【正文】 ce analysis 在前面的分析和上圖中，我們可以得出一些結(jié)論：因?yàn)?m序列的自相關(guān)函數(shù)接近 δ(τ)，對于一個(gè)未知的線性系統(tǒng)，若輸入信號是 m 序列，則在一個(gè)周期內(nèi)計(jì)算輸入信號與系統(tǒng)輸出信號的互相關(guān)函數(shù)，就可以獲得系統(tǒng)的沖擊響應(yīng)，進(jìn)而通過傅里葉變換得到系統(tǒng)的頻率響應(yīng)。 西安理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 14 激勵(lì)信號源的設(shè)計(jì)思路 通過前面的介紹和分析，要想產(chǎn)生 m序列首先要選擇本原多項(xiàng)式，這使得研究 m序列更為方 便。 生物電阻抗快速測量平臺的構(gòu)建 15 3 生物電阻抗快速測量平臺的構(gòu)建 生物電阻抗的研究需要一個(gè)硬件平臺，前面介紹了激勵(lì)信號源的選擇，生物電阻抗的測量平臺首先要建立一個(gè)基于 m 序列的電流激勵(lì)信號源，其次這個(gè)平臺需要能對激勵(lì)信號 m 序列和電阻抗響應(yīng)信號的數(shù)據(jù)同步采樣，所以要有 一個(gè)雙通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)?；谏鲜鲈?，生物阻抗測量的硬件系統(tǒng)采 用“電流驅(qū)動(dòng)電壓測量”的 方式。 本文設(shè)計(jì)一套生物電阻抗快速測量的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，同時(shí)能夠完成兩路信號 的 同步采 樣 ，并對采樣的所有數(shù)據(jù)進(jìn)行正確的存儲。另外， 為了保證系統(tǒng)的設(shè)計(jì)性能 ，電源產(chǎn)生的電磁干擾（ EMI）必須足夠低。 模擬電源的設(shè)計(jì) 模擬電源主要是供給激勵(lì)電流源模塊，電纜驅(qū)動(dòng)模塊和 AD 模塊的，由于運(yùn)算放大器要用雙電源，所以這部分電源要提供正電源和負(fù)電源模塊，三端穩(wěn)壓管選擇 LM1117 系列，其輸出電流能達(dá)到 ，能夠滿足設(shè)計(jì)要求，具體的設(shè)計(jì)電路如 圖 34 和 圖 35 所示。 用 FPGA 產(chǎn)生信號源的話，由于器件本身的 電平 所決定，輸出 的 信號為 峰峰值 是 單 極性 m序列 。在本設(shè)計(jì) 中 的電路如 圖 310 所示，選用了芯片的通道 1，單極性的 m序列（圖中 VCCS 端）經(jīng)過通道 1 的數(shù)字控制端 A，通道 1 的兩個(gè)輸入端 X0 和 X1 分別接 到﹣ 1V 和 ﹢ 1V 的基準(zhǔn)電壓，當(dāng) 。為了克服不足，把單極性的信號轉(zhuǎn)變成雙極性的信號，設(shè)計(jì)中選擇了模擬開關(guān)芯片74HC4053，實(shí)現(xiàn)了單極性的電壓信號到雙極性的電壓信號的轉(zhuǎn)變。在用三端穩(wěn)壓管時(shí)， 的輸入是 3V的輸出，所以選擇了 AMS1085 器件，其輸出電流可以達(dá)到 3A,能滿足設(shè)計(jì)要求，具體原理設(shè)計(jì)如 圖 36 和 圖 37 所示。 生物電阻抗快速測量平臺中，主要器件都是直流電壓源供電，電壓并不大，是低電壓供電范圍，在系統(tǒng)中既有模擬電路器件，又有數(shù)字電路器件，器件數(shù)目比較多，所以功耗問題是一個(gè)重要的問題。 AD 可以選擇LTC2298，它是雙 通道 同時(shí)能采集的 14 位 AD,采樣率能達(dá)到 65M,用 FPGA 做 AD 采集的控制，并且用外擴(kuò)的存儲器作緩存器，整個(gè)系統(tǒng)用 STM32 系列的 ARM 作控制中心，實(shí)現(xiàn)按鍵控制、串口通訊、顯示及大量數(shù)據(jù)的存取。 