使用DDS芯片實(shí)現(xiàn)生物組織阻抗頻譜測(cè)試儀的設(shè)計(jì)

引 言

長(zhǎng)期以來(lái)，對(duì)生物組織電性質(zhì)的研究一直是生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)關(guān)注的熱點(diǎn)。生物組織的電學(xué)性質(zhì)是人們認(rèn)識(shí)生命物質(zhì)的一個(gè)重要方面。

生命物質(zhì)電阻抗作為一個(gè)重要的電參數(shù)，在電性質(zhì)研究中占有很重要的地位，生物組織生理病理特性可以通過(guò)電阻抗來(lái)反映。許多研究表明，生物組織電特性的頻率依賴(lài)性很強(qiáng)，因此，對(duì)生物組織電特性的研究常采用多頻電阻抗法。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)通過(guò)研究生物組織的阻抗特性預(yù)測(cè)早期疾病、治療過(guò)程中的監(jiān)護(hù)、區(qū)分正常組織和病變組織等。在這些研究報(bào)道中發(fā)現(xiàn)，對(duì)相關(guān)生物組織的阻抗特性主要使用現(xiàn)成的阻抗分析儀測(cè)量，這些儀器均非針對(duì)生物組織而設(shè)計(jì)，因此存在對(duì)測(cè)量對(duì)象造成破壞、非實(shí)時(shí)、價(jià)格昂貴等問(wèn)題。同時(shí)對(duì)生物組織頻譜測(cè)量系統(tǒng)的研究也在逐漸展開(kāi)，并有少數(shù)的國(guó)外相關(guān)報(bào)道。因此，在這些研究的基礎(chǔ)上，總結(jié)并設(shè)計(jì)一種先進(jìn)、優(yōu)化、方便快捷的生物電阻抗測(cè)量系統(tǒng)。該系統(tǒng)能全自動(dòng)、在很短時(shí)間內(nèi)完成從1 Hz～10 MHz的逐頻掃描，并記錄和顯示各頻率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的幅值和相位。同時(shí)，系統(tǒng)可以和PC機(jī)相關(guān)聯(lián)，具有很強(qiáng)的可擴(kuò)展性。

1 測(cè)量原理

生物組織在不同的頻率下，具有不同的阻抗特性。對(duì)生物組織阻抗特性測(cè)量采用兩電極法，電路由電極和組織組成的電極系統(tǒng)Zx及無(wú)感容的標(biāo)準(zhǔn)純電阻Rs串聯(lián)組成。由于信號(hào)源產(chǎn)生的電壓只有毫伏，檢測(cè)到的Zx和Rs兩端電壓通過(guò)同比例放大后的電壓為UZ和UR。設(shè)信號(hào)源輸出電壓Ui=Umsin(ωt)。同時(shí)信號(hào)源Ui，UZ和UR之間的關(guān)系滿(mǎn)足平行四邊形法則，通過(guò)Zx和Rs的電流I，UZ和UR可表示為：

通過(guò)式(2)和式(3)，可以計(jì)算得式(4)：

因此，通過(guò)測(cè)量和計(jì)算就可以獲得生物組織的幅頻和相頻特性。

2 生物電阻抗頻譜測(cè)量系統(tǒng)

2．1 系統(tǒng)總體

生物阻抗頻譜測(cè)量系統(tǒng)原理如圖1所示。該系統(tǒng)主要包括電源模塊、實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、信號(hào)檢測(cè)、MCU、液晶顯示、鍵盤(pán)、SD卡存儲(chǔ)器、USB接口等。

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是由測(cè)量對(duì)象和電極組成的電極系統(tǒng)，其中電極采用自制的共面電極，如圖2所示。首先在合適的測(cè)量環(huán)境下，準(zhǔn)備好測(cè)量對(duì)象，啟動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)。單片機(jī)通過(guò)控制DDS芯片產(chǎn)生由低頻到高頻的正弦信號(hào)，作用于電極系統(tǒng)，測(cè)量系統(tǒng)對(duì)信號(hào)處理后通過(guò)單片機(jī)內(nèi)部的A／D轉(zhuǎn)換，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于單片機(jī)內(nèi)。單片機(jī)通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)分析處理，將不同頻率時(shí)|Zx|和θ(ω)的值通過(guò)液晶對(duì)應(yīng)顯示，同時(shí)將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在SD卡中。PC機(jī)可以通過(guò)USB接口直接讀取SD卡中的信息并分析。

