基于USB2.0接口的生物阻抗分析儀的研制

引言

　　生物阻抗技術(shù)是一種無(wú)損傷的技術(shù)，測量時(shí)對人體沒(méi)有任何傷害和副作用，是人體醫學(xué)發(fā)展的一個(gè)方向之一[1]。生物阻抗分析儀的機理[2]在于：生物組織對外加電流場(chǎng)具有不同導電作用，當在人體表面加一固定頻率的低電平電流時(shí)，含水 70 %以上的肌肉組織是良好導體，而含水較少的脂肪組織近似為絕緣體，因此通過(guò)測出阻抗值可用于計算出身體成份以及電阻抗的醫學(xué)成像[3]。

　　目前市場(chǎng)上已經(jīng)有多種生物阻抗分析儀器，但成本昂貴，使用煩瑣，設計復雜，難以在家庭保健方面得到普及。因此，本設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(diǎn)測量人體各區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(diǎn)。

1.系統硬件結構和原理

1.1系統原理

　　高集成度阻抗分析芯片AD5933是一個(gè)高精度的阻抗變換系統，含有一個(gè)片上頻率發(fā)生器和一個(gè)12位、1MHz采樣率的ADC（模數轉換器）。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(guò)前置放大器的增益控制到達目標阻抗，返回的信號經(jīng)ADC采樣后送到片上的DSP引擎，此DSP引擎執行FFT操作，計算出每一輸出頻率上阻抗的實(shí)部和虛部。

　　本系統采用了上下位機的設計方法[4]，整個(gè)系統全部由上位機PC通過(guò)USB發(fā)送相應命令來(lái)控制，通過(guò)PC應用程序將掃查頻率起點(diǎn)、終點(diǎn)和步長(cháng)設置好，通過(guò)USB接口發(fā)送到下位機，下位機解析相應的協(xié)議后，轉換成對AD5933的控制指令，配置AD5933完成相應的操作，下位機則使用了ARM7內核的LPC2148芯片作為主控制器，經(jīng)I2C總線(xiàn)控制AD5933芯片，該芯片通過(guò)四電極法的模擬前端并使用片內DSP計算出人體的特性阻抗，主控制器通過(guò)I2C接口將其取回，數據經(jīng)USB接口傳送至上位機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(shí)系統在人體和PC之間采用了安全隔離措施，保證了測試人體的安全。本設計中為了方便校準測量，使用了I2C總線(xiàn)接口的E2PROM存儲校準所獲得的參數，另外本設計利用PCA9535芯片將I2C信號轉為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(shí)測量人體多個(gè)區間段的阻抗信息[5]。

1.2系統硬件結構

　　整個(gè)系統硬件框架如圖1所示：

圖1 硬件框架圖

1.2.1 USB通信：

　　本設計采用LPC2148片上集成的USB2.0控制器來(lái)完成USB通信，該控制器支持16個(gè)邏輯端點(diǎn)，在設計中使用控制端點(diǎn)0和批量端點(diǎn)2，并采用全速模式進(jìn)行USB通信。

1.2.2 隔離：

　　為保證被測生物體與PC機電壓隔開(kāi)，采用隔離技術(shù)，包括電源隔離和I2C信號的隔離兩個(gè)部分。I2C信號的隔離采用ADUM2251，該芯片提供了一個(gè)雙向通道和一個(gè)單向通道來(lái)實(shí)現I2C接口的隔離。該芯片具有很強的隔離和保護性能，額定的隔離電壓為5000V，并可以持續1分鐘時(shí)間。電源隔離采用DC/DC電源隔離模塊，該模塊內置EMI濾波單元，輸入過(guò)壓、過(guò)流及輸出短路、過(guò)載保護電路。

1.2.3 測量前端電極：

　　采用了四電極法[6]，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換設計，將AD5933所發(fā)出的激勵電壓信號轉換為交流恒流信號，經(jīng)過(guò)電平抬升至2.5V的多頻率恒流經(jīng)過(guò)人體[7]，測量電極所測得的在人體上產(chǎn)生的電壓通過(guò)高輸入阻抗和高共模抑制比的差分放大器，送至后端作AD轉換處理和阻抗特性計算，保證測量的準確性。與比較簡(jiǎn)單的兩電極法相比具有更好的精確程度，整個(gè)測量電極模擬前端如圖2所示。

圖2 四電極法模擬前端

2.軟件設計

2.1 軟件系統流程

　　軟件系統流程如圖3所示：

圖3 軟件系統流程圖

2.2 下位機固件程序設計

　　下位機固件程序主要實(shí)現主控制器經(jīng)I2C控制AD5933，E2PROM的存儲，以及PCA9535的控制，通過(guò)USB與上位機通信，以及總的協(xié)調控制。