在四電極測量系統(tǒng)中， 供電電極 和 測量電極 相 分離， 把 測量電極 置于 電流 的 密度均勻 分布 的中間段， 如果 用高輸入阻抗的 運(yùn)算 放大器時(shí)，被測組織 和 測量電極 間的接觸電阻可以忽略不計(jì)，生物組織電解液和 電極 之間的極化 現(xiàn)象 也可以忽略不計(jì)。再次硬件平臺還需要對所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，并能實(shí)現(xiàn)一些簡單的控制和顯示 。 根據(jù)本原多項(xiàng)式由 FPGA 生成本文的 m序列 【 4143】 ，整個(gè)設(shè)計(jì)流程如 圖 26 所示， m序列產(chǎn)生的移 位時(shí)鐘由外接的有源晶振提供，再有 FPGA 系統(tǒng)經(jīng)過鎖相環(huán)和分頻器獲得移位寄存器所需要的時(shí)鐘，用 D 觸發(fā)器級聯(lián)的辦法形成移位寄存器，并根據(jù)本原多項(xiàng)式設(shè)計(jì)初值和級數(shù)。 m 序列的功率譜 是 離散的，譜線間隔為 m 序列的基頻 f0=1/T=1/(NΔt),其中 Δt 是產(chǎn)生 m 序列的線性移位寄存器的時(shí)鐘周期，也是碼元寬度，功率譜包絡(luò)為 sinc2(π f/fN), fN 為有效帶寬，是功率譜第一個(gè)零點(diǎn)也是 第 N 個(gè)譜線，fN=Nf0=1/Δt,半功率帶寬為 fC，約為 fN。 通過很多人的研究 將常用 的 本原多項(xiàng)式 統(tǒng)計(jì)下來 ，如在 表 22 中 是 一部分 本原多項(xiàng)式 。用一個(gè) n 階的多項(xiàng)式 f(x)表示 移位寄存器 ，多項(xiàng)式的 0 次冪系數(shù)為 1， 如果 k 次冪 的 系數(shù)為 1 就表示 第 k 級移位寄存器 選成了 反饋線，否則 不是 反饋線。 不管在 哪 個(gè)時(shí)刻觀察寄存器的狀態(tài) ，都是 2n 個(gè)狀態(tài)之一，每一 個(gè) 狀態(tài) 都 代表 了 一個(gè) n 位的二進(jìn)制數(shù)字。 m序列的研究和激勵(lì)信號源的設(shè)計(jì)思路 9 圖 22 四階 m 序列自相關(guān) Fig. 22 Fourth Order m sequence autocorrelation 可見， m序列的周期為 N=2n1，其自相關(guān)函數(shù)是三角脈沖，當(dāng) N→∞ 時(shí)自相關(guān)函數(shù)接近白噪聲的自相關(guān)函數(shù) δ(τ)，這表明 m序列具有典型的偽隨機(jī)特性。它的兩種狀態(tài)出現(xiàn)是均衡的 ，這是 m序列一個(gè)明顯的特點(diǎn)。本文選用偽隨機(jī)信號 當(dāng)中 的 m序列作為研究生物電阻抗的信號源模型。 偽隨機(jī)信號的介紹 偽隨機(jī)信號是一種周期比較長的信號，如果觀察的時(shí)間是大于一個(gè)周期的，那么偽隨機(jī)信號就是一個(gè)確定的周期信號，如果觀察的 時(shí)間是小于一個(gè)周期的，那么偽隨機(jī)信號就貌似一個(gè)不確定的信號。 求取基于全相位 FFT 算法的被測阻抗頻率響應(yīng) 上一步得到的結(jié)果是被測阻抗的時(shí)域沖激響應(yīng)，為了得到阻抗頻譜值，必須再對時(shí)域沖激響應(yīng)進(jìn)行傅立葉變換，才能得到被測阻抗的頻譜值。因此 ，本文研究了一種多頻率同步信號的快速測量方法，可以實(shí)現(xiàn) n 個(gè)頻點(diǎn)阻抗的同時(shí)測量。第四軍醫(yī)大學(xué)的史學(xué)濤 、尤富生 等 人 利用數(shù)字 電路 合成 芯片 的方法 產(chǎn)生 了四路頻率 不同 的正弦波的合成 和研究 【 26】 。 隨著生物電阻抗 技術(shù) 研究的發(fā)展，有人提出了單頻的分時(shí)測量思路，用兩個(gè)或者兩個(gè)以上頻率的信號做激勵(lì)源對生物電阻抗的信息進(jìn)行提取， Warsaw 理工大學(xué)的 以及 等學(xué)者 研制出了多頻率 BIS 測量系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了生物電阻抗幅值的提取。 