（计算机应用技术专业论文）生物阻抗的测量方法与实现.pdf

独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导f 进行的研究工作及取得的研究成果。尽我 所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研 究成果，也不包含为获得鑫洼蕴蒸盘鲎或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所傲的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文版权使用授权书 本人完全了解天津师范大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇 编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名： 液的血管，其长度为l ，横截面积为a ，血液电阻率为p ，则其总电阻： r = p 告= p 等 ( 1 1 ) 其中v 为该段血管容积。当施加的交变电流频率较高时，其总阻抗z 的9 5 为电阻r ，可用z 取代r 得： 矿，d 竺 。z 考虑介质均匀，其电流不变时，p 和l i 匀保持不变，对两端微分可得 肌一哮心 ( 1 2 ) ( 1 3 ) 其中z 。表示人体基础阻抗。上式表明电阻抗的变化起因于血液容积的变 化，而电阻抗变化量与血液容积变化量成正比，由此就可以实现生物阻抗的无创 测量用。 1 3 生物阻抗测量方法 生物组织阻抗的测量的方法有很多种，常用的方法有电桥法、双电极法、四 环电极法和四电极法【8 】。经过对各种方法优缺点的分析，本文采用了四电极法。 1 3 1 电桥法 电桥法是早期测量生物阻抗的方法之一，其基本方法是：将被测生物组织接 于电桥的一个臂上，两个比率臂上分别接一电阻，平衡臂则多用可变电阻r 和 可变电器c 并联而成。当两个比率臂上电阻的阻值相等时，阻抗电桥成为对照 电桥。在电桥平衡时，平衡臂的电阻r 和电容c 就等效为被测生物组织并联等 效电路的电阻和电容。如果将r 和c 串联于平衡臂上，电桥平衡时，新的电阻 r 和电容c 就等效为被测生物组织串联等效电路的电阻和电容。 采用电桥测量时，由于平衡臂上电阻r 和电容c 般都是采用电阻箱和电 容箱，调节范围比较小，精度也不高，调节电桥平衡比较困难，因此在实际应用 4 中，此方法现已不多用【8 1 0 1 3 2 双电极法 双电极测量技术是将幅值恒定的交变电流通过一对电极引入被测生物组织， 再通过同一对电极将其两端的电压检测出。 由于双电极测量在使用中，电极下被测组织中的电流密度高于被测组织其它 部位的电流密度，即电流分布不均匀，这样组织各个部分对阻抗的贡献就不同， 从而使测得的阻抗与实际阻抗有较大的误差。同时，电极和生物组织之间还存在 接触电阻，且该电阻还不稳定，这又将引入测量误差。另外，电流流过电极和生 物组织电解液时还将产生极化现象，在低频时极化误差比较严重。因此，在精确 测量生物组织阻抗时，双电极法已逐步被四电极法替代n 1 3 3 四环电极法 四环电极测量系统由三对测量电极组成，其中一对电流电极，一对电压电极 和一对保护电极。两个电流电极分别与两个保护电极相连，然后再与一恒流源相 接，通过这两对电极将幅值恒定的交变电流引入生物组织，再通过两电压电极检 测出被测部位的电位差。 由于四环电极测量技术要求：( 1 ) 被测生物组织的形状必须切成扁平状；( 2 ) 两组环形电极的中心对准和平行度对结果有一定影响；( 3 ) 生物组织的电特性各 向同性。因此，四环电极测量技术一般用于生物组织的离体测量，而在体测量中 仍较少采用【引。 1 3 4 四电极法 典型的四电极测量系统包含两对电极，一对电极( 电流电极) 将恒定幅值的交 变电流引入生物组织，另一对电极( 电压电极) 介于两电流电极之间，将检测出被 测部位的电位差。 由于四电极测量系统中供电电极与测量电极分离，电压电极处于电流密度分 布比较均匀的中间段，当采用高输入阻抗的电压放大器时，电压电极与被测组织 间的接触电阻可以忽略不计，同时电极与生物组织电解液之间的极化也可以忽略 5 不计。所以，四电极法比较好的克服了双电极法存在的问题，从而慰蟊蠹熬蒜菱 蟊裂囊雾荔冀誊曼耙囊器囊 篓薹鍪蠡塑薄囊蔫；引引謦羹爱藉囊篙霉缡舞瑟矍篓萋羹篓鏊瑟萱牟出嚣 残i 莲擎翻戮囊鬻墨朵爨裟於萎蠢囊；i k 嚣鏊i 碍i 。墨努掣鄹射黝引粪 搿四墓一簿蚓镏矬罐；剀到雾菖不| 驱薯芫成布置；茬毖箍胖堕蚕那 豁口 旗弼霪数据提供薹j 裂辔氛誊烈裂苏霸蓦* 藿；i 。凳舄驱 使，达到短期 目标，处于中上 等水平。根据情 形尽量以最小 代价完成布置 的任务 第二章生物阻抗测量系统的设计 本章先介绍了国内外现有生物阻抗测量系统的发展状况，并对其优缺点进行 分析。此外，本章提出了一种新的方案，以解决当前国内外生物阻抗测量系统存 在的各种问题。最后，本章详细说明了新方案的整体框架，以及新方案在硬件和 软件方面的设计方案。 