基于LPC2148芯片實現(xiàn)小型生物阻抗分析儀的設(shè)計

作者：黃松鑫，何愛軍，霍鋮宇，紀(jì)曉亮，張榮

1 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。生物阻抗分析儀的機(jī)理在于：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。

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。

2.系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)和原理

2.1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部和虛部。

本系統(tǒng)采用了上下位機(jī)的設(shè)計方法，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、終點和步長設(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。

2.2 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

2.2.1 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，在設(shè)計中使用控制端點0和批量端點2，并采用全速模式進(jìn)行USB通信。

2.2.2 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。

2.2.3 測量前端電極：

采用了四電極法，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，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

3.軟件設(shè)計

3.1 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

3.2 下位機(jī)固件程序設(shè)計

下位機(jī)固件程序主要實現(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。

3.2.1 AD5933控制

該部分軟件的主要是控制AD5933進(jìn)行頻率掃描并獲取阻抗，測量溫度等。AD5933的初始化設(shè)置參數(shù)由PC主機(jī)應(yīng)用程序通過USB接口傳遞至下位機(jī)，下位機(jī)解析指令再通過I2C接口寫入AD5933片內(nèi)寄存器。

程序流程如圖4所示：

圖4 AD5933控制部分工作流程

3.2.2 USB數(shù)據(jù)通信

USB數(shù)據(jù)通信部分需要完成的任務(wù)包括：

（1）由主機(jī)向下位機(jī)發(fā)送各種控制命令，用于傳輸配置參數(shù)、啟動各種操作等，并獲取下位機(jī)當(dāng)前的工作狀態(tài)；

（2）當(dāng)下位機(jī)完成掃頻或溫度測量時，由PC機(jī)通過USB讀取測量結(jié)果。

3.3 主機(jī)設(shè)備驅(qū)動程序設(shè)計

主機(jī)端的設(shè)備驅(qū)動程序為WDM類型。USB設(shè)備的總線驅(qū)動程序主要由操作系統(tǒng)提供，本設(shè)計中編寫的是功能驅(qū)動程序，基本組成包括：驅(qū)動程序入口例程（DriverEntry）、 即插即用例程、分發(fā)例程、 電源管理例程、卸載例程。其中分發(fā)例程主要用于處理用戶軟件發(fā)出的各種I/O請求，并為用戶提供操縱設(shè)備的接口。用戶的Win32應(yīng)用程序?qū)⑼ㄟ^分發(fā)例程來與特定的設(shè)備進(jìn)行通信。

3.4 主機(jī)端應(yīng)用程序設(shè)計

主機(jī)端應(yīng)用程序提供了一個人機(jī)交互的界面，用于客戶控制系統(tǒng)硬件設(shè)備，讀取下位機(jī)的各種測量結(jié)果并進(jìn)行分析計算，然后以圖形化的方式予以表現(xiàn)。主要包括USB設(shè)備接口、界面控制、校準(zhǔn)處理、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)存儲幾個功能模塊。

3.4.1 AD5933的校準(zhǔn)處理

根據(jù)AD5933原理特性，在阻抗測量時首先必須確定阻抗的范圍和測試頻率范圍，并進(jìn)行校準(zhǔn)，通常的校準(zhǔn)方法是選擇待測阻抗范圍的中點值為校準(zhǔn)電阻值，將校準(zhǔn)頻率設(shè)定為測試頻率范圍的中點，在該頻點計算相應(yīng)的幅度因子。但是實驗中發(fā)現(xiàn)隨著頻率的變化，幅度因子的值會逐漸產(chǎn)生偏差。

由于考慮到每次掃頻的最大點數(shù)不是很多（511個），在應(yīng)用程序中，本設(shè)計采用了逐點校準(zhǔn)的方法，即對于確定的掃頻范圍和間隔，使用校準(zhǔn)電阻經(jīng)過掃頻，測量計算每個頻率點的幅度因子，并存放在一個校準(zhǔn)數(shù)組中，從而很好的減小了該頻率范圍內(nèi)幅度因子的偏差，在實驗中取得了較好的效果。

4.實驗結(jié)果

4.1 對人體左上肢＋軀干＋右下肢的阻抗進(jìn)行測量

測量結(jié)果如圖。

圖5 人體阻抗測量結(jié)果

上述測量結(jié)果包含了兩個測量結(jié)果，上面的曲線代表了人體阻抗模值隨頻率變化的情況，下面的曲線代表了人體阻抗相位隨頻率變化的情況，實驗中頻率變化的范圍取為5KHz-100KHz，步進(jìn)頻率設(shè)為在1KHz。由圖中可以發(fā)現(xiàn)出人體左上肢＋軀干＋右下肢的總阻抗在850Ω（5KHz處）到400Ω（100KHz）之間，且總阻抗值隨著激勵信號頻率的升高而下降，與人體阻抗信息的常識是吻合的，實驗結(jié)果也驗證了本設(shè)計的有效性，圖形化的界面也使得本設(shè)計使用操作方便，結(jié)果一目了然。測量的阻抗信息經(jīng)過算法的計算，則可以測定人體的成分組成，比如脂類成分的含量多少等等。

4.2 可靠性測試

由于人體阻抗在頻率50KHz的阻值在200-800歐之間，因此選取如下表所示的電阻，利用本設(shè)計測量電阻值與使用惠普4284A型LCR分析儀測量結(jié)果做一個對比：

表1 測量電阻結(jié)果

從表1可以看出本設(shè)計測量儀器在測量過程中精度誤差控制在1%以內(nèi)。

5.結(jié)論

本文分析了基于USB2.0的小型生物阻抗分析儀硬件原理結(jié)構(gòu)，同時分析了上位機(jī)顯示控制軟件、USB驅(qū)動程序以及嵌入式下位機(jī)固件軟件的構(gòu)建和實現(xiàn)。該阻抗分析儀采用四電極法的激勵前端，并使用了高集成度的阻抗分析芯片，不僅在成本得到了有效控制，而且在測試結(jié)果的精度上有不錯的表現(xiàn)。USB2。0接口的采用使得該儀器具有即插即用，測量迅速準(zhǔn)確等優(yōu)點，另外使用了隔離技術(shù)也保證測試人體的安全?？傊疚脑谛⌒突镒杩狗治鰞x器的設(shè)計上提供了一個新的思路和較好的構(gòu)建框架。

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