引言
生物阻抗技術(shù)是一種無損傷的技術(shù)，測量時對人體沒有任何傷害和副作用，是人體醫(yī)學(xué)發(fā)展的一個方向之一[1]。生物阻抗分析儀的機(jī)理[2]在于：生物組織對外加電流場具有不同導(dǎo)電作用，當(dāng)在人體表面加一固定頻率的低電平電流時，含水 70 %以上的肌肉組織是良好導(dǎo)體，而含水較少的脂肪組織近似為絕緣體，因此通過測出阻抗值可用于計算出身體成份以及電阻抗的醫(yī)學(xué)成像[3]。
目前市場上已經(jīng)有多種生物阻抗分析儀器，但成本昂貴，使用煩瑣，設(shè)計復(fù)雜，難以在家庭保健方面得到普及。因此，本設(shè)計提出了新的思路并研制出一種高性能的小型生物阻抗分析儀，可以多頻點(diǎn)測量人體各區(qū)間段的阻抗模值和相位信息。該儀器具有集成度高，成本較低，使用方便，安全可靠的優(yōu)點(diǎn)。
1.系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)和原理
1.1系統(tǒng)原理
高集成度阻抗分析芯片AD5933是一個高精度的阻抗變換系統(tǒng)，含有一個片上頻率發(fā)生器和一個12位、1MHz采樣率的ADC(模數(shù)轉(zhuǎn)換器)。片上頻率發(fā)生器可在任意指定頻率上發(fā)出激勵信號，通過前置放大器的增益控制到達(dá)目標(biāo)阻抗，返回的信號經(jīng)ADC采樣后送到片上的DSP引擎，此DSP引擎執(zhí)行FFT操作，計算出每一輸出頻率上阻抗的實(shí)部和虛部。
本系統(tǒng)采用了上下位機(jī)的設(shè)計方法[4]，整個系統(tǒng)全部由上位機(jī)PC通過USB發(fā)送相應(yīng)命令來控制，通過PC應(yīng)用程序?qū)卟轭l率起點(diǎn)、終點(diǎn)和步長設(shè)置好，通過USB接口發(fā)送到下位機(jī)，下位機(jī)解析相應(yīng)的協(xié)議后，轉(zhuǎn)換成對AD5933的控制指令，配置AD5933完成相應(yīng)的操作，下位機(jī)則使用了ARM7內(nèi)核的LPC2148芯片作為主控制器，經(jīng)I2C總線控制AD5933芯片，該芯片通過四電極法的模擬前端并使用片內(nèi)DSP計算出人體的特性阻抗，主控制器通過I2C接口將其取回，數(shù)據(jù)經(jīng)USB接口傳送至上位機(jī)PC作顯示和分析，最終完成對人體阻抗模值和相位的掃頻測量。同時系統(tǒng)在人體和PC之間采用了安全隔離措施，保證了測試人體的安全。本設(shè)計中為了方便校準(zhǔn)測量，使用了I2C總線接口的E2PROM存儲校準(zhǔn)所獲得的參數(shù)，另外本設(shè)計利用PCA9535芯片將I2C信號轉(zhuǎn)為I/O信號作為控制位控制選取測量所需要的前端電極，這樣就可以同時測量人體多個區(qū)間段的阻抗信息[5]。
1.2系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)
整個系統(tǒng)硬件框架如圖1所示：
圖1 硬件框架圖
1.2.1 USB通信：
本設(shè)計采用LPC2148片上集成的USB2.0控制器來完成USB通信，該控制器支持16個邏輯端點(diǎn)，在設(shè)計中使用控制端點(diǎn)0和批量端點(diǎn)2，并采用全速模式進(jìn)行USB通信。
1.2.2 隔離：
為保證被測生物體與PC機(jī)電壓隔開，采用隔離技術(shù)，包括電源隔離和I2C信號的隔離兩個部分。I2C信號的隔離采用ADUM2251，該芯片提供了一個雙向通道和一個單向通道來實(shí)現(xiàn)I2C接口的隔離。該芯片具有很強(qiáng)的隔離和保護(hù)性能，額定的隔離電壓為5000V，并可以持續(xù)1分鐘時間。電源隔離采用DC/DC電源隔離模塊，該模塊內(nèi)置EMI濾波單元，輸入過壓、過流及輸出短路、過載保護(hù)電路。
1.2.3 測量前端電極：
采用了四電極法[6]，即采用一對激勵電極提供激勵電流，以及一對電極測量人體上的電壓降。激勵電極采用了壓流轉(zhuǎn)換設(shè)計，將AD5933所發(fā)出的激勵電壓信號轉(zhuǎn)換為交流恒流信號，經(jīng)過電平抬升至2.5V的多頻率恒流經(jīng)過人體[7]，測量電極所測得的在人體上產(chǎn)生的電壓通過高輸入阻抗和高共模抑制比的差分放大器，送至后端作AD轉(zhuǎn)換處理和阻抗特性計算，保證測量的準(zhǔn)確性。與比較簡單的兩電極法相比具有更好的精確程度，整個測量電極模擬前端如圖2所示。
圖2 四電極法模擬前端
2.軟件設(shè)計
2.1 軟件系統(tǒng)流程
軟件系統(tǒng)流程如圖3所示：
圖3 軟件系統(tǒng)流程圖
2.2 下位機(jī)固件程序設(shè)計
下位機(jī)固件程序主要實(shí)現(xiàn)主控制器經(jīng)I2C控制AD5933，E2PROM的存儲，以及PCA9535的控制，通過USB與上位機(jī)通信，以及總的協(xié)調(diào)控制。