2 1 目前国内外生物阻抗测量系统的发展状况 近些年来，国内外对生物阻抗测量系统开发的公司和学校逐渐增多，已有的 各种生物阻抗测量系统在信号发生部分、采集精度、性价比、软件、便携性等特 性方面都各有特色。 ( 1 1 国外的实现方案 以美国安捷伦( a g i l e n t ) 公司为代表的一些大公司生产出了各种阻抗分析仪。 以a g i l e n t4 2 9 4 a 阻抗分析仪【1 0 】为例，该阻抗分析仪的测试频率较广( 4 0 h z 至 1 0 0 m h z l ；基本阻抗精度为o 0 8 ；在软件方面，该阻抗分析仪为使用者提供 了h l s t r u m e n t ( i b a s i c ) 软件，其中包括图形分析在内的所需测量和计算，其内部 还设置了几种贮存形式( 1 0 m b y t e 非易失存储器，r a m 磁盘或软盘) ；此外，该分 析仪还具有良好的p c 机连通性，一些符合最新p c 机环境的特性包括l a m 局 域网1 功能，v g a 监视器输出和t i f f 文件格式，w 蝌功能在搜集，其享和分析 数据时，能提供简化的联网能力。v g a 监视器输出能改进生产并降低眼睛疲劳， 而t i f f 文件格式测能很方便地将图形传送到p c 机上。 虽然阻抗分析仪具有高测量精度、测试频率广、很好的人机画面、强大的开 发软件等优点，但是其昂贵的价格( 4 2 万元) 让我们望而却步。此外，该种测量分 析仪的体积庞大，携带不便。 ( 2 ) 国内的实现方案 国内已有的生物阻抗测量系统m 1 1 q 4 】 x 人 体 组 织 l i ；测量系统厂石； ； ifi i 采集l 系统 。一 ；控制信号 1 紫蚓信号发生系统 电路i _ _ 1 | _ 及工尔矶 l i i一。 图2 1 生物阻抗测鲤洎整蓄雩壤 囊n 囊 j ! ? 孚丝蕊酬豁豁鹱懿 骚嚣嚣藩麓催罐谓謇吲馑学馏鹱薛斯，抛僧 鬲墓瑟辇嚣愆港嚣蠢翼馨鞋 熏鬃箭赢送弹霎鏊剽比j 塾取罱囊博霪一译寺稍嚣；鋈照藕鼬熙莲祷 讨论区编号课程讨论区编号字符串fo r u mi d va r c h a r 2 ( 2 0 ) fo r u mi d = 1 2 32 1 7 所属课程号讨论区所属的课 程开课号 字符串 c o u r s e a c t l v e 一1 第三章生物阻抗技术信号发生系统的设计与实现 本章重要描述了以a d u c 8 4 7 微处理器为核心的正弦信号发生系统，其中 包括：选择芯片时需要关心的几个问题；正弦信号发生系统的具体硬件实现；以 及嵌入在其中的软件实现。 3 1 选择芯片时需要关心的几个问题 f 1 1 芯片d a 速度问题 生物阻抗技术需要在人体组织上加上适当频率( 1 k h z 1 m h z ) 的电流。当在 人体组织上加上超出这个频率范围的信号时，人体组织就会明显感到酸麻的感 觉。所以，这就要求所选择的芯片的d a 转换的速度至少要达到1 k h z 。 ( 2 ) 芯片d a 精度问题 此外，生物阻抗技术对于信号发生系统的精度要求也非常高。生物阻抗技术 的方法要求将小幅值的电流源信号加在非常复杂的人体组织上，再通过采集系统 对人体组织上的小幅值电压信号进行采集，最后使用计算机进行分析。原始的小 幅值电流源信号的d a 转换精度越高，原始误差越小，这就使得最终的采集结 果更加精确，从而得出正确的结论。 f 3 ) 成本问题 最后一个敏感的话题就是性价比的问题了。虽然嵌入式设备需要一定的投 入，但在众多满足需求的实现方案中，性价比是我们重点关注的问题。 3 2 正弦信号发生系统的硬件设计与实现 硬件设计是系统实现的基石。本文所设计的正弦信号发生系统以体积小、功 耗低、功能强为核心。不仅要达到信号发生系统的高速度、高精度，实现上还要 尽可能地简单，以求实现低成本高性能。考虑以上要求，本文最终选取了a d 公 司生产的a d u c 8 4 7 微处理器和低通滤波器来实现正弦信号的发生系统。 3 2 1 高精度a d u c 8 4 7 微处理器的特点 a d u c 8 4 7 1 6 】微处理器是美国a d 公司最新推出的数据采集与处理系统芯 片，是高级集成的片上系统( s o c ) 。与以往发布的s o c 相比较，她具有高精度、 高速度、大容量存储、低功耗的特点n 她内部主要包括四个部分：与8 0 5 2 兼 容的内核、f l a s hm e m o r y ( 最大6 2 k b ) 、高性能的模拟部分和高性能的片上外围 设备。微处理器a d u c 8 4 7 的功能框图如图3 1 所示。 2i!iix i 疆匡! 疆； 2 2 22=l；i l | i ； ；i 眇；ll 驴ii ii 图3 1a d u c 8 4 7 功能框图 微处理器a d u c 8 4 7 的内核是和8 0 5 2 兼容的，主要性能包括 与8 0 5 7 兼容的指令系统； 高性能的单周期内核； 片上可编程p u 最大达1 2 5 8 m h z l ； 2 4 位可编程姻口线； 1 1 个中断源，两个优先级： 1 4 mgqrni!mjg，d，；“*“45“ap!dno、m，目，f4一f*日hi r0rt一1一：h，一 0一女=o；n0fi一i*on 、oft?do r fuk|lp，i0 p l + 1 0 0 r 一 “?