【正文】 m 序列 激勵源電路的 設計框圖如 圖 39 所示。本設計 電路板 做成 了 多層 電路 板， 其中電源和地 各占用一層。電源電路需要濾波，一般的，放置一個 1uF 到 10uF 的去耦電容在電源接入電 路板處，濾除低頻的噪聲。 電源模塊的設計介紹 在一個穩(wěn)定的系統(tǒng)中，必須首先要有一個穩(wěn)定的電源，生物電阻抗快速測量平臺也要有一個穩(wěn)定的電源，保證系統(tǒng)能夠正確的運行?？傮w設計用于阻抗測量的 m 序列激勵源、激勵與響應信號的同步檢測系統(tǒng)等，具體包括 FPGA 實現(xiàn) m 序列偽隨機 信號 的生成；設計基于模擬運算放大器的電壓控制電流源 電路模塊 （ VCCS），為 BIS 提供輸出阻抗高、頻率特性好、響應速度快的高精度驅(qū)動電路；構(gòu)建基于 FPGA 和模數(shù)轉(zhuǎn)換器的阻抗激勵、響應信號同步測量平臺，同步采集被測 對象 上的激勵 、響應電壓信號，為后續(xù)的相關(guān)檢測算法提供數(shù)據(jù)。為了更加準確的反映生物組織的復阻抗特性， 可以 將歐姆定律進行推廣， 電壓 U 與 電流 I 之間不僅在幅值上存在比例關(guān)系，而且在相位上存 在 先后關(guān)系， 電阻 R 表示 為一復數(shù) ，變成了電阻抗 。 本章小結(jié) 本章首先簡要的說明了一下偽隨機信號，對隨機信號和偽隨機信號做了一個比較。當 Δt 不變， N 變化時，帶寬不變，帶寬內(nèi)的譜線數(shù)目會隨著 N 的變化而變化，但是每個分量的強度會隨 N 變化有所變化，帶內(nèi)總功率基本不變。由信號處理理論可以知道，m序列的 自相關(guān)函數(shù) Rxx(τ)的傅立葉變換 是 功率譜 函數(shù) Фxx(ω)，對于周期 的 m序列 ，自相關(guān)函數(shù) Rxx(τ)也 是周期函數(shù)，所以其功率譜 函數(shù) Фxx(ω)是離散的。 比如特征多項式 25( ) 1f x x x? ? ?所產(chǎn)生的移位寄存器 對應 圖 24 所示的原理結(jié)構(gòu)。輸出序列 來自移位 寄存器 的移出，移位寄存器 移位 一次， 節(jié)拍改變一次，整體來講 是循環(huán)的。 m 序列的計數(shù) 相同長度、不同反饋的 m 序列的數(shù)目等于同冪次的本原多項式的數(shù)目， n 次 冪本原多項式的數(shù)目為 (2 1)nsN n??? () m序列的研究和激勵信號源的設計思路 11 其中， )(x? 是歐拉函數(shù)，它的值是小于 x 并和 x 互為質(zhì)數(shù)的個數(shù)（ 1 包括在內(nèi)）。并且在每個長度的游程中，“ 1”和“ 0”的數(shù)目各占一半。 m序列是周期性的偽隨機二進制序列，在 m序列理論形成的初期，在通訊 【 32】 、導航、雷達以及密碼學等技術(shù)領域 都 有應 用 【 3334】 。 （ 2） 在隨機信號中 ，兩個狀態(tài)的轉(zhuǎn)化在任何時刻都會發(fā)生，預先不能確定下一狀 態(tài)的時刻，任何瞬間狀態(tài)與相鄰的下一狀態(tài)都是無關(guān)的，而偽隨機信號是人為可以控制的，它的狀態(tài)只有在整數(shù)倍的時鐘周期脈沖時發(fā)生變化，在時鐘脈沖間隔內(nèi)，電平是不變化的，只有在固定的時間間隔內(nèi)的狀態(tài)和相鄰的時間間隔內(nèi) 的 狀態(tài)無關(guān)。然后 對生物電阻抗的國內(nèi)外 發(fā)展和 研究現(xiàn)狀做了一個簡要的概 述， 生物電阻抗主要發(fā)展經(jīng)歷了簡單的單頻率 掃頻 模式，以及比較先進的混頻模式和諧波模式。 