《电子技术应用》

脉搏波分析用多路正弦恒流源设计

作者:欧阳家淦, 黄志强
2009/3/31 14:59:19

  摘  要: 介绍了一种用于脉搏波分析的多路正弦恒流源系统设计方案。该系统主要由PC机用户接口程序、单片机控制电路、DDS正弦波生成电路、滤波器、数字幅度控制电路以及电压-电流转换电路组成。PC机用户程序通过RS232接口与总控AVR单片机通信;总控AVR单片机通过TWI(Two Wire Interface)总线与下位单片机通信。该系统实现了多路正弦恒流源的生成与控制。
  关键词: 脉搏波分析; 正弦恒流源; DDS;  TWI

 

  现代医学工程中,电子学的应用非常广泛,特别是在对各种疾病的预防和监测方面。其中,通过分析生物阻抗特性,相关研究人员能够对很多疾病进行预判和辨识[1]。为了能精确地分析生物阻抗特性,系统必须提供一个性能良好的交流恒流源。由于生物组织的复杂性,恒流源必须要求频率和幅度稳定,温度系数好,在切换频率时转换速率要快,且抗干扰能力强。同时,由于生物阻抗差异很大,恒流源工作于不同负载时其负载调整率要非常低。而与一般的扫频式阻抗分析仪[2]不同的是,本恒流源主要用于脉搏波的工程应用分析。该恒流源工作频率范围为10kHz~100kHz,相当于一个频率高于正常脉搏频率(100Hz以内)的载波信号施加到生物组织上;其响应相当于一个调制好的交流信号(脉搏波为调制信号,恒流源为载波信号)。此外,脉搏波的分析往往需要多路脉搏波信号(可多达32路),即需要多路恒流源同时工作。基于以上要求,本文设计了一种正弦恒流源,它具有频率可变、稳定、变频快速、幅值稳定且可调、输出阻抗高、电路结构简单的特点。此外,本设计增加了串口通信和TWI总线通信功能,用户可以通过PC机方便地对多路恒流源参数进行设置,实现多路阻抗测量和脉搏波分析。
1 系统原理及组成
  系统主要由三大部分组成:PC机用户接口、总控AVR单片机及正弦恒流源模块。其中,PC机提供良好的用户接口,方便用户进行参数的设定和计算,减少下位单片机的运算负荷。总控AVR单片机一方面和PC机通过RS232总线通信,接收数据,另一方面,通过TWI总线和下位正弦恒流源模块中的AVR单片机通信,传输每路参数,具体如图1所示。

 

2 正弦恒流源
  正弦恒流源模块提供频率可变(本设计要求10kHz~100kHz),电流幅度峰值可调(1mA~5mA)的低噪声正弦恒流源,其原理图如图2所示。


2.1 DDS正弦波发生器
  DDS技术的原理是在ROM中存储一个周期的正弦曲线采样点表,每一个存储单元存储的样点数据和地址之间的关系与正弦波的正弦幅值和时间轴的关系是一致的。这样,当按顺序逐单元读出ROM的样点数据时,就能得到量化了的正弦曲线,若周期地重复这一过程,并将数字量经D/A转换与平滑滤波后输出,就可以得到连续的正弦波信号。
  AD9833是一块完全集成的DDS电路,所需外部分立元器件少。AD9833的内部电路主要有数控振荡器(NCO)、频率和相位调节器、正弦幅值表、数模转换器(DAC)、电压调整器。
  AD9833有3根串行接口线,与SPI、QSPI、MICROWIRE和DSP接口标准兼容。在串口时钟SCLK的作用下,数据是以16位的方式加载到设备上的。FSYNC引脚是使能引脚,低电平有效。进行串行数据传输时,FSYNC引脚必须置低,要注意FSYNC有效到SCLK下降沿的建立时间的最小值,具体编程须参照手册[3]上的时序来操作。本设计AD9833正弦波发生电路图如图3所示。


  AD9833的输出正弦波信号(即图3中Vout)频率fOUT由公式(1)计算:
  
式中:fCODE表示频率控制字,理论上其值可以是1~(228-1),由单片机通过模拟SPI接口写入;FMCLK表示时钟频率,在本设计中FMCLK=10MHz。AD9833的频率控制字是28位,所以当时钟采用10MHz时,理论上的最大输出频率为5MHz(实际输出大概是参考时钟的40%),输出分辨率可达0.037Hz。
2.2 数字幅度控制电路
  由于AD9833输出信号的幅度是固定的(峰-峰值为0.7V左右),因此,为了改变恒流源电流大小,还需增加幅度控制电路。PC机通过RS232接口将每一路的幅度数据(通过读取控制面板上各个通道电流值,进行转换后得到)发送给总控AVR单片机,再由总控AVR单片机通过TWI总线发送给每路恒流源模块中的单片机,然后,恒流源模块内单片机将得到的幅度码输出给幅度控制电路。幅度控制电路根据得到的幅度码调整信号的幅度。幅度控制电路的原理图如图4所示。


  AD7524为ADI公司的8位数模转换器,当信号作为数模转换器的参考输入时,数模转换器就可以看作为一个信号衰减器。
从AD7524的数据手册上可知,AD7524的数据建立时间最大不到200ns,因此对于100kHz的参考输入信号,其响应速度满足要求。
  该电路输入和输出关系为:
  