2.2.1 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的初始化設置參數由PC主機應用程序通過(guò)USB接口傳遞至下位機，下位機解析指令再通過(guò)I2C接口寫(xiě)入AD5933片內寄存器。
　　程序流程如圖4所示：

圖4 AD5933控制部分工作流程

2.2.2 USB數據通信

　　USB數據通信部分需要完成的任務(wù)包括：

　　(1)由主機向下位機發(fā)送各種控制命令，用于傳輸配置參數、啟動(dòng)各種操作等，并獲取下位機當前的工作狀態(tài)；
　　(2)當下位機完成掃頻或溫度測量時(shí)，由PC機通過(guò)USB讀取測量結果。

2.3 主機設備驅動(dòng)程序設計

　　主機端的設備驅動(dòng)程序為WDM類(lèi)型。USB設備的總線(xiàn)驅動(dòng)程序主要由操作系統提供，本設計中編寫(xiě)的是功能驅動(dòng)程序，基本組成包括：驅動(dòng)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(hù)軟件發(fā)出的各種I/O請求，并為用戶(hù)提供操縱設備的接口。用戶(hù)的Win32應用程序將通過(guò)分發(fā)例程來(lái)與特定的設備進(jìn)行通信。

2.4主機端應用程序設計

　　主機端應用程序提供了一個(gè)人機交互的界面，用于客戶(hù)控制系統硬件設備，讀取下位機的各種測量結果并進(jìn)行分析計算，然后以圖形化的方式予以表現。主要包括USB設備接口、界面控制、校準處理、數據分析、數據存儲幾個(gè)功能模塊。

2.4.1 AD5933的校準處理

　　根據AD5933原理特性，在阻抗測量時(shí)首先必須確定阻抗的范圍和測試頻率范圍，并進(jìn)行校準，通常的校準方法是選擇待測阻抗范圍的中點(diǎn)值為校準電阻值，將校準頻率設定為測試頻率范圍的中點(diǎn)，在該頻點(diǎn)計算相應的幅度因子。但是實(shí)驗中發(fā)現隨著(zhù)頻率的變化，幅度因子的值會(huì )逐漸產(chǎn)生偏差。

　　由于考慮到每次掃頻的最大點(diǎn)數不是很多（511個(gè)），在應用程序中，本設計采用了逐點(diǎn)校準的方法，即對于確定的掃頻范圍和間隔，使用校準電阻經(jīng)過(guò)掃頻，測量計算每個(gè)頻率點(diǎn)的幅度因子，并存放在一個(gè)校準數組中，從而很好的減小了該頻率范圍內幅度因子的偏差，在實(shí)驗中取得了較好的效果

3.實(shí)驗結果

3.1 對人體左上肢＋軀干＋右下肢的阻抗進(jìn)行測量

　　測量結果如圖。

圖5 人體阻抗測量結果
 
　　上述測量結果包含了兩個(gè)測量結果，上面的曲線(xiàn)代表了人體阻抗模值隨頻率變化的情況，下面的曲線(xiàn)代表了人體阻抗相位隨頻率變化的情況，實(shí)驗中頻率變化的范圍取為5KHz-100KHz，步進(jìn)頻率設為在1KHz。由圖中可以發(fā)現出人體左上肢＋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(zhù)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(shí)驗結果也驗證了本設計的有效性，圖形化的界面也使得本設計使用操作方便，結果一目了然。測量的阻抗信息經(jīng)過(guò)算法的計算，則可以測定人體的成分組成，比如脂類(lèi)成分的含量多少等等[8]。

3.2 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，利用本設計測量電阻值與使用惠普4284A型LCR分析儀測量結果做一個(gè)對比：

 
表1 測量電阻結果

　　從表1可以看出本設計測量?jì)x器在測量過(guò)程中精度誤差控制在1%以?xún)取?/p>

4.結論

　　本文分析了基于USB2。0的小型生物阻抗分析儀硬件原理結構，同時(shí)分析了上位機顯示控制軟件、USB驅動(dòng)程序以及嵌入式下位機固件軟件的構建和實(shí)現。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，而且在測試結果的精度上有不錯的表現。USB2。0接口的采用使得該儀器具有即插即用，測量迅速準確等優(yōu)點(diǎn)，另外使用了隔離技術(shù)也保證測試人體的安全?？傊?，本文在小型化生物阻抗分析儀器的設計上提供了一個(gè)新的思路和較好的構建框架。