文獻標識碼： A
文章編號： 0258-7998(2013)06-0024-03
同時多頻生物電阻抗測量技術MFOT-BEIT(MFOT Bioelectrical Impedance Measurement Technology)依據(jù)人體不同組織、器官具有不同阻抗的原理，通過體表電極同時注入微小的安全混頻激勵電流檢測電極測量組織表面的電壓，通過測得的電壓信號計算出組織或器官的阻抗變化[1]。MFOT技術能克服多頻分時測量時受組織、器官內(nèi)血流變化影響的不足，是目前的研究熱點。為滿足生物電阻抗測量系統(tǒng)同時多頻激勵的要求，目前已出現(xiàn)了的多種同時多頻激勵源，基于Walsh函數(shù)的同時多頻混合信號激勵源就是其中的一種[2]。因Walsh函數(shù)激勵源易于用FPGA硬件實現(xiàn)同步信號生成，所以是一種很有發(fā)展前景的MFOT激勵信號發(fā)生器。
為了采樣基于Walsh函數(shù)的同時多頻信號，本文設計了由Cyclone IV EP4CE115F29C7N FPGA和高速A/D轉換器AD9240構成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)能對輸入的信號進行正確采樣，并在計算機上恢復出其原始波形。
初始信號首先經(jīng)過由OPA657構成的電壓跟隨器，減小輸出阻抗，以提高電路帶負載能力；信號通過A/D驅動器和高速采樣芯片AD9240，實現(xiàn)電壓的模/數(shù)轉換；采樣后的數(shù)據(jù)緩存至FIFO，然后進行一些簡單的數(shù)據(jù)預處理，最后通過串口傳輸?shù)接嬎銠C進行波形的恢復和阻抗的計算。
3 系統(tǒng)主要模塊設計
3.1 采樣電路設計
采樣電路如圖3所示。電路以AD9240為采樣芯片。AD9240是一款14 bit并行輸出、轉換速率最高可達10 MS/s的模/數(shù)轉換芯片，具有采樣精度高、轉換速度快、功耗低的特點[3]。AD9240在差分輸入時性能是最佳的，故本系統(tǒng)采用差分放大器AD8138作為AD9240的驅動。
本系統(tǒng)采用內(nèi)部參考電壓，將AD9240引腳SENSE與引腳REFCOM直接相連，可以將輸入電壓范圍設定為-2.5 V～2.5 V。
3.2 FPGA設計
本系統(tǒng)中FPGA采用Altera公司生產(chǎn)的Cyclone IV EP4CE115F29C7N，它的主要作用是產(chǎn)生采樣時鐘、存儲A/D轉換數(shù)據(jù)以及實現(xiàn)串口通信。
3.2.1 采樣時鐘的產(chǎn)生
設計中AD9240的采樣頻率由FPGA通過軟件分頻的方式產(chǎn)生，F(xiàn)PGA的最高系統(tǒng)時鐘CLK為50 MHz，實際使用時依據(jù)具體情況調節(jié)分頻系數(shù)即可得到合適的采樣頻率。圖4為FPGA輸出的采樣頻率波形。
3.2.2 FIFO設計
FIFO的讀寫速度比較快，且讀寫方便[4]，故本系統(tǒng)通過FIFO來實現(xiàn)采樣數(shù)據(jù)的存儲。通過FPGA構造兩個FIFO，前一個FIFO存儲采樣得到的數(shù)據(jù)，后一個FIFO存儲經(jīng)預處理后的數(shù)據(jù)。通過軟件算法對存儲在FIFO中的數(shù)據(jù)進行預處理(如濾波等)，以減少后期處理的數(shù)據(jù)量。A/D采樣控制及FIFO存儲的FPGA原理框圖如圖5所示。
采樣數(shù)據(jù)的輸入與FIFO的輸出波形如圖6所示。由圖6可知，F(xiàn)IFO能在寫信號的控制下存儲采樣數(shù)據(jù)，并能在讀信號的控制下讀取所存儲的數(shù)據(jù)。
3.2.3 串口通信
經(jīng)過預處理的數(shù)據(jù)需要通過FPGA的串口傳輸?shù)接嬎銠C上做進一步的處理。本系統(tǒng)把串口設計成可同時收發(fā)的雙工串口，既可以由FPGA向計算機傳輸數(shù)據(jù)，也可以由計算機向FPGA發(fā)送系統(tǒng)的啟動信號，其FPGA原理框圖如圖7所示。
4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實驗
采樣數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C后，需將采樣的數(shù)字信號轉換為實際電壓的大小。由于AD9240是14 bit的A/D轉換器，且輸入電壓范圍設定為-2.5 V～+2.5 V之間，故數(shù)據(jù)換算關系如式（3）所示：
實驗中，Walsh函數(shù)信號源產(chǎn)生7階同時多頻激勵信號，信號是峰峰值為2.5 mA的恒定電流，信號基頻f0設為6 kHz，其他諧波信號分別為: 2f0=12 kHz，4f0=24 kHz，8f0=48 kHz，16f0=96 kHz，32f0=192 kHz，64f0=384 kHz，阻抗模型設為1.92 k?贅的純電阻，系統(tǒng)的采樣頻率設為6.25 MHz。測試結果如圖9所示。圖9（a）為由示波器顯示的原始信號波形圖，圖9（b）為采樣信號的波形圖。圖10（a）為原始信號的頻譜圖，圖10（b）為采樣信號的頻譜圖。由圖9和圖10可以看出，采集系統(tǒng)能正確地采樣Walsh函數(shù)產(chǎn)生的多頻激勵信號。
本文設計了基于Walsh函數(shù)的同時多頻信號采集系統(tǒng)。實驗結果表明，系統(tǒng)能夠有效地采樣輸入的同時多頻信號，數(shù)據(jù)經(jīng)串口傳輸?shù)接嬎銠C后可以方便地恢復出原始波形。該系統(tǒng)滿足MFOT-BEIT的測量要求。
參考文獻
[1] 趙進創(chuàng)，黎志剛，劉金花，等.生物電阻抗測量系統(tǒng)中同時多頻混合激勵源的設計[J].計算機測量與控制，2011，19(10)：2482-2484.
[2] Yang Yuxiang，Kang Minhang，Lu Yong，et al.Design of a wideband excitation source for fast bioimpedance spectroscopy[J].Measurement Science and Technology，2011，22(1)：013001.
[3] 郭自勇，周有慶，吳桂清.14位并行A/D轉換芯片AD9240的應用[J].中國儀器儀表，2003(5)：29-31.
[4] 高禮鐘.FIFO在高速采集系統(tǒng)中的應用[J].電子測量技術，2005(1)：51-52.