摘? 要： 介紹了一種用于脈搏波分析的多路正弦恒流源系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。該系統(tǒng)主要由PC機(jī)用戶接口程序、單片機(jī)控制電路、DDS正弦波生成電路、濾波器、數(shù)字幅度控制電路以及電壓-電流轉(zhuǎn)換電路組成。PC機(jī)用戶程序通過(guò)RS232接口與總控AVR單片機(jī)通信；總控AVR單片機(jī)通過(guò)TWI(Two Wire Interface)總線與下位單片機(jī)通信。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了多路正弦恒流源的生成與控制。
關(guān)鍵詞： 脈搏波分析； 正弦恒流源； DDS；? TWI
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現(xiàn)代醫(yī)學(xué)工程中，電子學(xué)的應(yīng)用非常廣泛，特別是在對(duì)各種疾病的預(yù)防和監(jiān)測(cè)方面。其中，通過(guò)分析生物阻抗特性，相關(guān)研究人員能夠?qū)芏嗉膊∵M(jìn)行預(yù)判和辨識(shí)[1]。為了能精確地分析生物阻抗特性，系統(tǒng)必須提供一個(gè)性能良好的交流恒流源。由于生物組織的復(fù)雜性，恒流源必須要求頻率和幅度穩(wěn)定，溫度系數(shù)好，在切換頻率時(shí)轉(zhuǎn)換速率要快，且抗干擾能力強(qiáng)。同時(shí)，由于生物阻抗差異很大，恒流源工作于不同負(fù)載時(shí)其負(fù)載調(diào)整率要非常低。而與一般的掃頻式阻抗分析儀[2]不同的是，本恒流源主要用于脈搏波的工程應(yīng)用分析。該恒流源工作頻率范圍為10kHz～100kHz，相當(dāng)于一個(gè)頻率高于正常脈搏頻率(100Hz以內(nèi))的載波信號(hào)施加到生物組織上；其響應(yīng)相當(dāng)于一個(gè)調(diào)制好的交流信號(hào)(脈搏波為調(diào)制信號(hào)，恒流源為載波信號(hào))。此外，脈搏波的分析往往需要多路脈搏波信號(hào)(可多達(dá)32路)，即需要多路恒流源同時(shí)工作。基于以上要求，本文設(shè)計(jì)了一種正弦恒流源，它具有頻率可變、穩(wěn)定、變頻快速、幅值穩(wěn)定且可調(diào)、輸出阻抗高、電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。此外，本設(shè)計(jì)增加了串口通信和TWI總線通信功能，用戶可以通過(guò)PC機(jī)方便地對(duì)多路恒流源參數(shù)進(jìn)行設(shè)置,實(shí)現(xiàn)多路阻抗測(cè)量和脈搏波分析。
1 系統(tǒng)原理及組成
系統(tǒng)主要由三大部分組成：PC機(jī)用戶接口、總控AVR單片機(jī)及正弦恒流源模塊。其中，PC機(jī)提供良好的用戶接口，方便用戶進(jìn)行參數(shù)的設(shè)定和計(jì)算，減少下位單片機(jī)的運(yùn)算負(fù)荷。總控AVR單片機(jī)一方面和PC機(jī)通過(guò)RS232總線通信，接收數(shù)據(jù)，另一方面，通過(guò)TWI總線和下位正弦恒流源模塊中的AVR單片機(jī)通信，傳輸每路參數(shù)，具體如圖1所示。
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2 正弦恒流源
正弦恒流源模塊提供頻率可變（本設(shè)計(jì)要求10kHz～100kHz），電流幅度峰值可調(diào)(1mA～5mA)的低噪聲正弦恒流源，其原理圖如圖2所示。
2.1 DDS正弦波發(fā)生器
DDS技術(shù)的原理是在ROM中存儲(chǔ)一個(gè)周期的正弦曲線采樣點(diǎn)表，每一個(gè)存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)的樣點(diǎn)數(shù)據(jù)和地址之間的關(guān)系與正弦波的正弦幅值和時(shí)間軸的關(guān)系是一致的。這樣，當(dāng)按順序逐單元讀出ROM的樣點(diǎn)數(shù)據(jù)時(shí)，就能得到量化了的正弦曲線，若周期地重復(fù)這一過(guò)程，并將數(shù)字量經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換與平滑濾波后輸出，就可以得到連續(xù)的正弦波信號(hào)。
AD9833是一塊完全集成的DDS電路，所需外部分立元器件少。AD9833的內(nèi)部電路主要有數(shù)控振蕩器（NCO）、頻率和相位調(diào)節(jié)器、正弦幅值表、數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）、電壓調(diào)整器。
