基于MSP430F149的阻抗測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)
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醫(yī)學(xué)阻抗測量是利用生物組織與器官的電特性及其變化，提取與生物體生理、病理狀況相關(guān)的生物醫(yī)學(xué)信息的一種檢測技術(shù)。它通常借助于驅(qū)動電極向檢測對象送入一微小的交變電流(或電壓)信號，同時測量兩極的電壓(或電流)信號，從而計(jì)算出相應(yīng)阻抗，然后應(yīng)用于不同目的。
不同組織的阻抗值也不相同，因此阻抗可以作為區(qū)分不同組織的一項(xiàng)重要指標(biāo)；同時隨著生理活動的變化，同一組織阻抗值也會發(fā)生改變，因此阻抗可以作為檢測組織是否發(fā)生病變的一個依據(jù)。
生物組織的阻抗受多種因素影響呈現(xiàn)出各種特性，其中最主要的就是它的頻率特性。本設(shè)計(jì)通過MSP430F149控制AD9852產(chǎn)生不同幅度、不同頻率的正弦波。該正弦波經(jīng)過濾波、放大后作用于人體，通過測量電壓信號U和電流信號I，且令K=U／I，計(jì)算出K，然后根據(jù)R—K曲線(此曲線由不同阻值的固定電路R與相應(yīng)K之間的關(guān)系擬合所得)解析式求出阻抗。本設(shè)計(jì)可根據(jù)不同的目的獲取各自相關(guān)信息，同時本設(shè)計(jì)不受幅度、頻率限制，還可用于研究生物組織的幅頻特性。
本設(shè)計(jì)利用MSP430F149自帶的串口通過RS485進(jìn)行遠(yuǎn)距離實(shí)時傳輸，上位機(jī)可將實(shí)時數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線繪制、數(shù)據(jù)保存等處理。
1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)采用TI公司的MSP430F149單片機(jī)。該單片機(jī)有60 KB Flash、2 KB RAM，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力。單片機(jī)通過向AD9852發(fā)送頻率字、幅度字從而控制正弦波的頻率、幅度。正弦波經(jīng)過電流轉(zhuǎn)電壓、功率放大等電路作用后，經(jīng)過線圈T1隔離作用于人體，同時由線圈TFl和T2感應(yīng)出的電流、電壓相對量，經(jīng)過程控放大器和真有效值轉(zhuǎn)換后，進(jìn)入單片機(jī)，進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換。單片機(jī)根據(jù)電流、電壓值計(jì)算出電阻，再通過串口傳輸給PC機(jī)。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
2 硬件電路
2．1 單片機(jī)控制AD9852電路
如圖2所示，單片機(jī)P1．O～P1．7，通過復(fù)用與AD9852數(shù)據(jù)、地址引腳相連，P2．3～P2．7與AD9852五個較重要的控制引腳相連接。單片機(jī)主要是通過向DDS輸出幅度字、頻率字來控制AD9852產(chǎn)生的正弦波的頻率和幅度。
2．2 電流、電壓測量電路
圖3所示為電流測量電路原理。為了在不同幅度下都能準(zhǔn)確測量電流，在峰一峰值轉(zhuǎn)有效值電路前加了一片程控放大器，單片機(jī)通過輸出增益控制使得即使前端電壓很小時也能將其提高到一定程度，達(dá)到準(zhǔn)確測量的目的。同樣，在電流測量電路中，也使用了同樣的原理圖。
2．3 RS485電路
圖4所示的單片機(jī)與RS485通信轉(zhuǎn)換電路中，通過3個光耦器件對單片機(jī)電路和RS485總線進(jìn)行隔離，提高系統(tǒng)的抗干擾能力。采用SP485E來支持RS485串行協(xié)議，但由于SP485E的工作邏輯是TTL電平，而RS232通信的邏輯電流不是TTL電平，需要通過SP232器件進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，如圖5所示。RS485工作在半雙工通信狀態(tài)，通過CTR485控制數(shù)據(jù)的輸入／輸出方向。
3 軟件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)的軟件用C語言編寫，在IAR EmbeddedWorkbench環(huán)境下進(jìn)行編寫、調(diào)試，其軟件流程如圖6所示。單片機(jī)軟件主要分為兩部分，一部分通過控制AD9852產(chǎn)生正弦波，同時對電壓、電流進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換，進(jìn)而進(jìn)行計(jì)算，其流程如圖7所示；另一部分將采集來的數(shù)據(jù)傳輸給PC機(jī)，軟件流程如圖8所示。
4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
實(shí)踐證明，正弦波幅度對阻抗幅度值影響較?。欢l率對阻抗幅度值影響較大。用雞蛋清實(shí)驗(yàn)時，發(fā)現(xiàn)隨著頻率增大，阻抗值減小，并且蛋清濃度越高阻抗越大。當(dāng)正弦波頻率為440 kHz時，通過程控放大器將電流電壓調(diào)整在O．7 ～2．5時，無感電阻與電壓、電流比值的關(guān)系如圖9所示。
圖中橫坐標(biāo)為U/I，縱坐標(biāo)為R／10。由圖可見，在誤差允許的范圍內(nèi)二者呈近似線性關(guān)系。
結(jié) 語
本設(shè)計(jì)提供了一種人體阻抗測量方法，可作為醫(yī)療儀器的輔助功能，為組織診斷等提供一定的參考，可移植于不同應(yīng)用。設(shè)計(jì)中采用MSP430系列單片機(jī)，引腳相對較多，存儲空間相對較大，為后續(xù)應(yīng)用開發(fā)提供了保障。
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