2. 2 信號(hào)源部分

信號(hào)發(fā)生器是系統(tǒng)的重要組成部分，要保證輸出的正弦波信號(hào)失真小，幅值穩(wěn)定且具有幅值、相位和頻率可調(diào)的功能。該系統(tǒng)采用直接頻率合成(Direct DigitalSynthesizer，DDS)技術(shù)，選用AD9852芯片來(lái)產(chǎn)生電壓信號(hào)。AD9852是美國(guó)Analog Devices公司生產(chǎn)的新型直接數(shù)字頻率合成器，具有頻率轉(zhuǎn)化速度快、頻譜純度高、工作溫度范圍寬、集成度高等特點(diǎn)。工作電壓為3．3 V，片內(nèi)有4～20倍可編程時(shí)鐘乘法電路，系統(tǒng)最高時(shí)鐘可達(dá)300 MHz，輸出頻率可達(dá)120 MHz，頻率轉(zhuǎn)化速度小于1μs。內(nèi)部有12位D／A轉(zhuǎn)化器、48位可編程頻率寄存器和14位可編程相位寄存器，具有12位振幅調(diào)諧功能，能產(chǎn)生頻率、相位、幅度可編程控制的高穩(wěn)定模擬信號(hào)，完全能滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)要求。信號(hào)源的電路原理框圖如圖3所示。

信號(hào)源的時(shí)鐘采用外接一個(gè)20 MHz的有源晶振，通過(guò)內(nèi)部時(shí)鐘乘法器倍頻得到系統(tǒng)時(shí)鐘。由于DDS芯片直接輸出的信號(hào)中帶有內(nèi)部時(shí)鐘的干擾成份，為了抑制雜散，在AD9852輸出端要加低通濾波器。

AD9852的最大輸出幅度由5，6腳的電阻器RSET決定，RSET=39．93／IOUT。AD9852輸出電流范圍是5～20 mA。在輸出典型值為10 mA時(shí)，可提供最好的SFD(Spurious Free Dynamic range)性能，因此選擇RSET=3．9 kΩ。而數(shù)模變換器的輸出電壓幅度為-0．5～+1 V，輸出信號(hào)功率不能直接滿(mǎn)足要求，所以還要對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行放大。

2．3 測(cè)量部分

測(cè)量電路如圖4所示。

從理論分析可知，選用芯片AD8302可以得到從電極輸出的兩路信號(hào)的幅度比和相位差。AD8302是美Analog Devices公司生產(chǎn)的專(zhuān)門(mén)用于幅度和相位測(cè)量的首款單片集成電路，它能同時(shí)測(cè)量從低頻到2．7 GHz頻率范圍內(nèi)兩輸入信號(hào)之間的幅度比和相位差。它內(nèi)部含兩個(gè)精密匹配寬帶對(duì)數(shù)檢波器、一個(gè)相位檢波器、輸出放大器組、一個(gè)偏置單元和一個(gè)輸出參考電壓緩沖器等。該器件將精密匹配的兩個(gè)對(duì)數(shù)檢波器集成在一塊芯片上，因而可將誤差源及相關(guān)溫度漂移減小到最低限度。

AD8302的幅度和相位測(cè)量原理主要基于對(duì)數(shù)放大器的對(duì)數(shù)壓縮功能，其一般數(shù)學(xué)表達(dá)式為：VOUT=VSLPlog(VIN／Vz)其中VIN為輸人電壓，Vz為截距，VSLP為斜率。AD8302正是利用上述對(duì)數(shù)壓縮原理，通過(guò)精密匹配的兩個(gè)寬帶對(duì)數(shù)檢波器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)兩輸入通道信號(hào)的幅度和相位的測(cè)量，其方程式如下：

式中：VINA和VINB分別為A，B兩通道的輸入信號(hào)幅度；φ(VINA)和φ(VINB)分別為A，B兩通道的輸入信號(hào)相位；VCP為參考電壓VCP=900 mV；RFISP=30 mV／dB；RFIφ=10 mV／(°)。

因此，兩路電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)AD8302輸出增益和相位電壓值；再通過(guò)C8051F340單片機(jī)內(nèi)部自帶的10位ADC轉(zhuǎn)換后，取到增益和相位具體參數(shù)，計(jì)算后可直接得到被測(cè)的阻抗。

