要的就是它的頻率特性。本設(shè)計(jì)通過(guò)MSP430F149控制AD9852產(chǎn)生不同幅度、不同頻率的正弦波。該正弦波經(jīng)過(guò)濾波、放大后作用于人體，通過(guò)測(cè)量電壓信號(hào)U和電流信號(hào)I，且令K=U／I，計(jì)算出K，然后根據(jù)R—K曲線(此曲線由不同阻值的固定電路R與相應(yīng)K之間的關(guān)系擬合所得)解析式求出阻抗。本設(shè)計(jì)可根據(jù)不同的目的獲取各自相關(guān)信息，同時(shí)本設(shè)計(jì)不受幅度、頻率限制，還可用于研究生物組織的幅頻特性。
    本設(shè)計(jì)利用MSP430F149自帶的串口通過(guò)RS485進(jìn)行遠(yuǎn)距離實(shí)時(shí)傳輸，上位機(jī)可將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線繪制、數(shù)據(jù)保存等處理。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
    系統(tǒng)采用TI公司的MSP430F149單片機(jī)。該單片機(jī)有60 KB Flash、2 KB RAM，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力。單片機(jī)通過(guò)向AD9852發(fā)送頻率字、幅度字從而控制正弦波的頻率、幅度。正弦波經(jīng)過(guò)電流轉(zhuǎn)電壓、功率放大等電路作用后，經(jīng)過(guò)線圈T1隔離作用于人體，同時(shí)由線圈TFl和T2感應(yīng)出的電流、電壓相對(duì)量，經(jīng)過(guò)程控放大器和真有效值轉(zhuǎn)換后，進(jìn)入單片機(jī)，進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換。單片機(jī)根據(jù)電流、電壓值計(jì)算出電阻，再通過(guò)串口傳輸給PC機(jī)。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2 硬件電路
2．1 單片機(jī)控制AD9852電路
    如圖2所示，單片機(jī)P1．O～P1．7，通過(guò)復(fù)用與AD9852數(shù)據(jù)、地址引腳相連，P2．3～P2．7與AD9852五個(gè)較重要的控制引腳相連接。單片機(jī)主要是通過(guò)向DDS輸出幅度字、頻率字來(lái)控制AD9852產(chǎn)生的正弦波的頻率和幅度。

2．2 電流、電壓測(cè)量電路
    圖3所示為電流測(cè)量電路原理。為了在不同幅度下都能準(zhǔn)確測(cè)量電流，在峰一峰值轉(zhuǎn)有效值電路前加了一片程控放大器，單片機(jī)通過(guò)輸出增益控制使得即使前端電壓很小時(shí)也能將其提高到一定程度，達(dá)到準(zhǔn)確測(cè)量的目的。同樣，在電流測(cè)量電路中，也使用了同樣的原理圖。

2．3 RS485電路
    圖4所示的單片機(jī)與RS485通信轉(zhuǎn)換電路中，通過(guò)3個(gè)光耦器件對(duì)單片機(jī)電路和RS485總線進(jìn)行隔離，提高系統(tǒng)的抗干擾能力。采用SP485E來(lái)支持RS485串行協(xié)議，但由于SP485E的工作邏輯是TTL電平，而RS232通信的邏輯電流不是TTL電平，需要通過(guò)SP232器件進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，如圖5所示。RS485工作在半雙工通信狀態(tài)，通過(guò)CTR485控制數(shù)據(jù)的輸入／輸出方向。

3 軟件設(shè)計(jì)
    本系統(tǒng)的軟件用C語(yǔ)言編寫(xiě)，在IAR EmbeddedWorkbench環(huán)境下進(jìn)行編寫(xiě)、調(diào)試，其軟件流程如圖6所示。單片機(jī)軟件主要分為兩部分，一部分通過(guò)控制AD9852產(chǎn)生正弦波，同時(shí)對(duì)電壓、電流進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換，進(jìn)而進(jìn)行計(jì)算，其流程如圖7所示；另一部分將采集來(lái)的數(shù)據(jù)傳輸給PC機(jī)，軟件流程如圖8所示。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
    實(shí)踐證明，正弦波幅度對(duì)阻抗幅度值影響較小；而頻率對(duì)阻抗幅度值影響較大。用雞蛋清實(shí)驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)隨著頻率增大，阻抗值減小，并且蛋清濃度越高阻抗越大。當(dāng)正弦波頻率為440 kHz時(shí)，通過(guò)程控放大器將電流電壓調(diào)整在O．7 ～2．5時(shí)，無(wú)感電阻與電壓、電流比值的關(guān)系如圖9所示。

    圖中橫坐標(biāo)為U/I，縱坐標(biāo)為R／10。由圖可見(jiàn)，在誤差允許的范圍內(nèi)二者呈近似線性關(guān)系。

結(jié) 語(yǔ)
    本設(shè)計(jì)提供了一種人體阻抗測(cè)量方法，可作為醫(yī)療儀器的輔助功能，為組織診斷等提供一定的參考，可移植于不同應(yīng)用。設(shè)計(jì)中采用MSP430系列單片機(jī)，引腳相對(duì)較多，存儲(chǔ)空間相對(duì)較大，為后續(xù)應(yīng)用開(kāi)發(fā)提供了保障。