学位论文基于arm的电阻抗成像系统激励信号源设计.docx

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学位论文基于arm的电阻抗成像系统激励信号源设计

毕业设计

题目基于ARM的电阻抗成像系统

激励信号源设计

学院自动化与电气工程学院

专业电气工程及其自动化

二〇一三年六月八日

摘要

电阻抗成像技术EIT是一种主要应用于医学检查的新兴的成像技术。

它在物体表面通过电极或磁场施加电流或电压，经过物体内部后，再测量物体的电参数，应用重组算法计算电参数的分布，得到物体内部结构的图像。

本设计在分析研究国内外电阻抗断层成像技术现状基础上，了解了EIT的发展瓶颈和遇到的挑战。

重点研究解决EIT的信号电源——恒流激励源，设计出基于DDS芯片的信号发生模块和以ARM处理器为控制核心的简易信号源。

本设计中的信号源将EIT的信号源频带拓宽到了MHz以上。

在高频下将能提取更丰富的复阻抗信息，为实现多频EIT技术提供了可能。

EIT激励信号源系统主要包括以下几部分：

信号发生部分，包括采用DDS芯片组成的信号源硬件电路模块和VI转换电路模块；输出检测部分，用IO采集与正弦波同频率的方波来计数频率值，采用ARM自带的AD对电流值进行实测，然后将数据送给处理器显示；显示部分，采用128×64点阵式液晶显示屏实时显示设定值和频率电流实测值。

关键词:

电阻抗成像；多频恒流激励源；DDS；ARM应用

ABSTRACT

Electricalimpedanceimagingtechnology（EIT）isakindofthenewimagingtechnologybeingmainlyusedinmedicalexamination.Itinjectelectriccurrentorvoltagethroughtheelectrodeorthemagneticfieldonobjectsurface,afterinternalobjects,measuringelectricparametersoftheobject,usingrestructuringalgorithmtocalculateelectricalparametersofthedistribution,tocalculatetheinternalstructureoftheimage.

Intheanalysisofresearchonthebasisofdomesticelectricimpedancetomographyimagingtechnology,ThisdesignunderstandsthedevelopmentbottleneckofEITandthechallenges.ThisdesignfocusontheEITsignalpowersupply--constantcurrentsource.ItmakesoutasignalsourcebasedonDDSchipmoduleandtheARMprocessor.TheSignalsourceofEITinthedesignhasafrequencybandabovethe1MHz.underthehighfrequencywewillbeabletoextractmorecompleximpedanceinformation,inordertorealizemulti-frequencyEITtechnology.

TheEITsignalsourcesystemmainlyincludesthefollowingseveralparts:

signalpart,includingtheuseofDDSchipsourcehardwarecircuitmoduleandtheVIconversioncircuitmodule;Outputdetectionpart,IOacquisitionandsinewavewiththefrequencyofsquarewaveisusedtocountfrequencyvalues,usingARM'sownADtomeasurementofcurrentvalue,andthensenddatatotheprocessor;Displaypart,usingthe128*64dot-matrixLCDtodisplayrealtimefrequencyandcurrentvalue.

Keywords：

EIT；Multiplefrequencyconstantcurrentsource；DDS；ARMapplication

1前言

1.1电阻抗成像技术（EIT）及其电源的国内外研究现状

电阻抗成像技术（EIT）是生物电阻抗成像技术（biologicalelectricalimpedanceimaging，BEII）的一个重要分支。

其他有关于BEIT的成像研究包括：

电阻抗层析成像（ElectricalImpedanceTomography，EIT）、磁感应电阻抗成像（MagneticInductionTomography，MIT）、核磁共震电阻抗成像（MagneticResonanceElectricalImpedanceTomography，MREIT）、磁声层析成像（Magneto-AcousticTomo-graphy，MAT）、磁感应磁声层析成像（Magneto-AcousticTomographywithMagneticInduction）等一系列生物电阻抗层析成像方式。

生物医学作为二十一世纪的朝阳产业，而在医学成像研究领域，电阻抗成像已然成为21世纪的成像领域的热点。

不仅如此，在工业监测、无损探伤等研究方面电阻抗成像也引起了工业界的集大关注。

电阻抗成像与CT（x射线计算机断层成像）、核磁共振（MRI）相比有着卓越的优势。

它较之于前一代无损成像技术（包括结构成像、形态成像）有着更为显著的特点，电阻抗成像因为只是在物体表面操作实施，所以无创伤；也不使用放射性射线，所以无损害；因为无创无损，所以可以多次反复重复测量使用；并且因为造价低廉，成像设备相对简单，操作方便，所以相关产品更易推广[1]。

