DDS芯片AD9854在脉搏波阻抗谱测量中的应用.doc

DDS芯片AD9854在脉搏波阻抗谱测量中的应用1. 引言生物阻抗技术是一种利用生物组织与器官的电特性及其变化规律提取与人体生理、病理状况相关的生物医学信息的检测技术1，应用非常广泛2-4，但是常用的方法很难消除个体差异和测量条件对阻抗测量的影响。采用脉搏波阻抗谱法却能够有效地减小个体差异和测量条件对阻抗测量的影响，是一种很有前景的血液成分无创检测方法。但是采用脉搏波阻抗谱方法需要测量系统两路同频严格正交信号源，且信号频率在要求范围内程控可调，为实现快速准确测量脉搏波阻抗谱，不仅要求信号能工作在单频工作模式，而且还要求信号源能工作在跳频和扫频工作模式。根据应用领域的要求，为了实现测量系统的高精度、多模式的需求，本文采用直接数字合成技术，以DDS芯片AD9854为核心设计了用于脉搏波阻抗谱测量系统的恒流驱动信号源。实验结果表明：采用AD9854，电路设计简单，工作可靠，容易实现频率调整，频谱稳定度和精确度以及相位误差完全满足测量系统的要求。2. 脉搏波阻抗谱法2.1 阻抗容积描记术生物阻抗技术是一种利用生物组织与器官的电特性及其变化规律提取与人体生理、病理状况相关的生物医学信息的检测技术，通常使用的方法：振幅恒定的交变电流从激励电极馈入人体，测量电极间电压信号为U，可以得到阻抗。但是该方法中测量电极的阻抗和个体差异引起的误差较大。因此使用较少，现在相对比较好的方法是阻抗容积描记。阻抗容积描记记录了由于人体不同截面之间容积改变引起的阻抗变化，广泛用于心输出量、压信号可血流量、肺功能和胃动力等的无创检测和血流变学研究8。因其用阻抗法反映血流变化，阻抗容积图又称之为阻抗血流图。根据阻抗血流图原理可以得到： (1)其中Z0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，由此可以实现阻抗血流图的无创检测。虽然该方法在一定程度上抑制了测量电极引起的误差，但是该方法却不能抑制个体差异和测量条件在脉搏波阻抗无创测量中的影响。2.2脉搏波阻抗谱法的提出ArteryBoneMuscleVein(b)(a)Other TissuesBlood Vessels由于人体组织的复杂结构和特性，从理论上或实践上都很难建立反映随生理活动而产生的电流密度分布变化和电场变化情况的精确模型。为此，通常使用简化的集总参数并联模型肢体模型由肌肉组织、血液和骨头并联构成(图1a)。 图1 肢体等效图这样，肢体的电特性可由肌肉包裹相互平行的圆柱状血管和骨头的结构近似表示。这种三成分并联结构，每个都有一电阻值，取决于其电阻率和长度与面积之比LA。血液相对于骨头具有更低的电阻率，因而它在从外部测量的电阻值中贡献最大，也即血液阻抗相对于外围组织要小得多5。对图3a进一步简化可以得到图3b，以此推导得到脉搏波阻抗谱无创测量的理论基础6，可以得到： (2)改变激励恒流源频率，i=1，2，3N，可以测量得到不同频率下的阻抗脉搏波幅值： (3)这就是脉搏波阻抗谱。对于同一个人，同一段时间内而言，k值不变。利用脉搏波阻抗谱，在任意两个频率下阻抗脉搏波幅度分别为Zfi,Zfj, 则其比值反映在脉搏波阻抗谱特性上。 (4)即任意两个不同频率下阻抗脉搏波变化量的比值只取决于脉搏波阻抗特性。利用脉搏波阻抗谱的方法，不仅消除了测量电极的影响，而且也消除了个体差异和测量条件的影响，即消去k。如果取激励信号的某个频率f0（可以是任意某一频率）的阻抗值作为基准，得到方程组： (5)由此可得到脉搏波阻抗谱的特性。3. 系统设计3.1 脉搏波阻抗谱的对信号源的要求脉搏波阻抗谱方法虽然消除了个体差异和测量条件的影响，但是对信号源的频率精度和频带宽度，正交相位差以及工作的模式提出了很高的要求。