摘? 要： 介紹了一種用于脈搏波分析的多路正弦恒流源系統(tǒng)設計方案,。該系統(tǒng)主要由PC機用戶接口程序,、單片機控制電路,、DDS正弦波生成電路,、濾波器,、數(shù)字幅度控制電路以及電壓-電流轉換電路組成,。PC機用戶程序通過RS232接口與總控AVR單片機通信,；總控AVR單片機通過TWI(Two Wire Interface)總線與下位單片機通信,。該系統(tǒng)實現(xiàn)了多路正弦恒流源的生成與控制,。
關鍵詞： 脈搏波分析； 正弦恒流源,； DDS,；? TWI
?
現(xiàn)代醫(yī)學工程中，電子學的應用非常廣泛,，特別是在對各種疾病的預防和監(jiān)測方面,。其中，通過分析生物阻抗特性,，相關研究人員能夠對很多疾病進行預判和辨識[1],。為了能精確地分析生物阻抗特性,，系統(tǒng)必須提供一個性能良好的交流恒流源。由于生物組織的復雜性,，恒流源必須要求頻率和幅度穩(wěn)定,，溫度系數(shù)好，在切換頻率時轉換速率要快,，且抗干擾能力強,。同時，由于生物阻抗差異很大,，恒流源工作于不同負載時其負載調整率要非常低,。而與一般的掃頻式阻抗分析儀[2]不同的是，本恒流源主要用于脈搏波的工程應用分析,。該恒流源工作頻率范圍為10kHz～100kHz,，相當于一個頻率高于正常脈搏頻率(100Hz以內)的載波信號施加到生物組織上；其響應相當于一個調制好的交流信號(脈搏波為調制信號,，恒流源為載波信號),。此外，脈搏波的分析往往需要多路脈搏波信號(可多達32路),，即需要多路恒流源同時工作,。基于以上要求,，本文設計了一種正弦恒流源,，它具有頻率可變、穩(wěn)定,、變頻快速,、幅值穩(wěn)定且可調、輸出阻抗高,、電路結構簡單的特點,。此外，本設計增加了串口通信和TWI總線通信功能,，用戶可以通過PC機方便地對多路恒流源參數(shù)進行設置,實現(xiàn)多路阻抗測量和脈搏波分析,。
1 系統(tǒng)原理及組成
系統(tǒng)主要由三大部分組成：PC機用戶接口、總控AVR單片機及正弦恒流源模塊,。其中,，PC機提供良好的用戶接口，方便用戶進行參數(shù)的設定和計算,，減少下位單片機的運算負荷,。總控AVR單片機一方面和PC機通過RS232總線通信,，接收數(shù)據(jù),，另一方面,，通過TWI總線和下位正弦恒流源模塊中的AVR單片機通信，傳輸每路參數(shù),，具體如圖1所示,。
?
2 正弦恒流源
正弦恒流源模塊提供頻率可變（本設計要求10kHz～100kHz），電流幅度峰值可調(1mA～5mA)的低噪聲正弦恒流源,，其原理圖如圖2所示,。
2.1 DDS正弦波發(fā)生器
DDS技術的原理是在ROM中存儲一個周期的正弦曲線采樣點表，每一個存儲單元存儲的樣點數(shù)據(jù)和地址之間的關系與正弦波的正弦幅值和時間軸的關系是一致的,。這樣,，當按順序逐單元讀出ROM的樣點數(shù)據(jù)時，就能得到量化了的正弦曲線,，若周期地重復這一過程,，并將數(shù)字量經(jīng)D/A轉換與平滑濾波后輸出，就可以得到連續(xù)的正弦波信號,。
AD9833是一塊完全集成的DDS電路,，所需外部分立元器件少。AD9833的內部電路主要有數(shù)控振蕩器（NCO）,、頻率和相位調節(jié)器、正弦幅值表,、數(shù)模轉換器（DAC）,、電壓調整器。
AD9833有3根串行接口線,，與SPI,、QSPI、MICROWIRE和DSP接口標準兼容,。在串口時鐘SCLK的作用下,，數(shù)據(jù)是以16位的方式加載到設備上的。FSYNC引腳是使能引腳,，低電平有效,。進行串行數(shù)據(jù)傳輸時，F(xiàn)SYNC引腳必須置低,，要注意FSYNC有效到SCLK下降沿的建立時間的最小值,，具體編程須參照手冊[3]上的時序來操作。本設計AD9833正弦波發(fā)生電路圖如圖3所示,。