电阻抗成像技术按照激励信号源的不同，可以分为注入式电阻抗成像，感应电流式电阻抗成像，多频电阻抗成像三种主要方式。

注入式电阻抗成像是最初的传统成像方式，因为皮肤的角质层阻抗很大，电极放于皮肤之上，阻抗信息将受到皮肤阻抗很大的影响，所以电极上要注入电流信息采集时要测量电压。

故激励信号源应是恒流电源。

现在大部分EIT系统采用16个电极，少数采用32或者64个电极的。

随着电极数量的增加系统的分辨率、成像的质量也会相应的提高，但是相应的难度也会增加，数据量增大，重组算法也会更加复杂。

感应电流电阻抗成像（MREIT）是一种新兴的无接触式的EIT成像技术，不同于传统注入式电极。

MREIT只是在需要成像的物体的周围安装几个线圈，并在线圈上施加交变电流，以在目标物体内产生感应电流，再在物体表面的不同点设置若干电极测量不同电极间的电参数（电导率或电容率），然后进行算法重组图像处理分析。

感应电流电阻抗成像的优点在于他把输入信号和检测信号隔离开来了，相互间的干扰大大减小了。

多频电阻抗成像（Multi-frequencyElectricalImpedanceTomography,MFEIT）是在传统注入式电极电阻抗成像的基础上进行的，他需要在一个电极上施加不同频率的电流，或者在不同位置组合的电极上施加电流，这就需要激励信号源能够很好地控制电流信号输出。

另外，在多个频率下测得的物体的复阻抗信息更丰富，能够更好的对不同组织在不同频率下的状态分析，以确定是否正常或病变。

还可以选择一个最适合的自己需要的复阻抗信息的频率来成像。

国外的EIT研究历史长，涉及范围广，相对成熟，包括二维、三维EIT成像技术。

近几年来北美、欧洲各个EIT研究小组之间的交流与合作很好地促进了EIT技术的发展[1]。

这些研究小组中，有的小组已经从理论方法研究的基础上，开始了临床实践应用研究[1]。

下表1-1是一些EIT研究情况的对比。

表1.1目前EIT硬件系统研究的情况对比

技术指标

系统名称

NCKC

EIT3

RPI

ACT4

Sheffield

Mark3.5

Dartmouth

H-FEIT

电极个数

32

32-72

8

64

频率

单一频

19.53KHz

多频

多频

多频

分辨率

16bits

14bits

12bits

16bits

采样频率

500KHz

1MHz

500kHz

1MHz

成像类别

静态式

动态式

动态式

--

图像重建算法

NOSER

算法

NOSER

算法

反投影算法

--

国内的EIT技术方面的研究还处在初级阶段，但也发展迅速。

1.2电阻抗成像技术的基本原理

电阻抗成像技术一般是通过在物体表面安装若干数量的电极，再在选定的电极上施加特定模式的电流，（或者是通过磁场施加电压）然后测量各电极的电压，再将这些测得的电流、电压数据，依据图像重建算法，构造出物体内部的未知阻抗图像。

以上是电阻抗成像技术的基本实现方法。

而21世纪医学成像之所以能够成为电阻抗成像技术（EIT）主要应用方面，是因为生物不同组织有不同的电导率和电容率（当然也可以是其他导电参数，主要是这两个），还因为就算是同一生物的同一部位的同一组织在病变时这些导电参数也会和正常时有所不同，甚至是明显不同。

这样，电阻抗成像技术就能依据电导率的变化，找到病源所在了。

而电阻抗成像技术（EIT）应用于其他方面的道理于此类似，根据不同环境下，物体电导率或电容率变化构建图像。

进一步，导电参数的获得取决于加在选定电极上的电流信号，那么此激励信号的产生显得尤为重要了。

电容率是指在外加电场的情况下材料的储电能力，电导率则表示材料的导电能力。

直流信号和交流信号都能通过电阻小电导率高的材料，电容率高的材料却只能让交流信号通过。

所以，本设计方案中就是设计这种具有一定指标的交流电激励信号。

深刻理解电阻抗成像技术（EIT）及原理，从更深层次，定性，定量分析成像对其信号源的性能要求，才能更好的设计激励电源。

1.3电阻抗成像技术的发展瓶颈及前景

一般的EIT电阻抗成像系统大致分为三部分：

信号的注入与提取、信号与计算机接口通信、图象重建与显示。

EIT技术的主要瓶颈是其空间分辨能力差。

这是因为在EIT系统中，由于不同组织器官，导电特性不同，注入电流呈散射状，指向性很弱，稳定性差（与成像目标物体接触的很小电压也可能引起阻抗参数的很大的变化），数据处理难度大，因此重建图像的算法大都是近似处理的简化模型。