假如人体阻抗是R(t),馈入人体的恒流源为,则测量电极测量出的电压值为，其中与细胞膜有关的量，是阻抗谱中一个重要的变量。在单频模式下，如果是理想条件，电压值分别乘以和,并通过低通滤波器则可以分别得到实部和虚部值：和，可以分别可以得到在频率下的R(t)和值。但是在实际中总是存在相位差和频率精度差，得到实部和虚部值分别为：和,由此可以看出频率精度和相位精度必须很高，才能保证结果值的准确性。在跳频模式下，在频率时，信号源的初始相位为，分别得到实部和虚部值为和。在频率时，信号源的初始相位为，分别得到和。由此可以看出，在跳频模式下，同样要求频率和相位的高精度，而且还要求信号从到必须连续。只有在等于的条件下，才能保证到的连续性。在扫频模式下，频率步长为，频率步长精度差为，同样的原理可以得到实部和虚部值为和。由此可以看出相位精度和步长精度要高，步长精度其实就是频率的精度。3.2 DDS芯片AD9854简介脉搏波阻抗谱对信号源的要求主要集中在频率精度和相位精度上，以及信号的带宽。然而现在随着数字技术的迅猛发展，数字系统已经逐步代替了模拟系统的许多功能。相应的高精度的直接数字频率合成器(DDS)也应运而生，DDS是继直接频率合成和间接频率合成之后发展起来的第三代频率合成技术7。DDS具有相对带宽很宽、频率转换时间短、分辨率高、便于集成以及频率、相位和幅度均可控制，以及DDS为调频、调相、调幅或3种调制方式的组合所实现的结果是模拟技术无法比拟的优点8，因而被广泛的应用。AD9854芯片是ADI公司生产的性能优良的直接数字频率合成芯片9。与传统的芯片相比，不但具有一般芯片所具有的相位累加器，正弦值存储表，还在相位累加器前加了一级频率累加器，后面集成了数模转换器，可提供正交的IQ两路输出。在频率累加器的作用下产生线性增加的瞬时频率，经相位累加器输出信号的二次瞬时相位，以此相位值寻址正弦值存储表，得到与相位对应的幅度量比值，再经数模转换得到连续的阶梯波，经设计的滤波器滤除其中的高频分量。AD9854把DDS技术和高速DA转换器结合在一起，形成一个全数字化、可编程的频率合成器。AD9854的DDS核具有48位的频率累加器，当系统时钟为300MHz时，输出信号的频率分辨率仍可达1.07uHz分辨率。AD9854的最大不失真输出频率为120MHz。AD9854还包含一个4x到20x时钟倍频电路，该电路允许外部使用较低的时钟频率，系统内部通过该电路来获得较高的系统时钟频率，从而降低了对外部时钟高频的要求。AD9854有四个输出端，分别是, ,并且每个输出端的相位依次相差90度。AD9854的DDS内核有14位的相位累加器，相位分辨率达到0.022。AD9854的工作模式有单频模式（single-tone），扫频模式（线性频移键控模式）(ramped FSK)，跳频模式(unramped FSK)，脉冲调频模式(chirp)以及二元相移键控模式(BPSK)集于一身。这些优点给测量电路和后级电路带来了很大方便， AD9854这些特点特别适合脉搏波阻抗谱测量，而且完全符合脉搏波阻抗谱方法对信号源的要求。3.3原理组成与电路设计为了实现多种工作模式和精确的频率，采用了ADuC845作为AD9854的模式控制器件和频率存储器。ADuC845是ADI公司推出的嵌有单指令周期8052闪存MCU，该芯片的数据处理速度达12 MIPS，有62K程序内存，且设计简单，噪声低，非常适用于精密仪器仪表10。系统的设计原理如图2， 键盘ADuC845AD9854滤波电路显 示 图2 系统电路设计图由键盘输入来决定AD9854的工作模式和频率，或者改变AD9854的输出频率。ADuC845的P1端口与键盘相连，ADuC845的P0端口与AD9854的D0-D7的端口相连（注意ADuC845的P0端口必须接上拉电阻），作为数据线。