檢測算法的研究 需要研究一種對 實驗 數(shù)據(jù)處理后能得到生物電阻抗譜的理論。 混頻模式有研究成果的同時，多頻率同步測量模式也有了發(fā)展 ，即諧波模式 ，多頻率同步測量就是利用各種非正弦信號本身所包含的諧波信號進行多頻 率激勵。 另外，在 切換 不同 測量 頻點 的 時候 ， 上一個頻點到新的頻點轉(zhuǎn)換的過程中電阻抗信息的重新 建 立需要一定的時間，但是生物組織的各種生理狀態(tài)是不斷變化的，所以選用單頻的測量技術(shù)是不能完全的測量生物在某 個時刻的電阻抗的功能信息 。每一次測量技術(shù)的進步都提供了更豐富的生理、病理信息，為生物電阻抗技術(shù) 的研究 開拓了更廣闊的應用空間。 相比之下，多頻率同步快速測量技術(shù)顯示出了優(yōu)越性。 近年來它是生物電阻抗研究領域新的一個重要分支 【 1】 。為了得到阻抗頻譜值，采用全相位頻譜分析方法，求取被測阻抗的頻率響應，從而實現(xiàn)對電 阻抗模型的多頻率同步快速測量 。本文選用了一種用電流源激勵的無創(chuàng)傷的四電極法測量生物電 阻抗的方法，設計了一套高速采集系統(tǒng)，對 采集 數(shù)據(jù)進行了算法處理，得出電阻抗值。全文主要包括以下幾個部分： m序列的性質(zhì)。 ，并對整個測量系統(tǒng)進行標定，分析測量結(jié)果的誤差。 生物組織和器官的電阻抗信息 與 生物組織和器官的功能信息是緊密聯(lián)系的，所以在研究 生物組織和器官的功能信息中捕捉生物電阻抗的信息有重要意義，生物電阻抗的信息中包含 著 生物生理、病理的信息。 BIS 測量 技術(shù)能夠反映出生物各種組織中細胞結(jié)構(gòu)的電特性 ，反應的是生物體微觀領域的特征，從它的開始研究就是基于生物組織器官檢測和疾病 的 診斷與防止 。 在 BIS 測量 發(fā)展 的 初期，單頻 的測量 模式 應用的比較多 ， 它是 用一種頻率下的信息研究生物組織的相關(guān)信息 。 現(xiàn)階段，多頻率 成分 的測量模式 有 了一定程度的發(fā)展 ， 混頻測量模式 就是選用的一種，它在 BIS 研究 測量方面 有突出的應用價值 。 最簡單的多頻率同步信號是矩形脈沖 ， 清華大學 的 董恩生等提出了用 脈沖法測量 電阻抗譜 的思路 【 27】 ，緒論 3 但是 通過實驗得出其 能量 的 主要 成分 在主基頻上，隨著頻率 的 增大，脈沖 信號 中正弦分量的幅值 會 衰減 ，而且 很快 。 本文的研究思路及內(nèi)容 本文以 m序列偽隨機信號作為測量生物電阻抗的激勵源模型，設計了一套基于 FPGA的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)并建立一整套基于相關(guān)檢測算法的 BIS 多頻率同步快速測量 算 法，實現(xiàn)多個頻率點 BIS 的同時快速 的 測量，即實現(xiàn) BIS 的瞬時掃描測量。再次說明了本文的設計難點。 如果在小于一個周期的范圍內(nèi)觀察二進制的偽隨機信號，有很多地方與隨機信號相同： （ 1） 在隨機二進制信號中，兩種狀態(tài)出現(xiàn)的次數(shù)統(tǒng)計基本相等，而偽隨機信號兩種狀 態(tài)的次數(shù)相差一次。在近年的發(fā)展中應用到了自動控制、計算機、光學測量、故障檢測等領域 【 3538】 。 m 序列有一個重要的性質(zhì)，序列和它移位后的序列經(jīng) 過 模二相加后所得到的序列仍然是 m序列的某個移位序列。例如，有一個 m序列為 4 階，即 n=4，則 Ns=2，即四階的 m序列有兩個本原多項式，下面給出了不同階數(shù) m序列本原多項式的數(shù)目。如果線性反饋所分布的級次是恰當?shù)模莆患拇嫫鞯臓顟B(tài)必然經(jīng)歷 21n? 