因此成像分辨率很差。

这也就造成了EIT分辨率差的结果。

近些年来，提高图像的空间分辨力和复阻抗信息的提取一直是EIT技术进入临床应用的两大难题，是促进EIT发展道路上必须要清除的两大技术障碍，也是世界各研究小组长期奋斗的目标[2]。

虽然EIT技术有上述诸多缺点，但是它也有着很广大的应用潜力和前景。

在EIT系统中提取的复阻抗信息以及后期的算法重组得到的图像能够很好地反应目标物体的生理，物理信息，这些都能够用于对物体的内部病理或结构的诊断。

也就是说复阻抗信息包含丰富的生理信息，因此如何增加复阻抗信息以及如何更好的提取复阻抗信息，是以后EIT发展需要解决掉的重要任务[2]。

研究表明，复阻抗信息的虚部包含信息丰富，但它十分微弱，极难提取。

大量研究还表明，虚部信息的丰富度随着激励源信号频率的增加而增加[2]。

在不久的将来，相信电阻抗成像在下列方面得到长足发展：

多频电阻抗成像、快速的重组算法、成像设备的硬件系统的提高、对体组织电特性的研究分析、电磁无接触式阻抗成像（EMIT）。

2系统总体设计方案

2.1本设计主要解决的问题

多频MFEIT系统与常规的EIT技术相比，最重要的特点是MFEIT系统工作频带的延宽和所测频率数的增加。

为了丰富复阻抗信息，增加激励信号源的频率，本设计将做出能提供MHz以上的激励信号的多频恒流激励源，并做出能够控制输出信号，显示输出信号的简易信号发生器（详细内容见第三章）。

2.2总体方案概述

在本设计中，采用强大的嵌入式微处理器ARM9作为整个系统的控制、显示和输出检测核心。

多频恒流激励源的信号发生模块是重点，激励信号发生模块采用AD公司生产的DDS直接频率合成器，通过ARM的控制产生多种频率的激励信号，然后经过放大电路，滤波电路，并将其经电压控制电流源（VCCS）电路转换成为生物电阻抗激励所需电流信号。

另外，还有按键控制模块，LCD液晶显示模块，输出检测模块，电源模块等。

输出检测部分：

采用ARM自带的AD对电流值进行实测，频率检测电路对信号频率检测，然后将数据送给处理器显示等。

具体各模块电路设计见第三四章，以下是总体系统结构框图（如图2.1示）

图2.1总体系统结构框图

2.3DDS技术的基础研究

DDS（DirectDigitalSynthesizer）是直接数字式频率合成器的英文缩写，它和DSP（DigitalSignalProcessing）数字信号处理一样是一种关键的数字化技术。

直接数字频率合成（DDS）是从相位概念出发提出的直接合成所需要的波形的一种频率合成技术。

通常相位累加器、波形存储ROM、D/A数模转换器和低通滤波器（LPF）构成了一个典型的直接数字频率合成器。

典型的DDS原理框图如图2.2所示。

图2.2典型的直接数字频率合成器原理框图

假设参考时钟频率用fclk表示，相位累加器的位数用N表示，频率控制字用K表示，相位累加器对ROM的寻址位数用M表示，D为ROM数据位及D/A转换器的字长（以二进制表示的），输出信号的频率用fout表示[3]。

那么，直接数字频率合成器的合成信号波的过程大致如下：

在时钟fclk线的拉低拉高拉低的时序下，相位累加器以频率控制字K为单位累加，那么，波形ROM的地址就是相位控制字P和相位累加器输出的N位二进制码之和，按照此地址对波形ROM查找表，查找表后，得到幅度码S（n）再经D/A转换器输出阶梯形信号波，最后经过低通滤波器滤波处理使阶梯波趋于平滑，就产生了所需的激励波形（一般为正弦波）。