ADuC845的P2.0-P2.5与AD9854的A0-A5的端口相连，作为地址线。这样的连接实现AD9854的数据并行传输。ADuC845的P3.7-P3.2分别与AD9854的I/O UD UPDATE, MASTER RESET,RD,WR,FSK/BPSK/HLD, SHAPED KEY端相连作为控制线。ADuC845的P3.0-P3.1通过MAX3232与计算机的串口相连，实现编程设置。3.4 AD9854并行时序图对AD9854进行读写工作模式可以是串行方式或并行方式，主要通过S/P SELECT（70引脚）的电平来设置，这里采用并行工作方式，所以S/P SELECT（70引脚）接地。并行工作时，首先对主复位MASTER RESET(71脚)进行复位，主复位信号复位有效，需要置高10个以上系统周期，主复位的作用是初始化系统总线，主复位以后才可以对其它寄存器进行读写操作。所有的数据读（或写）完以后要给AD9854一个更新脉冲(I/O Update端)，更新时钟的作用是将所写的数据送入到相应的寄存器中。并行方式读和并行方式写时序相同，并行写时序图如图3。 图3 AD9854的时序图对各个寄存器进行写操作时，在主复位信号有效后，首先对控制寄存器写数据。控制寄存器的地址从1DH到20H,控制寄存器包括锁相环(PLL)的可编程参考时钟倍乘器，倍乘参数在4-20范围；AD9854工作方式的选择控制；反辛格滤波器的使用选择控制；更新时钟使用内部、外部时钟的选择控制；I,Q的通道设置、工作模式控制等都在控制寄存器中。控制寄存器设置完以后，根据控制寄存器的设置和工作模式的需要给对应频率寄存器、幅度寄存器、相位偏移寄存器、三角频率寄存器、更新时钟寄存器、扫频步长寄存器写数。4. 软件设计4.1程序总体要求 从式（5）知道，要想使信号源的工作状况满足理论推导的要求，必须有很好的频率间隔划分（就是对频率离散化处理），AD9854的频率长度为48位，为了满足这些要求，对ADuC845采用查表取值工作方式。查表取值方式必须对ADuC845预先列表，存放离散化的频率值。根据生物阻抗的特点和实际测量结果的验证，生物阻抗在0.5KHz到15KHz内有一个比较明显的变化特征，为了在这一段频率范围内提取到准确的生物阻抗特征，对频率划分要细，采用离散频率间隔为0.1KHz。在15KHz到1MHz，离散频率间隔为1KHz。在1MHz到10MHz，离散频率间隔为10KHz。在10MHz到100MHz，离散频率间隔为100KHz。这样离散化的频率需要占用ADuC845的17.58K程序内存。目前脉搏波阻抗谱方法还在试验阶段，需要在临床上做大量的试验，这个特点不仅要求信号源工作模式有单频模式、调频模式和扫频模式，而且还要求信号源便于携带、便于操作和脱离计算机也能自主控制和操作的一个完整的系统。4.2 程序流程图根据前面的分析讨论，以及对程序总体体的要求。信号源系统的设计是利用ADuC845作为AD9854工作模式控制和离散频率值寄存器，在有复位键按下或上电的情况下，首先对ADuC845进行初始化，初始化的目的是对用到的寄存器赋予系统要求的初始值并且定义三个工作模式键。上电或复位，初始化ADuC845和AD9854，保存表指针循环扫描键盘，直到有工作模式键按下，判断键值进入相应模式单频模式USHIHUA CHUSHIHUA 跳频模式扫频模式扫描键盘，读入频率值扫描键盘，读入初始频率值和终止频率及频率间隔扫描键盘，读入初始频率值和终止频率及频率步长循环扫描键盘，直到有复位键键入初始化以后，扫描键盘是否有工作模式键按下，如果没有继续扫描，直到有工作模式键按下为止。