一ii #=dr =_nl一 v5p一 。e q o r d =蕊滕墨兰 = 微处理器a d u c 8 4 7 内部集成2 3 0 4 b y t e sr a m ，6 2 k bi 訇速电擦除程序存 储器( f l a s h e ep m g r a mm e m o r y ) ；支持在系统高速用户串口下载、编程和调试， 无需外部硬件电路；1 0 万次擦除编程周期，数据可保持1 0 0 年不丢失。其他片上 功能不在赘述。 微处理器a d u c 8 4 7 的片上外围设备也很丰富，主要特性有： 内部上电复位电路； 1 2 位电压输出d a c ； u a r t ，s p l 和r c 串行i o ； 3 v 或5 v 电源电压工作； 通常最大功耗4 8 m a ( 在3 6 v ，c l k = 1 5 7 m h z 情况下) ； 掉电最大功耗2 0 u a f 在唤醒定时器工作下) ； 本文使用的正弦信号发生系统的实现主要得益于a d u c 8 4 7 的高运算速度 和高精度d a 转换功能。 3 2 2 本课题涉及到的a d u c 8 4 7 微处理器的几个寄存器 ( 1 ) p u c 0 n ( 锁相环控制寄存器) p l l c o n l 6 j 寄存器的功能主要用于控制m c u 操作速度的。该寄存器在 s f r ( 特殊功能寄存器) 中的地址是d 7 h ，不可位寻址。本文使用的是该寄存器 的最后三位，即b i t 2 b i t o ( c d 2 c d 0 ) ，如图3 1 所示。为了实现最高速度， 本文将这三位均设置为0 ，即将m c u 的速度设置为1 2 5 8 m h z 。 c d 2 o o o o 1 1 1 1 c d l 0 0 1 1 0 o 1 1 c d 0 o 1 o 1 0 1 o 1 c o r ec b c kf 陀q 岫n c y m h z ) 1 2 5 8 2 9 1 2 6 2 9 1 4 5 6 3 1 4 5 7 2 8 1 1 5 7 2 8 6 4 0 7 8 6 4 3 2 0 1 3 9 3 2 1 6 0 _ 1 垒翻0 8 o ，0 9 8 3 0 4 图3 1m c u 速度控制位 ( 2 )d a c c o n ( 数模转换控制寄存器) d a c c o n 【6 】寄存器的功能是对a d u c 8 4 8 微处理器d a 转换的一些属 性进行设置。该寄存器在s f r ( 特殊功能寄存器) 中的地址是f d h ，不可位寻址。 该寄存器每一位的作用如表3 1 所示： 表3 1d a c c o n 寄存器功能说明 寄存器位 名称位描述 b 1 1 7 b i t 5 未使用 d a 转换输出管脚选择：等于1 时， b i t 4d a c p 矾结果输出到1 3 管脚上；等于0 时，结 果输出到1 4 管脚上 d a 转换8 _ b i t 模式选择；等于1 时， b l t 3d a c 8 精确度为8 位；等于0 时，精确度为 1 2 位 d a 转换输出范围选择位；等于1 b n l 2d a c r n时，d a 转换范围从o 到a 啊d ；等 于o 时，转换范围从o 到2 5 v d a 转换清除位；等于1 时，进行转 b 1d a c c l r换；等于o 时，将d a c l h 两个寄 存器清o d a 转换允许位；等于1 时，允许正 b 玎od a c e n 常的转换；等于0 时，禁止转换 根据项目需求，我们进行如下设置：d a c c o n = o x 0 3 h 。即采用第1 4 管脚作 为d a 输出；为提高精度，选择1 2 位输出；d a 输出范围为o 2 5 v ；进行d a 转换；并且初始使能。 ( 3 )d a c l 和d a c h ( d a 转换低八位高八位数据寄存器) n a c l 和m 托h 【6 】是两个8 位寄存器，用来存放d a 转换时的数字信号， 不可按位访问。 在d a c c o n 寄存器当中，为了提高精度，将该寄存器的d a c 8 位设置为 o ，即精度设置为1 2 位。也就是说每一次d a 转换时，将一个1 2 位长的二进制 数转换为一个模拟信号。这1 2 位二进制数存放在d a c h 寄存器和d a c l 寄存 器当中，其中d a c l 存放低八位，n 虻! 王的低四位用来存放1 2 位二进制数的 高四位，而d a c h 的高四位未使用。 ( 4 1p 1 寄存器 因p 1 口的口线可以复用为d a 输入或数字输入两种功能，因此，我们使用 p 1 寄存器之前要对p 1 口的口线的具体工作方式进行设置。p 1 寄存器在s f r 中 的地址是0 x 9 0 h ，并且该寄存器可以按位进行操作。 本文通过将p 1 7 设置为o ，即设置p 1 7 针的功能为数字输入线，用来接收 从a r m 板的控制信号，从而达到由a r m 板来控制证弦波产生和终止。 