AD9833有3根串行接口線，與SPI、QSPI、MICROWIRE和DSP接口標(biāo)準(zhǔn)兼容。在串口時(shí)鐘SCLK的作用下，數(shù)據(jù)是以16位的方式加載到設(shè)備上的。FSYNC引腳是使能引腳，低電平有效。進(jìn)行串行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，F(xiàn)SYNC引腳必須置低，要注意FSYNC有效到SCLK下降沿的建立時(shí)間的最小值，具體編程須參照手冊(cè)[3]上的時(shí)序來(lái)操作。本設(shè)計(jì)AD9833正弦波發(fā)生電路圖如圖3所示。
AD9833的輸出正弦波信號(hào)(即圖3中Vout)頻率fOUT由公式(1)計(jì)算：
式中：fCODE表示頻率控制字，理論上其值可以是1～(228-1)，由單片機(jī)通過(guò)模擬SPI接口寫(xiě)入；FMCLK表示時(shí)鐘頻率，在本設(shè)計(jì)中FMCLK=10MHz。AD9833的頻率控制字是28位，所以當(dāng)時(shí)鐘采用10MHz時(shí)，理論上的最大輸出頻率為5MHz(實(shí)際輸出大概是參考時(shí)鐘的40%)，輸出分辨率可達(dá)0.037Hz。
2.2 數(shù)字幅度控制電路
由于AD9833輸出信號(hào)的幅度是固定的(峰-峰值為0.7V左右)，因此，為了改變恒流源電流大小，還需增加幅度控制電路。PC機(jī)通過(guò)RS232接口將每一路的幅度數(shù)據(jù)(通過(guò)讀取控制面板上各個(gè)通道電流值，進(jìn)行轉(zhuǎn)換后得到)發(fā)送給總控AVR單片機(jī),再由總控AVR單片機(jī)通過(guò)TWI總線發(fā)送給每路恒流源模塊中的單片機(jī),然后，恒流源模塊內(nèi)單片機(jī)將得到的幅度碼輸出給幅度控制電路。幅度控制電路根據(jù)得到的幅度碼調(diào)整信號(hào)的幅度。幅度控制電路的原理圖如圖4所示。
AD7524為ADI公司的8位數(shù)模轉(zhuǎn)換器，當(dāng)信號(hào)作為數(shù)模轉(zhuǎn)換器的參考輸入時(shí)，數(shù)模轉(zhuǎn)換器就可以看作為一個(gè)信號(hào)衰減器。
從AD7524的數(shù)據(jù)手冊(cè)上可知，AD7524的數(shù)據(jù)建立時(shí)間最大不到200ns，因此對(duì)于100kHz的參考輸入信號(hào)，其響應(yīng)速度滿足要求。
該電路輸入和輸出關(guān)系為：
式中，code為幅度碼(D7～D0)。
2.3 電壓-電流轉(zhuǎn)換電路
電壓-電流轉(zhuǎn)換電路是基于Howland電流泵。Howland電流泵的原理電路如圖5所示。
當(dāng)滿足平衡條件：
時(shí)，負(fù)載電流IO可表示為：
此時(shí)電流泵的輸出阻抗RO=∞，電壓柔量(即輸出電壓的可擺動(dòng)范圍）
。式中，VSAT為運(yùn)放的飽和電壓輸出值。
基于Howland電流泵的改進(jìn)型電壓-電流轉(zhuǎn)換電路[2]如圖6所示，正弦波發(fā)生電路產(chǎn)生的正弦電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波和幅度控制之后轉(zhuǎn)換為恒定的正弦電流信號(hào)。
圖6中，當(dāng)滿足平衡條件：
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時(shí)，負(fù)載電流IO仍維持式(4)的關(guān)系，輸出阻抗RO=∞。圖6所示電路一方面使R2B從式(3)的平衡條件制約中解脫出來(lái)，僅僅調(diào)節(jié)R2B即可改變輸出電流IO，也不會(huì)破壞電路的平衡條件；另一方面也使電路輸出電壓VL的電壓柔量比圖5中的Howland電流泵的電壓柔量更寬，此時(shí)的電壓柔量
。原因是運(yùn)放A、C使得電阻R29和R30流過(guò)的電流僅僅是輸出電流IO(TL072的偏置電流最大為200pA，相對(duì)于輸出電流1mA～5mA是可以忽略的)。
2.4 濾波器設(shè)計(jì)
DDS輸出的模擬信號(hào)必須經(jīng)過(guò)低通濾波器濾除附加在所需頻率信號(hào)上的高頻數(shù)字偽信號(hào)。由于本設(shè)計(jì)所需頻率范圍為10kHz～100kHz，因此，除了濾除高頻噪聲信號(hào)外，低頻噪聲信號(hào)，尤其是工頻50Hz干擾噪聲也要濾除。所以，DDS輸出后需要一個(gè)帶通濾波器。
本帶通濾波器采用運(yùn)算放大器來(lái)組成有源濾波器[4]。由于帶通頻帶寬，故采用低通濾波器和高通濾波器級(jí)聯(lián)而成。為了提高濾波器對(duì)噪聲的抑制能力，低通和高通濾波器都采用8階巴特沃思有源濾波器電路[4]。濾波器運(yùn)放采用J-FET輸入型運(yùn)放TL072,它具有高轉(zhuǎn)換速率(SR典型值為16V/μs）、低噪聲、高輸入阻抗、低偏置電流和高單位增益帶寬（典型值為4MHz） 等特點(diǎn)。濾波電阻采用精度為1%的金屬膜貼片電阻（0805封裝），濾波電容采用溫度系數(shù)好，高頻特性好的獨(dú)石電容。為了保證在10kHz～100kHz內(nèi)信號(hào)無(wú)衰減，低通濾波器的截止頻率設(shè)置為260kHz，高通濾波器的截止頻率為1kHz。高頻噪聲低通濾波則是為了濾除AD7524進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換時(shí)引起的高頻噪聲，也采用運(yùn)算放大器組成的有源濾波器。濾波器設(shè)計(jì)采用Filterlab軟件來(lái)完成各參數(shù)的選擇，最終通過(guò)實(shí)際電路測(cè)試滿足設(shè)計(jì)要求。