個狀態(tài)后才會循環(huán)。 如果 特征多項式 f(x)是本原多項式的話 ， 那么 它 所對應的移位寄存器電路就 產(chǎn)生 了 m序列，如果加、減法 是 采用模 2 運算 實現(xiàn)的話 ，那么 ( ) 1/ ( )g x f x? 就 表示 所產(chǎn)生的 m 序列，這個序列各位的取值按 g(x)自低至高的冪次的系數(shù)。 以 5 階 m序列為例，其中， N=31。由于 m序列在 時 域里只包含兩個電平信號，方便實現(xiàn)。然后對 m 序列的定義，性質(zhì)以及產(chǎn)生原理做了一個詳細的說明。 生物電阻抗測量是一種無創(chuàng) 傷 測量方法， 一般采用 “電流驅(qū)動電壓測量”模 式 ，即就是 借助置于 生物 體表的電極向被測對象注入微小的交流 電流 激勵信號 I，檢測相應的響應 電壓 信號 U。其電阻抗測量系統(tǒng) 如 圖 32 所示： 圖 32 基于 m 序列激勵的阻抗 頻譜 測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 Fig. 32 Illustration of impedance spectrum measurement system which is based on the m sequence incentive 下面將重點介紹一下整個 系 統(tǒng)硬件平臺的設 計與測試，關(guān)于生物電阻抗測量原理中的相關(guān)檢測算法將在下一章中會做一個詳細的說明。電源設計中即使是普通的直流到直流轉(zhuǎn)換器的設計都會很容易出現(xiàn)一系列問題，尤 其在功率比較大的電源設計中更是如此。放置一個 到 的去耦電容在電源接入電路板處，濾除高頻的頻率 。數(shù)字電路 和 模擬電路 是 單 點 共 地， 數(shù)字電路 部分 的頻率 相對較 高，模擬電路 部分 的敏感度 相對較 強， 所以 高頻 率的 信號線 要 盡 量 布置 的離模擬電路器件遠些。 圖 39 激勵源電流驅(qū)動電路 的 設計 Fig. 39 Design of circuit which is drived by excitation source current 通過 FPGA 產(chǎn)生的 m 序列 經(jīng)過單雙極性 的 轉(zhuǎn)換電路 模塊 和電壓控制 的 電流源 電路 模塊產(chǎn)生所需要的激勵信號源，下面將介紹這兩個模塊的設計。本系統(tǒng)由 FPGA 輸出的 VFPGA 是 單極性 的 電壓信號， VFPGA經(jīng) 過 單雙極 的 極 性轉(zhuǎn)換 電路 模塊后輸出的 VOUT 是 雙極性 的 電壓信號 ， 此信號 經(jīng) 過 電壓控制 的 電流源 電路 模塊， 得到需要的電流 信 號 。 104C1210uHL1104C1310uHL2D+5VDGNDA+5VAGND 圖 38 模擬電源和數(shù)字電源的關(guān)系 Fig. 38 The relationship between the analog and digital supplies 以上就是電源模塊的設計，還有一點要強調(diào)，在電源地線的處理中， 除了要 在電源 和地線之間加上去耦電容 外 ， 還要 盡量 的要 加寬電源 線 和 地線 的 寬度，最好是地線 要 比電源線寬， 可以通過覆銅 來 加大地的面積 。所選的 DCDC 模塊是把 12V 的直流電轉(zhuǎn)換成 5V 和 +5V 的直流電，選擇的 DCDC 模塊的型號為 WD1012D05 和 WD1012S05，數(shù)字電路只需要正電源，故選擇單極性輸出的 DCDC 模塊，而模擬電路的供電需要正電源和負電源，所以選擇雙極性的DCDC 模塊，由于系統(tǒng)所需的電源模塊有幾個電壓級別，選用三端穩(wěn)壓管對 DCDC 輸出西安理工大學碩士學位論文 18 的電壓進行轉(zhuǎn)換，從而完成對系統(tǒng)供電系統(tǒng)的滿足。 