3 2 3a d u c 8 4 7 微处理器产生正弦信号的方法 我们在a d u c 8 4 7 微处理器存储器中存放一张f 弦表，再让微处理器按照正 弦表的顺序，顺次读取当中的数字信号，然后将读取的信号放在d a c l 和 d a c h 寄存器中，再经过微处理器转换变成相应的模拟信号。当微处理器读到 表的结尾时，再回来读正弦表的第一个数字，依次往复不断，这样就能在输出端 产生一个由许多离散点组成的f 弦信号。 然而这种方法产生以下三个问题： 第一，我们熟知的正弦信号y = s i n ( x ) 的值域为【- 1 ，1 】，而a d u c 8 4 7 微处理 器只能产生非负信号，所以就要我们在软件编写当中，采取相应办法对标准的正 弦信号进行相应变换。 第二，由于d a 转换的方法本身是将一对数字信号转变成模拟信号，每一 对数字信号严格上说是离散的。因此，我们采用许多离散点产生的正弦信号，这 与真正连续的正弦信号之间会有一定的误差，即在每两个离散点之间会产生阶 越，这是我们所不希望看到的。 第三，a d u c 8 4 7 微处理器处理速度是一定的，也就是说单位时间内转换的 次数是一个常数。因此，正弦信号的精度和正弦信号的速度就成了一对矛盾。在 每个正弦信号周期中离散点的个数越多，相应的精度就会越高，而是点数越多， 会导致产生的正弦信号的频率就会随之下降。所以我们必须在这两者之间进行权 衡。 1 7 3 2 4 低通滤波器 我们提到d a 在转换时会产生阶越信号，我们决定采用硬件的低通滤波器来 消除这种阶越信号。 根据公式 f = 1 ( 2 p r c )( 3 1 ) 我们采用r = 1 0 0 0 欧姆，c = o 1 微法，计算得出，f = 1 5 9 1 5 k h z ，亦即只有低 于1 5 9 1 5 z 频率的信号可以通过。这样就很好地平滑了信号。 3 3 正弦信号发生系统的软件设计与实现 软件部分主要由两部分组成：一个是正弦表的生成程序，另一个是设置 a d u c 8 4 7 微处理器的程序。 3 3 1 正弦表的生成程序 由于a d u c 8 4 7 微处理器只有有限的存储单元，所以该微处理器没有像d d s 芯片那样出厂时已经在存储单元中包含正弦表。因此我们需要单独计算产生这样 的正弦表。 上文我们讨论过，因为a d u c 8 4 7 微处理器自身的特点，我们必须对y = s i n ( x ) 函数进行相应的变换。此外，由于恒流源电路也要求输入信号的幅值在o 5 v 以 内，所以我们进行如下变换： o 2 1 2 5 1 + s i i l ( m 2 p 叼】) = n 2 5 2 1 2 ( 3 2 ) 参数说明： t ：正弦波每周期包含的离散点数( 本文取t = 1 2 8 ) m ：代表每一个离散点( n = 0 1 2 7 ) n ：对应每一个离散点，计算出来的相应的二进制数数值 刚才我们也讨论到我们必须在正弦信号的周期频率和每个周期包含的离散 点数t 之间进行权衡。经大量实验，我们发现取t = 1 2 8 f 亦即将正弦信号一个周 期分成1 2 8 份) 时，信号频率与信号精度方面都能有一个很好的效果。根据m 从 o 到1 2 7 的取值的递增，再计算对应的n 值。计算生成的n 序列就是相应的正 弦表。 重要代码如下 棚e f i n ep i3 1 4 1 5 9 2 6 样d e f i n ed e p a r t1 2 8 m a i n o i n ti ，i j e m p ，i j o w ，u h i 曲； n o a to e m p ，f _ t e m p 2 ，f e p a n l d 印a r t = 2 + p l d e p a k i ： f _ t e m p 2 = 2 5 6 胪8 o + o 2 ； f o r ( i = o ；i d e w l r t i + + ) ps i i l 伍) o - 0 5 v + _ t e m p = ( s i n ( i + f _ - d e p a r t ) + 1 ) 4 f j e m p 2 ； i _ h i 曲= f j e m p ，验6 ； i _ t e i i l p = f _ i e m p ； l 】o w = j - t e m p 2 5 6 ； p m t f o x o x ，0 x x ) ，”，l h i g h ，i j o w ) ； ) 3 3 2a d u c 8 4 7 微处理器的嵌入程序开发 该部分的程序主要是对a d u c 8 4 7 微处理器的工作方式以及相关寄存器进 行设置，使之能够利用n a 产生相应的正弦信号。另外，本文将正弦表放在代码 存储区，这样来，处理器在取址上的操作时间大大减少，有效地提高了代码的 执行速度。 