其主要原因是 BIS 測量儀器一直存在數(shù)據(jù)可靠性、可重復(fù)性 差 等問題，從而制約了 BIS 技術(shù)在醫(yī)學(xué)臨床上的 推廣 應(yīng)用 。 目前 來講 ，傳統(tǒng)的 BIS 測量方法大部分是 集中于 基于分時(shí)單頻技術(shù) 【 3】 ，即 每次 產(chǎn)生的激勵(lì)信號 只 有 一種頻率、 通過 連續(xù)多次 改變頻率 來完成阻抗測量，這種測量方法比較靈活， 并能夠 保證較高 的 精度，但是需要多次改變測量頻率， 測量 速度相對較低；同時(shí)，在不同頻點(diǎn)切換測量時(shí)，新的電阻抗信息 的建立 需要較長時(shí)間， 但是 生物體的組織 和器官 狀態(tài)是動(dòng)態(tài)變化的， 生物體阻抗信息不能夠及時(shí)的捕獲， 因此分時(shí)單頻測量技術(shù)不能準(zhǔn)確測量生物體某具體時(shí)刻的電阻抗信息 【 4】 。 synchronous sampling。 系統(tǒng)以FPGA 邏輯可編程芯片和 STM32 微 處理器為核心， 主要 設(shè)計(jì)了電源模塊、激勵(lì)信號源模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)緩 存 模塊、 FPGA 前端控制模塊和 STM32 后端控制模塊。摘要 I 論文題目 ：基于 m 序列的生物電阻抗快速測量方法研究 學(xué)科 名稱 ：精密儀器 及 機(jī)械 研 究 生 ：劉 偉 簽 名： 指導(dǎo)教師 ：楊宇祥 副 教授 簽 名： 摘 要 生物電阻抗 頻譜（ BIS）是指在生物組織中表現(xiàn)出的電阻抗特性 (包含阻性和容性 )隨著加載電信號頻率的改變而發(fā)生變化的特性。 ，本文設(shè)計(jì)了一套基于 FPGA+ARM 的快速測量系統(tǒng) 。 bioelectrical impedance。作為測量一定頻率范圍內(nèi)生物材料復(fù)阻抗的測量方法，生物電阻抗譜已經(jīng)成為監(jiān)測生物組織生理狀態(tài)的一個(gè)重要指標(biāo)。但是，這些成果目前大部分成果都在實(shí)驗(yàn)階段 ，沒有向臨床應(yīng)用轉(zhuǎn)化。 在國內(nèi)，劉靜明等人也做了相關(guān)實(shí)驗(yàn) 【 23】 。天津大學(xué)的 教授 王超老師用直接數(shù)字 電路 合成（ DDS）芯片產(chǎn)生兩路同相 但 不同頻 的 正弦波信號，然后通過差分運(yùn) 算 放 大器 實(shí)現(xiàn)了混頻 模式 【 25】 。 目前，文獻(xiàn)中報(bào)道了很多測量電阻抗 頻譜 的方法 ， 分時(shí)單頻技術(shù)不能準(zhǔn)確測量 物 質(zhì)的電阻抗信息， 多頻率混頻測量模式 硬件實(shí)現(xiàn)起來難度大，而且成本高，矩形脈沖法能量集中在主基頻，無法保證高頻阻抗的測量精度 。 研究基于快速傅里葉變換（ FFT）的快速相關(guān)檢測算法 基于 m序列激勵(lì)的 BIS 測 量是基于相關(guān)檢測原理，在 m序列 的 一個(gè)周期內(nèi)同步采樣得到的序列長度均為 2n1,其中的一個(gè)關(guān)鍵步驟需要計(jì)算 長度為 2n1 的序列之間的相關(guān)函數(shù)，本設(shè)計(jì)利用循環(huán)卷積與 FFT 之間的對應(yīng)關(guān)系，通過序列補(bǔ)零加長的方法，設(shè)計(jì) FFT的快速相關(guān)檢測算法，求取激勵(lì)電流與響應(yīng)電壓信號之間的互相關(guān)，即被測阻抗的時(shí)域沖激響應(yīng)（長度也為 2n1）。它的性質(zhì)決 定了在生物電阻抗研究中的價(jià)值，在硬件方面它也能實(shí)現(xiàn) 【 29】 。 在應(yīng)用中，偽隨機(jī)信號具有良好的隨機(jī)性和接近 于 白噪聲的相關(guān)函數(shù)，很容易從信號中分離出來，并且有很強(qiáng)的 抗 干擾能力 【 31】 ，在通信、數(shù)據(jù)加擾等方面有廣泛的應(yīng)用。 