如果此时有ADuC845的复位键按下，则系统重新进入初始化。如果不是复位键和模式功能，则一概不予读取。读到工作模式键信号并判断工作模式后，给AD9854的控制寄存器写入相应的控制数据，释放工作模式键，定义三个单位键（分别为Hz，KHz和MHz。）和一个确认键，并进入相应模式程序流程。程序流程图如图4。图4 程序流程图进入单频模式，首先对AD9854的各个使用到寄存器赋予相应的初始值，扫描键盘读入频率数字值和频率单位值以及确认值。然后根据频率数字值和频率单位值确定离散频率表地址，把地址所对应的频率写入AD9854的频率寄存器，所有的寄存器设置完以后，给AD9854一个更新时钟后，使数据进入相应的寄存器中。然后进入循环扫描键盘。进入跳频模式，跳频模式中的读频率数字值的方式和单频模式的读频率数字值方式一样，不同的是：首先读初始频率值F1并送给AD9854D的频率转换寄存器1，接着读终止频率FS，把FS频率所对应离散频率地址给ADuC845的一个寄存器R1。最后读取频率间隔值，这里的间隔值指离散频率表地址间隔。把F1所对应的离散频率表的地址加上频率间隔值，此值所对应的离散频率送给AD9854的频率转换寄存器2，给AD9854一个更新时钟，把FSK/BPSK/HLD的控制电平置低。列表指针在增加一个频率间隔值，对应的值送给AD9854的频率转换寄存器1，比较该值是否超过R1的值，超过延迟规定的时间后进入循环扫描键盘。没有则延迟规定的时间后给AD9854一个更新时钟，把FSK/BPSK/HLD的控制电平置高。如此循环下去。进入扫频模式，扫频模式中的读频率数字值的方式和单频模式的读频率数字值方式一样，不同的是，首先读初始频率值F1并送给AD9854D的频率转换寄存器1，接着读终止频率FS并送给AD9854D的频率转换寄存器2，最后步长频率值FD并送给AD9854D的三角频率转换寄存器，给AD9854一个更新时钟后，ADuC845进入循环扫描键盘。4.3 键盘功能键说明 键盘有16个按键，在ADuC845初始化的时候，首先定义三个模式键分别代表单频模式，跳频模式和扫频模式，这个时候按其他键都无效。在进入单频模式，A,B,C,D被ADuC845分别使能为Hz,KHz,MHz单位键和确认键，在输入数据以后，按单位键再按确认键，输入进去的是单频模式的频率值。进入跳频模式，A,B,C,D被ADuC845使能是一样的，不同的是单频输入一次结束，调频则要输入三次才结束。扫频模式同跳频模式一样输入三次。5. 使用操作说明假如现在需要快速测量20KHz到100KHz脉搏波阻抗谱，可以采用跳频模式，频率间隔4KHz。对信号源的操作步骤：1）接通电源（或复位），按B键，进入跳频模式。2）输入20，按B键，按D键，AD9854获得初始频率20KHz。3）输入100，按B键，按D键，AD9854获得终止频率100KHz。4）输入4，按B键，按D键，AD9854获得步长频率100KHz。此时再按其他按键（不包括复位键）显示器没有任何反应，此时的AD9854已经进入工作状态。6. 结束语利用DDS芯片AD9854设计的信号源具有分辨率高，转换速度快，体积小，系统工作稳定集成度高，多种工作模式，使用方便等优点。实验表明，采用AD9854，电路设计简单，工作可靠，容易实现频率调整，频谱稳定度和精确度以及相位误差完全满足脉搏波阻抗谱测量系统的要求。而且该电路在雷达、锁相环、通信、电子对抗及任意波形产生等方面也具有广阔的应用前景。参考文献1 任超世. 医学电阻抗技术与临床. 世界医疗器械.J 2003, Vol. 9(2): 50-532 Min M, Parve T. 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