程序流程图如图3 2 所示： 核心程序如下： 撑i n c l u d e # i 山( 1 e 冉 d e f i n ed e p f 姗1 2 8 图3 2a d u c 程序流程图 使用p 1 7 接收a t 9 1 r m 9 2 0 0 的控制信号 s b j tp 1 7 = p 1 “7 ； m a i n 0 i n ti s i n ( x ) 1 a b l e0 - 0 5 v 1 2 8d e p a r t u n s i 印e dc o d eu 吖a l u e s 【d e 鼢删【2 】= o x o o ，0 x c c ) ， o x o o ，0 x d 6 ， 0 】【0 0 ，o x c 2 ) ； p l l c o n = o x 0 0 ：c p u = 1 2 5 8 m h z d a c 使用第1 4 针，1 2 位精度，输出范围5 v ，初始可用 d a c c o n = o x 0 7 ： p 1 7 = 0 ； p 1 7a sd i g i t a li n p u t w h i l e ( 1 ) w h j l e ( p l 7 ) m es i g i l a li s n t r o l l e d b ya t 9 1 r m 9 2 0 0 f o r ( i = 0 ；i d e p a r 卫i + + ) d a c h = u c _ v a l u e s 【i 1 【0 】； d a c l = u c - v a l u e s 【i 】【1 】； ) ， d a c h = o d a c l = 0 ： 3 4 本章小结 本章重点介绍了生物阻抗测量系统信号发生部分的硬件实现和软件实现，包 括选择芯片需要关心的几个问题、正弦信号发生系统的硬件设计与实现、正弦信 号发生系统的软件设计与实现三个部分。 本文采用功能强大的a d u c 8 4 7 微处理器作为信号发生系统的核心芯片，该 芯片具有高运算速度、1 2 位的d a 转换精度、功耗低、性价比高等特性。通过 利用该芯片，有效地提高了生物阻抗测量系统的信号产生精度。 此外，本文采用的集成开发环境( i d e ) 是k e i l 软件公司的u v i s i o l l 3 0 5 c ，从 源程序编写、编译、连接定位一直到目标文件的仿真调试等都可在该i d e 环境 中完成。这为系统的软件设计提供了良好的开发环境。并且，本文使用c 语言 进行开发，不但大大提高了系统的开发效率，减少了开发时间，而且还提升了系 统的可扩展性，为日后系统的移植和升级作好了准备。 2 i 第四章生物阻抗技术信号采集部分的设计与实现 本章重点描述了以a t 9 1 r m 9 2 0 0 芯片以及a d s l 2 5 6 芯片为核心的信号采 集部分的硬、软件设计与实现。其中包括：信号采集系统的设计与实现、信号采 集系统的硬件实现以及应用软件的开发。 4 1 信号采集系统的硬件设计与实现 信号采集系统由控制芯片、采集芯片、各种存储芯片、以太网模块、串口模 块等几部分组成。系统图如图4 1 所示。 卑铲 图4 1 信号采集分详细框图 其中，控制芯片是整个部分的核心，经对比我们选择了a 1 m e l 公司生产 的a r 9 1 r m 9 2 0 0 微控制器。该芯片通过连接n o rf l 蝎h 、n a n d f l s h 以及 s d r a m 具有了很强的存储能力，而且这为在其中嵌入l i n u x 操作系统提供了 保证；该芯片通过s p i 口对a d s l 2 5 6 采集芯片进行控制，并通过s p i 串口接收 从a d s l 2 5 6 采集上来的数据；此外，该控制芯片还可以通过u a r t 串口和以 太口两种方式和上位机进行通信，这使得对其进行嵌入式开发变得非常容易。 4 1 2 加s 1 2 5 6 采集芯片 为提高系统的采集精度，本文采用了a d s l 2 5 6 芯片。a d s l 2 5 6 是德州仪器 ( t e x a s1 n s m e n t s ) 公司生产的商性能模数转换器0 d c ) ，它由一调制 器和一个可编程数字滤波器组成，完美结合了一流的无噪声精度、数据速率以及 多种功能，可为设计人员提供全套高精度测量方案，非常适用于科学仪器、工艺 控制、医疗设备与称重设备等要求苛刻的工业应用领域【1 8 ，1 9 j 。 a d s l 2 5 6 采用s s o p 一2 8 封装，主要特点如下： 2 4 位无数据丢失 低非线性度：+ o ，0 0 1 0 具有高达2 3 比特的无噪声精度 数据采样率可达3 0 k s p s 可设置为8 路单极输入或4 路差动输入 采用单周期转换模式 带有模拟多路开关f m u x ) ，具有传感器检测功能 内含可编程增益放大器( p g a ) ，p g a = 1 时，可提供高达2 5 3 位的有效分 辨率；p g a = 6 4 时，可提供高达2 2 5 位的有效分辨率 p c 谴噪声低 带有输入缓冲器( b u n 所有的p g a 均具有自校准和系统校准 带有串行外设接口( s p i ) 带有可编程数字滤波器 模拟输入电压为5 v ，数字电压为1 8 3 6 v 正常模式下的功耗为3 8 m w ，备用模式下的功耗为0 4 m w 本课题使用了单端输入模式，即使用灿n o 和a i n c o m 对生物阻抗信号进 行采集。该采集芯片通过s p i 串口接收来自于a d l r m 9 2 0 0 控制芯片的采集指 令，再将采集的数据通过该串口上传给a 1 ，1 r m 9 2 0 0 。