2．4 其他部分

在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中除了信號(hào)源和檢測(cè)部分，鍵盤(pán)、顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等部分也是必不可少的。鍵盤(pán)主要用來(lái)設(shè)置信號(hào)源參數(shù)，包括信號(hào)的起止頻率、頻率步進(jìn)、開(kāi)始和復(fù)位等。鍵盤(pán)采用3×2矩陣式結(jié)構(gòu)。

顯示部分選用EDM12864B型圖形點(diǎn)陣式LCD液晶顯示模塊，主要用來(lái)顯示信號(hào)參數(shù)的具體設(shè)置信息和輸出狀態(tài)，如當(dāng)前輸出信號(hào)的頻率和幅值．測(cè)量對(duì)象的頻譜特性參數(shù)值(幅值和相位)等。

外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器采用SD卡。這種模式方便快捷，當(dāng)測(cè)量結(jié)束后，將測(cè)量數(shù)據(jù)存入SD卡中；然后取下SD卡，插入到讀卡器中，可以直接在計(jì)算機(jī)上讀出數(shù)據(jù)文件并處理數(shù)據(jù)。另外，在該系統(tǒng)上還設(shè)計(jì)了USB接口。當(dāng)連接USB與計(jì)算機(jī)，通過(guò)程序的控制，可以實(shí)現(xiàn)直接讀取SD卡中的數(shù)據(jù)文件。

3 系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)完成單片機(jī)以及各外部芯片初始化，包括單片機(jī)時(shí)鐘，A／D初始化，AD9852初始化，AD8302初始化，以及鍵盤(pán)、液晶顯示、USB、SD卡初始化等。初始化完成后，向DDS芯片AD9852寫(xiě)入控制字，控制并輸出信號(hào)；向幅度相位測(cè)試芯片AD8032寫(xiě)入控制字，控制測(cè)量輸出幅度差、頻率比的輸出模式。另外完成檢測(cè)按鍵狀態(tài)，實(shí)時(shí)顯示，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，查詢(xún)USB等。系統(tǒng)軟件流程如圖5所示。

對(duì)AD9852的驅(qū)動(dòng)和控制是系統(tǒng)軟件設(shè)置的重點(diǎn)和難點(diǎn)。對(duì)AD9852的初始化，首先，要設(shè)置工作模式。該設(shè)計(jì)采用單調(diào)模式(Single-Tone)，要求輸出1 Hz～10 MHz不同頻率的正弦信號(hào)。首先計(jì)算每個(gè)需要的頻率點(diǎn)的頻率控制字的值，頻率控制字的值由如下等式?jīng)Q定：FTW=輸出頻率×248／系統(tǒng)時(shí)鐘頻率；然后，在內(nèi)存中輸入對(duì)應(yīng)頻率表值，通過(guò)編程獲取對(duì)應(yīng)的頻率值并送到DDS的頻率控制字中，控制DDS輸出頻率，在一輪檢測(cè)完成以后再送出下一個(gè)頻率值。另外，在程序設(shè)計(jì)時(shí)要特別考慮程序的時(shí)序設(shè)計(jì)。

檢測(cè)部分主要是一個(gè)A／D轉(zhuǎn)換過(guò)程。ADC是單片機(jī)自帶的模塊，程序采用中斷的方式讀取A／D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。當(dāng)轉(zhuǎn)換完成后，讀取幅度比和相位差值，通過(guò)計(jì)算，直接得到被測(cè)組織的阻抗。

4 結(jié) 語(yǔ)

這里所設(shè)計(jì)的生物組織阻抗頻譜測(cè)試儀能快速、準(zhǔn)確、自動(dòng)完成1 Hz～10 MHz范圍的生物組織電阻抗(頻率特性)測(cè)量。儀器結(jié)構(gòu)完整、簡(jiǎn)單、成本低。DDS芯片的使用，讓信號(hào)的質(zhì)量得到了保證，而AD8302芯片極大的簡(jiǎn)化了幅度和相位測(cè)量電路，并且提高了測(cè)量精度。該系統(tǒng)能很好地完成生物組織電阻抗頻譜特性的測(cè)量，極大地改善、拓展了相關(guān)測(cè)量，對(duì)相關(guān)研究具有重要意義。