3 數(shù)據(jù)通信
??? 數(shù)據(jù)通信包括兩部分：一是PC機(jī)和總控AVR單片機(jī)的通信，通信方式采用串口通信[5]，硬件芯片采用常用的MAX232集成芯片；二是總控AVR單片機(jī)和各個(gè)交流正弦恒流源模塊內(nèi)的AVR單片機(jī)的通信，通信方式為內(nèi)部集成的TWI總線。
3.1 串口通信
?? PC機(jī)提供良好的用戶接口。用戶可以通過(guò)PC機(jī)設(shè)置每個(gè)通道的具體參數(shù)。同時(shí)，利用PC機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，下位單片機(jī)可以更加高效快速地運(yùn)行。PC機(jī)和總控AVR單片機(jī)采用RS232串行總線通信，采取軟協(xié)議方式。數(shù)據(jù)幀格式說(shuō)明如下：
數(shù)據(jù)幀的第一個(gè)字節(jié)為控制字節(jié)，每位的定義如下：
??? D1～D0：
00：頻率寄存器0；01：相位寄存器0；10：幅度寄存器11：保留。
D7～D2：
000000：通道1；000001：通道2；……111111：通道64。
每個(gè)控制字節(jié)后面緊接著就是相應(yīng)的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)流結(jié)構(gòu)如圖7所示。
其中，控制字中D1-D0=00時(shí)，數(shù)據(jù)為4個(gè)字節(jié)；控制字中D1-D0=01時(shí)，數(shù)據(jù)為2個(gè)字節(jié)；控制字中D1-D0=10時(shí)，數(shù)據(jù)為1個(gè)字節(jié)。因此可以根據(jù)控制字識(shí)別緊跟其后的數(shù)據(jù)位數(shù)。總控AVR單片機(jī)將接收到的數(shù)據(jù)再發(fā)送給下位單片機(jī)。圖8為八通道恒流源PC機(jī)用戶界面。
3.2 TWI總線
AVR系列的單片機(jī)內(nèi)部集成了TWI總線。該總線具有I2C總線的特點(diǎn)，即接線簡(jiǎn)單，外部硬件只需要兩個(gè)上拉電阻，使用時(shí)鐘線SCL和數(shù)據(jù)線SDA就可以將128個(gè)不同的設(shè)備互連到一起。而且支持主機(jī)和從機(jī)操作，器件可以工作于發(fā)送器模式或接收器模式，數(shù)據(jù)傳輸率高達(dá)400kHz，其連接圖如圖9所示。具體可參閱ATmega16的數(shù)據(jù)手冊(cè)[6]。
本生物阻抗測(cè)量用正弦恒流源采用了DDS和Howland電流泵技術(shù)，增加了相應(yīng)的濾波電路。最終生成的恒流源頻率穩(wěn)定，信號(hào)幅度數(shù)字可調(diào)且噪聲小。利用TWI總線和RS232接口，本設(shè)計(jì)可以連接多達(dá)128路恒流源模塊，并可以方便地在PC機(jī)上設(shè)置各路運(yùn)行參數(shù)，能滿足脈搏波分析中對(duì)多路測(cè)量的要求。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，性能良好。
參考文獻(xiàn)
[1] ?YANG Yu Xiang, WANG Jue. A design of bioimpedance spectrometer for early detection of pressure ulcer[C].
?Proceedings of the 2005 IEEE Engineering in Medicine?and Biology 27th Annual Conference.2005：6602-6604.
[2] ?楊宇祥，王玨，朱飛龍，等.一種正弦掃頻式恒流源設(shè)計(jì)[J].儀器儀表學(xué)報(bào),2006,27(z1):162-164.
[3] ?Analog Devices Inc. AD9833 datasheet[DB/OL].?http://www.analog.com,2007.
[4]? 岡村迪夫. OP放大器電路設(shè)計(jì)[M]. 王玲，徐雅珍，李武平,譯. 北京：科學(xué)出版社，2004.
[5] ?譚思亮, 鄒超群.Visual C++串口通信工程開(kāi)發(fā)實(shí)例導(dǎo)航[M]. 北京:人民郵電出版社, 2003.
[6] ?ATMEL Corporation. ATmega16 datasheet[DB/OL].?http://www.atmel.com, 2007.