此外，a r 9 1 r m 9 2 0 0 对该 芯片工作模式寄存器的设置也是通过s p l 口进行的，本章软件部分将作详细介 绍。其功能框图如图4 3 所示： d s 2 s e ! o n i y ； 图4 3a d s l 2 5 6 功能框图 4 1 3n o rf l a s h 、n a n df l a s h 和s d r a m 由于a r 9 1 r m 9 2 0 0 自身的存储单元很小，自身不能够嵌入操作系统，因此 我们需要对簏r 9 1 r m 9 2 0 0 的存储部分进行扩展。我们在a t 9 1 r m 9 2 0 0 外围扩展 了2 m 的n o r f l a s h 和1 6 m 的n a n d f l a s h 两种非易失性芯片。另外，我 们在其外围又扩展了3 2 m 的s d r a m ，这为l i n u x 操作系统提供足够的存储空 间。通过扩展以上存储单元，我们就可以很容易地嵌入l i u x 操作系统和嵌入 一些大的应用程序了。 ( 1 ) n o rf l 蜷h 与n a n d f l a s h 在p c 机中，引导程序、操作系统以及各种文件是存放在硬盘当中的，而 嵌入式系统组成当中没有笨重的硬盘，因此就得采用其他非易失性材料进行代 替。目前流行的是采用n o rf l a s h 和n a n df “蟠h 芯片来代替。这两种芯 片具有很多相似之处，但是两者在读写速度、擦写速度、擦写次数方面各有自己 的特点【2 0 】，这正好为我们提供了便利。本文将b o o t l o a d e r 、内核参数表以及操 作系统内核这类我们需要经常进行读操作的软件放在n o rf a ia s h 中；而将 我们要经常进行写操作的u n u x 操作系统的文件系统，以及我们开发的嵌入式 应用软件存放在n a n df l a s h 当中。 三f 笋 在n o rf l a s h 芯片的选择上，经对比最终本文选用了a m d 公司生产的 a m 2 9 l v l 6 0 d 芯片。a m 2 9 n r l 6 0 d 是一种仅需采用3 0 v 电源进行读写的闪存。 该器件提供了7 0 i l s 、9 0 n s 、1 2 0 i l s 读取时间，无需高速微处理器插入等待状态进 行速度匹配。为了消除总线竞争，芯片引入了片选使能( c e 彤，写使能( w e 的和 输出使能( 0 e 卿陉制端口。芯片采用分块结构，非常适用于要求高密度的代码或 数据存储的低功耗系统1 2 l i 。 与此同时，本文选用了三星公司生产的k 2 9 f 2 8 0 8 u 。k 2 9 f 2 8 0 8 u 为1 6 m 大小的n a n df l 蟠h 存储器，该芯片提供了极高 x 4 2 信号采集系统的软件设计 在专用的嵌入式板子运行g n u l i n u x 系统已经变得越来越流行。一个嵌入 式l i n u x 系统从软件的角度看通常可以分为四个层次【2 4 】： ( 1 ) 引导加载程序。包括固化在固件( f i m w a r e ) 中的b o o t 代码( 可选) 和 b o o tl o a d e r 两大部分。 f 2 1 “n u x 内核。特定于嵌入式板子的定制内核以及内核的启动参数。 f 3 ) 文件系统。包括根文件系统和建立于f 1 a s h 内存设备之上文件系统。 ( 4 ) 用户应用程序。特定于用户的应用程序。 这样分层次的设计高内聚，低耦合【2 5 一，即将应用层和具体硬件脱离，分工 明确，结构清晰，不仅简化了程序设计，而且易于程序的修改、优化和维护。但 是，每部分都包含了相当多的内容，不可能一一重点介绍，因此本章将重点放在 l j n u x 内核以及用户应用程序两个部分。 本文所实现的生物阻抗测量系统软件部分也采用这种层次设计的方法。底层 的操作系统和相应的硬件驱动程序直接负责硬件操作，为上层主控模块提供一系 列的接口函数，主控模块控制整个程序的流程，当需要与硬件通讯时则调用硬件 驱动程序提供的接口函数。 结构图如图4 4 所示。 软件 硬件 图4 4 软件结构图 代码可以从j 醛片生产商或开发系统生产商获得【2 9 1 。 本文选用2 。4 1 9 版本的l i n l l 】操作系统，以及使用针对a = r 9 l r m 9 2 0 0 的 静丁包p 酿醢- 2 4 1 9 - 蕊k 7 g z 对该蠢棱避行打脊丁，这样2 。4 1 9 阪本静睁滚藏 能够很好地支持a 1 9 l r m 9 2 0 0 了。 4 。2 。2 。2l i n 瓣x 痣核豹缡译 f 1 ) 交叉编译 什么是交叉编译昵，简单地说，就是在一个平螽上生成另个平台上的可 执 亍我蘧。这墓需要注意麴楚群潺平螽，实舔上篷含瓣个藏念：舔系蘩稳 ( a k h i t e c t l l r e ) 、操作系统( 0 p e r a t i i l gs y s t e m ) 。同一个体系结构可以运行不同的操 作系统；同样，同一个操作系统也可以在不同的体系结构上运行。