当时钟频率给定后，频率控制字决定了输出信号的频率，频率分辨率由累加器位数决定。

当需要产生方波时，DDS内部高速比较器就与上面产生的波形比较，就得到了方波。

ROM的地址线位数决定相位分辨率，幅度量化噪声决定了ROM的数据位字长和DAC位数[2]。

查表后得到的波形ROM地址不一样，波形ROM里面存放的幅度码也就不一样，产生的波形也就各不一样，所以DDS技术理论上可以产生所需的任意波形[3]。

直接数字频率合成DDS技术和直接式频率合成技术、间接式频率合成技术相比较有着卓越的特点优点，这决定着以后它将得到广泛应用。

（1）频率切换时间很短。

可以近似认为频率控制字的传输时间就是它的频率切换换时间，为单个时钟周期。

在时间上DDS的相位序列是离散的，在频率控制寄存器值K改变以后，以新的累加寄存器输出的累加相位数据去与频率频率控制数据相加得到输出频率，则要等到下一个时钟周期[3]。

一般情况下，时钟频率是很高的，在10MHz以上时，转换时间是很短的。

集成DDS产品的频率转换时间已经可达10ns的量级，而目前常见的锁相频率合成技术不可能达到10ns量级的。

频率切换时间是衡量DDS直接数字频率合成器性能的一项很重要的标准[3]。

（2）频率分辨率高。

由式

可知，频率分辨率就是DDS的最小变化量。

也就是说累加器的位数决定了分辨率的大小，而累加器的位数是可以足够多的[3]。

相比传统的频率合成技术是不可能有这么精细的分辨率的[3]。

（3）集成度高，使用方便，DDS中集成了DAC和低通滤波器等现成模块，使用方便。

DDS频率合成器也有着它自身结构决定的缺点，输出信号中杂散信号太多和输出信号带宽受限。

DDS技术关系到信号的发生，对其深刻理解才能选好信号发生的方案，为整个系统设计奠定基础。

3各硬件电路模块设计与相关芯片选型

3.1主控芯片ARM9处理器简介

以ARM9微处理器作为核心的典型的嵌入式系统具有一般嵌入式系统的所有优点：

软硬件可裁剪，功能强大且专一，可靠性强，成本低，体积小易于携带，功耗低。

在本设计方案中，我们选用三星公司的16/32位精简指令集（RISC）微处理器S3C2440A。

S3C2440A微处理器因为其高性能、低功耗和微小型的特点，可被广泛的应用于手持设备和普通应用，其中成像系统中的应用也在逐年增加。

S3C2440A基于ARM920T处理器核心，而ARM920T是一个16/32位RISC处理器，它是著名的AdvancedRISCMachines（ARM）公司设计的。

与传统处理器核心ARM920T有着很多突出优点，实现了1.1MIPS/MHz的哈佛结构，MMU，AMBA总线等高速缓冲体系结构。

这一结构支持独立的16KB数据Cache和16KB指令Cache，具有更高的指令和数据处理能力[5]。

ARM920T采用5级整数流水线，指令执行效率更高。

具有32位ARM指令集和16位Thumb指令集，支持32位的高速AMBA总线接口[5]。

全性能的MMU，支持Android、WindowsCE、Linux等多种主流嵌入式操作系统[5]。

S3C2440A的全静态设计，特别适用于对成本和功率敏感型的情况，因此具有简单、精致、低功耗等特点[5]。

S3C2440A提供了一整套丰富的内部外设，为产品开发降低了成本。

下面是本系统设计中主要用到的S3C2440A集成的片上功能：

●LCD控制器（最大支持4K色STN和256K色TFT）提供1通道LCD专用DMA

●3通道UART（IrDA1.0,64字节发送FIFO和64字节接收FIFO）

●2通道SPI

●8通道10位ADC和触摸屏接口。

8通道多路复用ADC，最高500KSPS和10位分辨率，内置FET给线性触屏接口。

本设计中，用ARM作为控制器，可以是简单的不带OS的裸机程序，也可以是带操作系统的代码移植，这为以后Eit整个系统的搭建留了回旋的余地。

3.1.1ARM9（S3C2440A）最小系统

能良好工作的最小系统包括最基本的电路：

主芯片，稳定的电源管理模块电路和时钟电路，复位电路，适当的扩展端口模块。

下面是以三星的S3C2440A为主芯片的最小系统实物图，原理图见附录。

图3.1ARM最小系统实物图

它包含最基本的电源电路（5V供电）、复位电路、标准JTAG调试口、调试LED指示灯以及核心的CPU和存储单元等。

3.2电源电路设计模块

在本EIT激励信号源设计中，需要供电的模块很多，但对电源要求并不高。

ARM9最小系统、LCD12864液晶显示模块等需要5V直流供电，信号发生模块和输出检测模块的一些电路，如滤波电路，电压电流转换电路等要用到9V和5V的正负电源，或3.3V电压。