  式中,code为幅度码(D7~D0)。
2.3 电压-电流转换电路
  电压-电流转换电路是基于Howland电流泵。Howland电流泵的原理电路如图5所示。


  当满足平衡条件:
  
时,负载电流IO可表示为:
  
  此时电流泵的输出阻抗RO=∞,电压柔量(即输出电压的可摆动范围)。式中,VSAT为运放的饱和电压输出值。
  基于Howland电流泵的改进型电压-电流转换电路[2]如图6所示,正弦波发生电路产生的正弦电压信号经过滤波和幅度控制之后转换为恒定的正弦电流信号。
  图6中,当满足平衡条件:
  

 

时,负载电流IO仍维持式(4)的关系,输出阻抗RO=∞。图6所示电路一方面使R2B从式(3)的平衡条件制约中解脱出来,仅仅调节R2B即可改变输出电流IO,也不会破坏电路的平衡条件;另一方面也使电路输出电压VL的电压柔量比图5中的Howland电流泵的电压柔量更宽,此时的电压柔量。原因是运放A、C使得电阻R29和R30流过的电流仅仅是输出电流IO(TL072的偏置电流最大为200pA,相对于输出电流1mA~5mA是可以忽略的)。
2.4 滤波器设计
  DDS输出的模拟信号必须经过低通滤波器滤除附加在所需频率信号上的高频数字伪信号。由于本设计所需频率范围为10kHz~100kHz,因此,除了滤除高频噪声信号外,低频噪声信号,尤其是工频50Hz干扰噪声也要滤除。所以,DDS输出后需要一个带通滤波器。
  本带通滤波器采用运算放大器来组成有源滤波器[4]。由于带通频带宽,故采用低通滤波器和高通滤波器级联而成。为了提高滤波器对噪声的抑制能力,低通和高通滤波器都采用8阶巴特沃思有源滤波器电路[4]。滤波器运放采用J-FET输入型运放TL072,它具有高转换速率(SR典型值为16V/μs)、低噪声、高输入阻抗、低偏置电流和高单位增益带宽(典型值为4MHz) 等特点。滤波电阻采用精度为1%的金属膜贴片电阻(0805封装),滤波电容采用温度系数好,高频特性好的独石电容。为了保证在10kHz~100kHz内信号无衰减,低通滤波器的截止频率设置为260kHz,高通滤波器的截止频率为1kHz。高频噪声低通滤波则是为了滤除AD7524进行数模转换时引起的高频噪声,也采用运算放大器组成的有源滤波器。滤波器设计采用Filterlab软件来完成各参数的选择,最终通过实际电路测试满足设计要求。
3 数据通信
    数据通信包括两部分:一是PC机和总控AVR单片机的通信,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;二是总控AVR单片机和各个交流正弦恒流源模块内的AVR单片机的通信,通信方式为内部集成的TWI总线。
3.1 串口通信
   PC机提供良好的用户接口。用户可以通过PC机设置每个通道的具体参数。同时,利用PC机强大的数据处理能力,下位单片机可以更加高效快速地运行。PC机和总控AVR单片机采用RS232串行总线通信,采取软协议方式。数据帧格式说明如下:
数据帧的第一个字节为控制字节,每位的定义如下:
    D1~D0:
  00:频率寄存器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。
  每个控制字节后面紧接着就是相应的数据,数据流结构如图7所示。


  其中,控制字中D1-D0=00时,数据为4个字节;控制字中D1-D0=01时,数据为2个字节;控制字中D1-D0=10时,数据为1个字节。因此可以根据控制字识别紧跟其后的数据位数。总控AVR单片机将接收到的数据再发送给下位单片机。图8为八通道恒流源PC机用户界面。


3.2 TWI总线
  AVR系列的单片机内部集成了TWI总线。该总线具有I2C总线的特点,即接线简单,外部硬件只需要两个上拉电阻,使用时钟线SCL和数据线SDA就可以将128个不同的设备互连到一起。而且支持主机和从机操作,器件可以工作于发送器模式或接收器模式,数据传输率高达400kHz,其连接图如图9所示。具体可参阅ATmega16的数据手册[6]


  本生物阻抗测量用正弦恒流源采用了DDS和Howland电流泵技术,增加了相应的滤波电路。最终生成的恒流源频率稳定,信号幅度数字可调且噪声小。利用TWI总线和RS232接口,本设计可以连接多达128路恒流源模块,并可以方便地在PC机上设置各路运行参数,能满足脉搏波分析中对多路测量的要求。通过实验,该系统运行稳定,性能良好。


参考文献
[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]  杨宇祥,王珏,朱飞龙,等.一种正弦扫频式恒流源设计[J].仪器仪表学报,2006,27(z1):162-164.
[3]  Analog Devices Inc. AD9833 datasheet[DB/OL]. http://www.analog.com,2007.
[4]  冈村迪夫. OP放大器电路设计[M]. 王玲,徐雅珍,李武平,译. 北京:科学出版社,2004.
[5]  谭思亮, 邹超群.Visual C++串口通信工程开发实例导航[M]. 北京:人民邮电出版社, 2003.
[6]  ATMEL Corporation. ATmega16 datasheet[DB/OL]. http://www.atmel.com, 2007.

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