举例来说，浅 翻零滋秘x 繇秘n h x 平台蜜鼯上是b l x 8 6 薅系臻穗巍“n xf & x 8 6 搽终系统懿 统称：而x 8 6w 沁盯平台宓际上是i n t e lx 8 6 体系结构和w i n d o w sn tf o rx 8 6 搡 作系统的简称例。因为我们是在p c 机( x 8 6 体系结构) 下对应用谯a r m 体系 缩稳下魏毯黼x 内棱避行编译，霾藏我销要遵行交叉编译。 ( 2 ) 工具链( 了b o ic b a i n ) 我霞套上霞梳酶珏n 挂x 操作系统麓硒潮o c a 秘融露录下，安装了 a r o s s - t 0 0 l d l a i n2 9 5 3 工具链。该工具链由一套用于编译、汇编和链接内核及组l 牛 组成。这些缎件包括【3 1 】： b i l l u 俏s ： 瘸子搽律二进潮文件鹣实蘑程序祭含。它稻像括诸鲡a f 、a s 、 o b j d u m p 、o b j c o p y 遐样的实用程序。 g c c ：g n uc 镳译器。 g 稻c 。 所有丽户应用程序都将链接到c 瘁。 ( 3 ) 对内桉的修改 这重霞惫疆辩瘫菝添 弋鹨掰在基录下鹣m 矗e f l e ( 肉核落系结构、编译工 具) 、硬件驱动程序、配置文件( c 0 曲g 文件) 等文件的修改。 首先，对内核源代码所在目录下的m a k e f i l e 文件进行修改。修改内容如下： 薅下露瓣行 a r c h ：= $ ( s h e l lu n 啪e m s 州一es i 8 6 ，i 3 8 6 es 蛐a m l - e s s a l l 讲a m ) c r o s 轧c o 瓣l 王麓 = 修改成： a r c h ? = 锄 c r o s sc o m p l 王嚣譬= 内s 蛾o c 舔屉 掰鑫髓一l i 黼静 其次，对硬件驱动程序进行改写，本文将a d s l 2 5 6 芯片和a = r 9 1 r m 9 2 0 0 的 p 薹o b 疆豹薹 鼬一p b 8 共9 令日线整合麓个a d e 设繁，在下文将详缨夯绥。 最后，为节省系统空间，需要对文件进行修改，以达到对内核进行剪裁的目 的。有两种方法对内核进行剪裁：一种照打开c o 娟g 文件直接进行修改，或者利 趱“聪x 搽露系统爻我翻涎供熬图形爨甏蓼凌( m 呔ex 趱g ) 或袭蘩荸嚣境 ( m a k em e n u c o n f i 曲来对内梭进行剪裁。 国编译蠹孩索令 b a s 腊m a k ec l e a n b a s 麟m a k ca t 9 l r m 9 2 0 0 d k c o n 埏 b a s | l 聋m a bx 麟g b a s 脯m a k ed e p b a s h 静m a k cz i m a g e l 豫s 氟聋m a l 潜藏l o 蠢毽耙s “m a k ec l e a n ”命令的作用是移除以前遗留的文件；命令“m a k e a t 9 1 m 9 2 0 0 d k j o f i g 指明了我们使用的芯片是a r 9 l r m 9 2 0 0 ；m a k ex c o 蠲g 命 令用来裁减肉孩；钮a 砖d 镩”命令瓣醚黉文 孛当中摇疆的配置酶依赖关系； “m a k ez i l n a g e ”命令是对内核进行编译，该命令的最厝再对编译好的内核进行愿 绥，以有效城小内核的大小。 ( 5 ) 内核的下载 最后，我们将编译好的内核( z i t l l a g e ) 在开发扳的u b o o t 提示下，通过r i f i p 协议下载到开发板的n o rf l 蟠h 上。 4 2 3a d c 设备驱动程序 本文为了操作简便，将a d s l 2 5 6 芯片和a t 9 1 r m 9 2 0 0 中p i o b 口的 p b 0 p b 8 共9 个口线整合为一个a d c 设备。这样，不但可以控制信号发生系统， 同时可以控制信号的采集了。此外，该设备还为上层应用软件提供了非常方便的 接口，开发人员不用关心下层操作系统和硬件是如何实现的，只要运用熟悉的 r e a d 和w r i t e 操作就可以完成相应的操作了。 a d c 设备驱动程序由设备初始化程序、a d c 读操作程序、a d c 写操作程 序、a d c 设备寄存器读、写操作等共1 0 个部分所组成。 4 2 3 1 设备初始化 设备的初始化主要包括对a 鹕1 r m 9 2 0 0 芯片的p i o 口线的初始状态进行 设置、对s p l 口进行初始化以及设置a d s l 2 5 6 的寄存器等几个部分。 