引言
生物阻抗技術是一種無損傷的技術，測量時對人體沒有任何傷害和副作用，是人體醫學發展的一個方向之一[1]。生物阻抗分析儀的機理[2]在于：生物組織對外加電流場具有不同導電作用，當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學成像[3]。
目前市場上已經有多種生物阻抗分析儀器，但成本昂貴，使用煩瑣，設計復雜，難以在家庭保健方面得到普及。因此，本設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，可以多頻點測量人體各區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，安全可靠的優點。
1.系統硬件結構和原理
1.1系統原理
高集成度阻抗分析芯片AD5933是一個高精度的阻抗變換系統，含有一個片上頻率發生器和一個12位、1MHz采樣率的ADC(模數轉換器)。片上頻率發生器可在任意指定頻率上發出激勵信號，通過前置放大器的增益控制到達目標阻抗，返回的信號經ADC采樣后送到片上的DSP引擎，此DSP引擎執行FFT操作，計算出每一輸出頻率上阻抗的實部和虛部。
本系統采用了上下位機的設計方法[4]，整個系統全部由上位機PC通過USB發送相應命令來控制，通過PC應用程序將掃查頻率起點、終點和步長設置好，通過USB接口發送到下位機，下位機解析相應的協議后，轉換成對AD5933的控制指令，配置AD5933完成相應的操作，下位機則使用了ARM7內核的LPC2148芯片作為主控制器，經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，數據經USB接口傳送至上位機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。本設計中為了方便校準測量，使用了I2C總線接口的E2PROM存儲校準所獲得的參數，另外本設計利用PCA9535芯片將I2C信號轉為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間段的阻抗信息[5]。
1.2系統硬件結構
整個系統硬件框架如圖1所示：
圖1 硬件框架圖
1.2.1 USB通信：
本設計采用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，在設計中使用控制端點0和批量端點2，并采用全速模式進行USB通信。
1.2.2 隔離：
為保證被測生物體與PC機電壓隔開，采用隔離技術，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現I2C接口的隔離。該芯片具有很強的隔離和保護性能，額定的隔離電壓為5000V，并可以持續1分鐘時間。電源隔離采用DC/DC電源隔離模塊，該模塊內置EMI濾波單元，輸入過壓、過流及輸出短路、過載保護電路。
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換設計，將AD5933所發出的激勵電壓信號轉換為交流恒流信號，經過電平抬升至2.5V的多頻率恒流經過人體[7]，測量電極所測得的在人體上產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轉換處理和阻抗特性計算，保證測量的準確性。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.軟件設計
2.1 軟件系統流程
軟件系統流程如圖3所示：
圖3 軟件系統流程圖
2.2 下位機固件程序設計
下位機固件程序主要實現主控制器經I2C控制AD5933，E2PROM的存儲，以及PCA9535的控制，通過USB與上位機通信，以及總的協調控制。
