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)學發(fā)展的一個方向之一[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，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，因此通過測出阻抗值可用于計算出身體成份以及電阻抗的醫(yī)學成像[3]。

　　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。

1.系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)和原理

1.1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(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)采用了上下位機的設計方法[4]，整個系統(tǒng)全部由上位機PC通過USB發(fā)送相應命令來控制，通過PC應用程序?qū)卟轭l率起點、終點和步長設置好，通過USB接口發(fā)送到下位機，下位機解析相應的協(xié)議后，轉(zhuǎn)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(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。本設計中為了方便校準測量，使用了I2C總線接口的E2PROM存儲校準所獲得的參數(shù)，另外本設計利用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[5]。

1.2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

1.2.1 USB通信：

　　本設計采用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，在設計中使用控制端點0和批量端點2，并采用全速模式進行USB通信。

1.2.2 隔離：

　　為保證被測生物體與PC機電壓隔開，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。該芯片具有很強的隔離和保護性能，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(zhuǎn)換設計，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[7]，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

2.軟件設計

2.1 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

2.2 下位機固件程序設計

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

2.2.1 AD5933控制

　　該部分軟件的主要是控制AD5933進行頻率掃描并獲取阻抗，測量溫度等。AD5933的初始化設置參數(shù)由PC主機應用程序通過USB接口傳遞至下位機，下位機解析指令再通過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

2.2.2 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(shù)、啟動各種操作等，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，由PC機通過USB讀取測量結(jié)果。

2.3 主機設備驅(qū)動程序設計

　　主機端的設備驅(qū)動程序為WDM類型。USB設備的總線驅(qū)動程序主要由操作系統(tǒng)提供，本設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備的接口。用戶的Win32應用程序?qū)⑼ㄟ^分發(fā)例程來與特定的設備進行通信。

2.4主機端應用程序設計

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

2.4.1 AD5933的校準處理

　　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，并進行校準，通常的校準方法是選擇待測阻抗范圍的中點值為校準電阻值，將校準頻率設定為測試頻率范圍的中點，在該頻點計算相應的幅度因子。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），在應用程序中，本設計采用了逐點校準的方法，即對于確定的掃頻范圍和間隔，使用校準電阻經(jīng)過掃頻，測量計算每個頻率點的幅度因子，并存放在一個校準數(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

3.實驗結(jié)果

3.1 對人體左上肢＋軀干＋右下肢的阻抗進行測量

　　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，步進頻率設為在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)果也驗證了本設計的有效性，圖形化的界面也使得本設計使用操作方便，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[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(jié)果做一個對比：

 
表1 測量電阻結(jié)果

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

4.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)，同時分析了上位機顯示控制軟件、USB驅(qū)動程序以及嵌入式下位機固件軟件的構(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?，本文在小型化生物阻抗分析儀器的設計上提供了一個新的思路和較好的構(gòu)建框架。