初始化流程图见图4 5 ，s p i 串口初始化流程图见图4 6 ： 设置a d c 设备的r d y 信号 设置a d c 设备的s y n c 信号 设置向r 9 1 r m 9 2 0 0 的p l o b j 初始化s p i 串口 1 l 设置a d s l 2 5 6 的寄存器 i 验证a d s l 2 5 6 寄存器的值 r e s e t s p l 串臼 j r 设置s p l 口线 使能a d s l 2 5 6 1 l 设置s p i 串口l ：作模式 图4 5a d c 设备初始化流程图 图4 6s p i 串口初始化流程图 “分类编号： 密级： y8 i q 8 5 f ) 3 单位代码：! q q 笪 学 号：q 3 垫! q 虹 天滓：j 币厄大学 研究生学位论文 论文题目：基王缝壁让篡的图堡捡塞丕统 查现岱适猩数直生的廛旦盟窒 学生姓名 申请专业名称 研究方向 指导教师姓名 提交论文日期 型燮：申请学位级别：理堂亟主 数直越丕堂 适程熬直 王董茇专业技术职称：塾援 2 q q 鱼生垒月 x s t a t i cs s i z e ta t 9 1 m 9 2 0 0 j d t w r i t e ( s t r u c tf i l e4 f i l e ， c o n s tc h a r 吣u 舭f ， s i z e j u n t ，l o f l t 4 p p o s ) u n s i g n 二事毛囊坦兰罄i i i $ 羹硝! ；i ：；! i l 拉j 萄孝翼如j “l 重i 拍墅 叁一誊r 函雾夔囊滞重i 羹习2 i 羹f ! 三萋i 菱鬻驯圬蜂u 尘垂i 西臻 鹾羹；藩蠢嚣一蛙摹i 薹垂翼柠釜蠢扛i 蠛季一奔琶一彳鲁；d c d e v x 第五章实验结果及简要分析 为了检验系统的性能，我们以实验室同学为样本进行了数据采集实验。本文 采取四电极法，在样本同学的前臂中间段安放四个电极进行测量。我们再把采集 的结果上传给p c 机，在p c 机上对采集的信号进行分析。 5 1 实验对象 目前，我们以实验室内同课题组和其他课题组的共1 2 个同学为样本进行了生 物阻抗的测量。并且为了减少其他因素( 例如：刚饮食后血糖浓度增加) 对人体 阻抗的影响，我们均在样本同学饮食前对其进行测量。 5 2 实验方法 为了取得更好地数据，我们选取样本同学的前臂靠身体内侧为测量部位，采 用四电极法进行测量。首先，我们在样本前臂中间靠身体内侧选取两点，两点间 隔为2 1 厘米，在两点上分别安放一个银一氯化银电极，作为激励电极。实验时， 我们将恒流源输出的小幅值正弦信号加在其上作为信号输入。其次，将两个激励 电极中间等间距分成三段，在中间的两个分段点上再分别安放一个电极，作为采 集电极。实验时我们将a d s l 2 5 6 的采集端口接在两个采集电极上进行信号的采 集。最后，我们通过p c 机上的分析软件对a t 9 1 r m 9 2 0 0 上传的数据进行处 理和分析。 5 3 实验结果 采集结果的波形如图5 1 所示： ss 一 图5 1 实验结果图 5 4 简要分析 我粕通过对生物阻抗豹测量提取文了辣撼波。卷照分析方法怒瓣脉搏波中舆 智代表性盼参数以及参数之闻的比值来潦行分析，从黼获得裙应分析结果酶。圈 5 2 显示的怒为一个完整的脉搏波波形： f h2 ： t ot3 参数说嘲1 3 3 ，蚓： h l ；主波高度 h 2 ：辫孛浚枣度 h 3 ：藿博波高度 苫 阁5 2 脉搏波波形图 t 1 ：快速射血期时值 t 2 ；左心室葑蠹裁游蓬 t 3 ：舒张期时值 t ：脉动周期 通过以上参数，我们可以获得大量的信息。这里，我们仅介绍( h 1 一h 2 ) h l 釉t l t 2 这两个参数。第一个比值爱映了辨周阻力和血管颓瘦性匏大小。豢 窳管外周阻力增加和脉管撵性降低时，簖张压拜高，使主动脉瓣撼翠关闭，予怒 4 5 h 2 升高，所以该比值将会变小，因而我们可以通过这个参数来判断动脉硬化等方 面的疾病。从5 1 图中的样本同学结果我们可以看出，其h 1 很高，而h 2 则 几乎为0 ，从而f h l h 2 ) h l 的比值很大，这就说明该样本同学在血管方面非 常健康。 第二个比值反映了心肌的收缩能力，其中t 1 代表左心室在射血初期快速射血 的时间，t 2 代表左心室整个射血期。在般情况下，每个具体的样本每分钟的 脉搏是固定的，因此脉动周期t 也是一定的，而t 2 在其脉搏周期当中的比例也是 一定的，所以当t 1 t 2 比值很小时，就代表该样本心室射血的能力非常强， 亦即心肌收缩能力非常强。同样，我们在图5 1 中可以发现，该样本的t 1 很小， 即心室在快速射血过程中，迅速收缩，因此t 1 t 2 的值非常小，也说明了该 样本同学心脏强劲，收缩能力很强。 5 5 本章小结 本章简单介绍了使用生物阻抗测量系统对样本进行测量的方法、结果。通过 测量结果我们不但验证了在上文提到的生物阻抗的变化是由于血管体积的变化 引起的；而且我们通过对生物阻抗的测量，获得了人体的脉搏波信息。再通过对 脉搏波的分析，我们就可以得到样本同学心血管功能与健康与否等结论了。 第六章总结与展望 6 1 本文总结 本文研究并实现了生物阻抗测量系统的信号发生部分和信号采集部分。在信 号发生部分采用a d 公司的a d u c 8 4 7 微处理器作为核心微处理器，在信号采 集部分采用a t m e l 公司的a r 9 1 r m 9 2 0 0 微控制器芯片和t i 公司的a d s l 2 5 6 芯片作为核心芯片。通过所选用芯片的高性能，整个生物阻抗测量系统具有高精 度、集成度高、可靠性高、功耗低，成本低的特性。本文还选用了u n u x 操作 系统作为信号采集部分的嵌入式操作系统，其不但为嵌入式应用软件的开发提供 了强大的接口函