所以本系统中，利用变压器集成稳压芯片制作出简易线性稳压电源。

线性电源原理图如图3.2所示：

图3.2线性电源原理图

3.3信号发生设计模块

3.3.1数字信号发生器软件方案设计

查阅大量文献，归纳总结出，电阻抗成像多频激励恒流源设计的解决方案大多属于以下三种：

（1）利用直接数字合成技术（DDS）产生正弦电压信号，并将其经电压控制电流源（VCCS）电路转换成为生物电阻抗激励所需电流信号。

但这种设计方案大都只是仅仅产生激励信号，未能形成完整的硬件系统，更没有相关便携，操作方便的仪器仪表。

（2）基于小规模CPLD／FPGA平台的多频恒流激励源设计，但该设计也是基于DDS技术的，运用FPGA与外部DA转换器实现DDS功能。

这种设计需要熟悉硬件描述语言VHDL（或Verlog语言），并且对DDS原理应了如指掌，另外，FPGA价格昂贵，不利于以后产品的推广。

所以，开发难度大，成本高，不宜选择此方案。

（3）采用模拟分立元件或者单片压控函数发生器MAX038来产生正弦波，再通过放大电路，滤波电路，因为频率高，可能还需要光耦隔离电路。

当然这种方式也不可能产生太高的输出频率。

而其输出信号频率通过调节外接电容或电阻来调节也很不方便，无法实现频率步进调节，不便于扩展和较高的使用要求。

电路的性能与外接元器件息息相关（外接的电阻电容对参数影响很大）。

结果，产生的激励信号的频率不稳定、精度低、抗干扰能力很低、使用极为不便。

与前三种方案相比，本设计方案有着显著优势：

ARM9处理器的应用，为以后电阻抗成像整个系统的搭建及带操作系统的图像处理留有足够大的选择空间。

采用AD公司生产的DDS直接频率合成器降低成本的同时，也使开发难度减小，使开发出操作简单，便携的发生器成为可能。

3.3.2直接数字式频率合成器DDS芯片的选定

根据2.1.2章节可知，DDS芯片的性能指标主要有工作频率范围，频率切换时间，频率分辨率等等。

下面是三款DDS直接数字频率合成器芯片简介：

AD9952是一款完整高性能可程控直接数字高频合成器，特点如下

∙400MHZ的内部时钟CLK，速度快[6]。

∙内部集成14位（DAC）数模转换器。

∙32位控制频率控制字，可快速转换频率，可以很小的步进调节频率，分别率高[4]。

∙相位噪声≤−120dBc/Hz（1kHz偏移，DAC输出）。

∙动态性能>80dBSFDR（AOUT为160MHz±100kHz偏移时）。

∙与控制器I/O进行串行通信。

∙支持大部分数字输入的5V输入电平，1.8V电源，程序控制或硬件控制低功耗模式。

∙48引脚TQFP_EP封装，额定工作温度范围为−40°C至+105°C。

∙价格15.7$无样片。

AD9850芯片也是完整高性能可程控直接数字高频合成器，特点如下

∙可外置最高125MHZ的精密时钟源，AD9850的电路架构允许产生最高达到基准时钟频率一半（或62.5MHz）的输出频率[6]。

∙内部集成14位（DAC）数模转换器

∙共40位频率和相位控制字，可快速转换频率，可以以很小的步进调节频率，对于125MHz基准时钟输入，输出频率分辨率可以达到0.0291Hz[6]。

∙40位控制字中，五位用于相位调节，能够调制出以180°、90°、45°、22.5°、11.25°或者是这些相角任意组合的相位的输出波形[6]。

∙与控制器进行通用的并行或串行I/O通信，并行时是8位迭代加载方式

∙支持大部分数字输入的5V输入电平，3.3V或5V单电源，程序控制或硬件控制低功耗模式（380mW（125MHz，5V）155mW（100MHz，3.3V））

∙节省空间的超小型28引脚SSOP表面贴片封装，额定工作温度范围为−40°C至+85°C[6]。

∙价格12.14$无样片

AD9835是一款数控振荡器，简单的DDS芯片

特点：

∙5V电源

∙最高50MHz时钟速率

∙10位DAC数数模转换器

∙