摘? 要： 介紹了一種用于脈搏波分析的多路正弦恒流源系統設計方案。該系統主要由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。該系統實現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
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現代醫學工程中，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定，溫度系數好，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、穩定、變頻快速、幅值穩定且可調、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進行設置,實現多路阻抗測量和脈搏波分析。
1 系統原理及組成
系統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，接收數據，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，具體如圖1所示。
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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據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的樣點數據時，就能得到量化了的正弦曲線，若周期地重復這一過程，并將數字量經D/A轉換與平滑濾波后輸出，就可以得到連續的正弦波信號。
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控振蕩器（NCO）、頻率和相位調節器、正弦幅值表、數模轉換器（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，數據是以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。進行串行數據傳輸時，FSYNC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據(通過讀取控制面板上各個通道電流值，進行轉換后得到)發送給總控AVR單片機,再由總控AVR單片機通過TWI總線發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位數模轉換器，當信號作為數模轉換器的參考輸入時，數模轉換器就可以看作為一個信號衰減器。
從AD7524的數據手冊上可知，AD7524的數據建立時間最大不到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，正弦波發生電路產生的正弦電壓信號經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：
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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過低通濾波器濾除附加在所需頻率信號上的高頻數字偽信號。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軟件來完成各參數的選擇，最終通過實際電路測試滿足設計要求。
3 數據通信
??? 數據通信包括兩部分：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。同時，利用PC機強大的數據處理能力，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，采取軟協議方式。數據幀格式說明如下：
數據幀的第一個字節為控制字節，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。
每個控制字節后面緊接著就是相應的數據，數據流結構如圖7所示。
其中，控制字中D1-D0=00時，數據為4個字節；控制字中D1-D0=01時，數據為2個字節；控制字中D1-D0=10時，數據為1個字節。因此可以根據控制字識別緊跟其后的數據位數。總控AVR單片機將接收到的數據再發送給下位單片機。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和數據線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，器件可以工作于發送器模式或接收器模式，數據傳輸率高達400kHz，其連接圖如圖9所示。具體可參閱ATmega16的數據手冊[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定，信號幅度數字可調且噪聲小。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，能滿足脈搏波分析中對多路測量的要求。通過實驗，該系統運行穩定，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.