AD9833的輸出正弦波信號(即圖3中Vout)頻率fOUT由公式(1)計算：
式中：fCODE表示頻率控制字,，理論上其值可以是1～(228-1)，由單片機通過模擬SPI接口寫入,；FMCLK表示時鐘頻率,，在本設計中FMCLK=10MHz,。AD9833的頻率控制字是28位，所以當時鐘采用10MHz時,，理論上的最大輸出頻率為5MHz(實際輸出大概是參考時鐘的40%),，輸出分辨率可達0.037Hz。
2.2 數(shù)字幅度控制電路
由于AD9833輸出信號的幅度是固定的(峰-峰值為0.7V左右),，因此,，為了改變恒流源電流大小，還需增加幅度控制電路,。PC機通過RS232接口將每一路的幅度數(shù)據(jù)(通過讀取控制面板上各個通道電流值,，進行轉換后得到)發(fā)送給總控AVR單片機,再由總控AVR單片機通過TWI總線發(fā)送給每路恒流源模塊中的單片機,然后，恒流源模塊內單片機將得到的幅度碼輸出給幅度控制電路,。幅度控制電路根據(jù)得到的幅度碼調整信號的幅度,。幅度控制電路的原理圖如圖4所示。
AD7524為ADI公司的8位數(shù)模轉換器,，當信號作為數(shù)模轉換器的參考輸入時,，數(shù)模轉換器就可以看作為一個信號衰減器。
從AD7524的數(shù)據(jù)手冊上可知,，AD7524的數(shù)據(jù)建立時間最大不到200ns,，因此對于100kHz的參考輸入信號，其響應速度滿足要求,。
該電路輸入和輸出關系為：
式中,，code為幅度碼(D7～D0)。
2.3 電壓-電流轉換電路
電壓-電流轉換電路是基于Howland電流泵,。Howland電流泵的原理電路如圖5所示,。
當滿足平衡條件：
時，負載電流IO可表示為：
此時電流泵的輸出阻抗RO=∞,，電壓柔量(即輸出電壓的可擺動范圍）
,。式中，VSAT為運放的飽和電壓輸出值,。
基于Howland電流泵的改進型電壓-電流轉換電路[2]如圖6所示,，正弦波發(fā)生電路產(chǎn)生的正弦電壓信號經(jīng)過濾波和幅度控制之后轉換為恒定的正弦電流信號。
圖6中,，當滿足平衡條件：
?
時,，負載電流IO仍維持式(4)的關系，輸出阻抗RO=∞,。圖6所示電路一方面使R2B從式(3)的平衡條件制約中解脫出來,，僅僅調節(jié)R2B即可改變輸出電流IO，也不會破壞電路的平衡條件；另一方面也使電路輸出電壓VL的電壓柔量比圖5中的Howland電流泵的電壓柔量更寬,，此時的電壓柔量
,。原因是運放A、C使得電阻R29和R30流過的電流僅僅是輸出電流IO(TL072的偏置電流最大為200pA,，相對于輸出電流1mA～5mA是可以忽略的),。
2.4 濾波器設計
DDS輸出的模擬信號必須經(jīng)過低通濾波器濾除附加在所需頻率信號上的高頻數(shù)字偽信號。由于本設計所需頻率范圍為10kHz～100kHz,，因此,，除了濾除高頻噪聲信號外，低頻噪聲信號,，尤其是工頻50Hz干擾噪聲也要濾除,。所以，DDS輸出后需要一個帶通濾波器,。
本帶通濾波器采用運算放大器來組成有源濾波器[4],。由于帶通頻帶寬，故采用低通濾波器和高通濾波器級聯(lián)而成,。為了提高濾波器對噪聲的抑制能力,，低通和高通濾波器都采用8階巴特沃思有源濾波器電路[4]。濾波器運放采用J-FET輸入型運放TL072,它具有高轉換速率(SR典型值為16V/μs）,、低噪聲,、高輸入阻抗、低偏置電流和高單位增益帶寬（典型值為4MHz） 等特點,。濾波電阻采用精度為1%的金屬膜貼片電阻（0805封裝）,，濾波電容采用溫度系數(shù)好，高頻特性好的獨石電容,。為了保證在10kHz～100kHz內信號無衰減，低通濾波器的截止頻率設置為260kHz,，高通濾波器的截止頻率為1kHz,。高頻噪聲低通濾波則是為了濾除AD7524進行數(shù)模轉換時引起的高頻噪聲，也采用運算放大器組成的有源濾波器,。濾波器設計采用Filterlab軟件來完成各參數(shù)的選擇,，最終通過實際電路測試滿足設計要求。