測量平臺及各模塊的介紹和測試 基于 m 序列的生物電阻抗快速測量平臺的設計將從電源模塊、信號激勵源模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)緩沖模塊、 FPGA 前 端 控制模塊 【 50】 、 STM32 后端控制模塊 【 51】 、四電極電纜驅(qū)動模塊入手，對各個模塊進行介紹和測試，完成整個平臺的構(gòu)建。 系統(tǒng)對 m 序列和檢測電壓進行雙通道同步采 樣 ， 建立一整套基于 相關(guān)檢測原理 的生物電阻抗頻譜 （ BIS） 多頻率同步快速 測量 方法 相對應的 BIS 測量系統(tǒng)， 實現(xiàn) 多 個頻 率 點BIS 的同時 快速 測量，即實現(xiàn) BIS 的瞬時 掃頻測量 。但是，生物組織中除了純電阻效應，還有部分電容（容抗）效應。 圖 26 m 序列的產(chǎn)生 Fig. 26 The generation of m sequence FPGA 產(chǎn)生的只是一個基于 m 序列的激勵源模型， 關(guān)于整個平臺的激勵信號源電路的設計將在下章中做詳細的介紹。 m 序列的譜線個數(shù)和帶寬靈活可調(diào)，當 N 不變， Δt 變化時，帶寬 fN 譜線間距 f0 均與 Δt 成反比，但是帶寬內(nèi)譜線數(shù)目和強度不變。 m序列的周期為 N=2n1，其自相關(guān)函數(shù)是三角脈沖，當 N→∞ 時自相關(guān)函數(shù)接近白噪聲的自 相關(guān)函數(shù) δ(τ)， m序列具有偽隨機性質(zhì)。 我們 稱 f(x)為特征多項式。所以，移位 寄存器的狀態(tài)可以是 不 全 為 0 的 21n? 狀態(tài) 中的一個 。相應的雙極性波形 可表示 為 ( ) ( )nc t a t nT??????? () 其中 ， ( ) ( 1,1)at?? () 取 m序列的一個周期 ， c(t)的歸一化自相關(guān)函數(shù)為 01( ) ( ) ( )Tr c c t d tT? ? ?? ? ?? () 如果令 1 1()0cT cN Tr NT? ???? ????? ??? ????? ??? ????， 其 他 () 則 ? ? ? ? ? ?111Tnr r n T rNN? ? ??? ? ?? ? ? ? ?? () 其中 ， 1 ( ) ( )Tnr r n T????????? () 由于 c(t)的功率譜密度 G(ω)和 r(τ)互為傅里葉變換，所以有 西安理工大學碩士學位論文 10 ? ? ? ?1 1( ) ( )G F r F r F N? ? ? ??? ? ??? ???? ?? () 周期性函數(shù) r1(τ)可以展為傅里葉級數(shù) ? ?010 2,j n tnnr F e T? ????? ??? ? ?? () 其中， ? ??? ??? 22 101TT tjnn dterTF ?? ? ? ? ?0011j n tTT nr e d t F rTT? ????? ? ???? ? ? ????? () 可以計算 ? ?? ? ? ? ? ?? ? ? ?? ????? ???? ???? n n Tn nrFTnFrF 001 22 ?????????? ? ? ? ?2021 2c N T S a T nTN? ? ? ? ??? ? ??????????? () ? ?12FNN? ???????