3 數(shù)據(jù)通信
??? 數(shù)據(jù)通信包括兩部分：一是PC機和總控AVR單片機的通信,，通信方式采用串口通信[5],，硬件芯片采用常用的MAX232集成芯片；二是總控AVR單片機和各個交流正弦恒流源模塊內的AVR單片機的通信,，通信方式為內部集成的TWI總線,。
3.1 串口通信
?? PC機提供良好的用戶接口。用戶可以通過PC機設置每個通道的具體參數(shù)。同時,，利用PC機強大的數(shù)據(jù)處理能力,，下位單片機可以更加高效快速地運行。PC機和總控AVR單片機采用RS232串行總線通信,，采取軟協(xié)議方式,。數(shù)據(jù)幀格式說明如下：
數(shù)據(jù)幀的第一個字節(jié)為控制字節(jié)，每位的定義如下：
??? D1～D0：
00：頻率寄存器0,；01：相位寄存器0,；10：幅度寄存器11：保留。
D7～D2：
000000：通道1,；000001：通道2,；……111111：通道64。
每個控制字節(jié)后面緊接著就是相應的數(shù)據(jù),，數(shù)據(jù)流結構如圖7所示,。
其中，控制字中D1-D0=00時,，數(shù)據(jù)為4個字節(jié),；控制字中D1-D0=01時，數(shù)據(jù)為2個字節(jié),；控制字中D1-D0=10時,，數(shù)據(jù)為1個字節(jié)。因此可以根據(jù)控制字識別緊跟其后的數(shù)據(jù)位數(shù),?？偪谹VR單片機將接收到的數(shù)據(jù)再發(fā)送給下位單片機。圖8為八通道恒流源PC機用戶界面,。
3.2 TWI總線
AVR系列的單片機內部集成了TWI總線,。該總線具有I2C總線的特點，即接線簡單,，外部硬件只需要兩個上拉電阻,，使用時鐘線SCL和數(shù)據(jù)線SDA就可以將128個不同的設備互連到一起。而且支持主機和從機操作,，器件可以工作于發(fā)送器模式或接收器模式,，數(shù)據(jù)傳輸率高達400kHz，其連接圖如圖9所示,。具體可參閱ATmega16的數(shù)據(jù)手冊[6],。
本生物阻抗測量用正弦恒流源采用了DDS和Howland電流泵技術，增加了相應的濾波電路,。最終生成的恒流源頻率穩(wěn)定,，信號幅度數(shù)字可調且噪聲小。利用TWI總線和RS232接口，本設計可以連接多達128路恒流源模塊,，并可以方便地在PC機上設置各路運行參數(shù),，能滿足脈搏波分析中對多路測量的要求。通過實驗,，該系統(tǒng)運行穩(wěn)定,，性能良好。
參考文獻
[1] ?YANG Yu Xiang, WANG Jue. A design of bioimpedance spectrometer for early detection of pressure ulcer[C].
?Proceedings of the 2005 IEEE Engineering in Medicine?and Biology 27th Annual Conference.2005：6602-6604.
[2] ?楊宇祥,，王玨,，朱飛龍，等.一種正弦掃頻式恒流源設計[J].儀器儀表學報,2006,27(z1):162-164.
[3] ?Analog Devices Inc. AD9833 datasheet[DB/OL].?http://www.analog.com,2007.
[4]? 岡村迪夫. OP放大器電路設計[M]. 王玲,，徐雅珍,，李武平,譯. 北京：科學出版社，2004.
[5] ?譚思亮, 鄒超群.Visual C++串口通信工程開發(fā)實例導航[M]. 北京:人民郵電出版社, 2003.
[6] ?ATMEL Corporation. ATmega16 datasheet[DB/OL].?http://www.atmel.com, 2007.