序列分布 的 均衡性 在 m序列的一個(gè)周期中，二進(jìn)制碼“ 1”和“ 0”的數(shù)目接近 于 相等，具體來說，“ 1”的數(shù)目要比“ 0”的數(shù)目多一個(gè)。 西安理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 8 圖 21 推導(dǎo) 示意 圖 Fig. 21 Illustration for formula derivation 當(dāng) iΔtτ(i+1) Δt 時(shí)， x(t)x(tτ)和橫坐標(biāo) 0~(N1)Δt 之間 夾的平均面積，等于 x(t)x(tiΔt)和橫坐標(biāo) 0~(N1)Δt 之間夾的平均面積，即前 面部分 移除后 面部分 區(qū)域的面積等于 前 面部分 移入 后 面部分 區(qū)域的面積，所以有 2( 1)xxaRNi t i t???? ? ? () 綜合上面的討論，偽隨機(jī) m信號 x(t)的自相關(guān)函數(shù)為 221[ 1 ( ) ] ()| | | ( 1 ) |xxNa t tNtRa t N tN?????? ? ? ??????? ? ? ??? () 在 N=15 的時(shí)候，繪制的 Rxx(τ)的波形圖如 圖 22 所示。它是周期最長并由 線性反饋寄存器產(chǎn)生 的 一種序列，原理如 圖 23 所示 ，圖中給出了 n 級 的 移位寄存器，把其中的若干級 通過求 取 模 2加法器 的方法 反饋到第 1 級。 圖 23 最長線性移 位寄存器的產(chǎn)生 Fig. 23 Generation of the longest linear shift register 西安理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 12 m 序列 的產(chǎn)生選擇 移位寄存器 ， 實(shí)現(xiàn)的重點(diǎn)在于用那幾級移位寄存器作為反饋級 。但是本原多項(xiàng)式 的尋找 是很難的 。并且，干擾信號和 m 序列的相關(guān)函數(shù)近似為 0，從而使互相關(guān)函數(shù)僅包含有用的 信息，極大的減小了干擾信號的影響，所以 m 序列對干擾信號具有極強(qiáng)的免疫性，對各種無意的干擾信號具有較強(qiáng)的抗拒性。本文后續(xù) 用 到了 10 階的 m 序列 和 5 階的 m 序列 ，選擇的本原多項(xiàng)式為3 10( ) 1f x x x? ? ?和 25( ) 1f x x x? ? ?。由于研究 的要求 是快速測量，所以采集速度要高些。 圖 31 生物電阻抗四電極測量原理 Fig. 31 Measurement principle of fourelectrode bioelectrical impedance 以 FPGA 生成的 m 序列 偽隨機(jī)信號作為測量激勵(lì)源， 激勵(lì)源作為一對電極，激勵(lì)源將作用于生物電阻抗體或電阻抗模型產(chǎn)生響應(yīng)，響應(yīng)信號的輸入端口作為一對電極，這樣就有兩對電極，即用四電極法來完成對生物電阻抗的測量， 四電極最早用于測 量 物質(zhì)的電阻率當(dāng)中 【 45】 ， 如 圖 31 所示， 一對驅(qū)動(dòng)電極將 交流 電流 I 接到 生物組織 中 ，另一對測量電極介于兩驅(qū)動(dòng)電極之間， 測出生物組織被測部分的電位差 U。測試平臺的系統(tǒng)框圖如 圖 33 所示： 采集系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)對激勵(lì)信號和響應(yīng)信號的兩路同步采樣，本設(shè)計(jì)選用采樣率較高的采集方法，其一是為了實(shí)現(xiàn)快速采樣，其二是為了減小采樣信號的混疊現(xiàn)象。不過，電源的電磁干擾水平卻是設(shè)計(jì)中最難精確預(yù)計(jì)的。 AGNDVin1+Vin2+Vout13COM4Vout25U2WD1012D05AGNDA+5VA5V IN3OUT2GND1TAB4U5LM1117MP3104C10104C1110uFC810uFC9AGNDA+5VA+3VAGND 圖 34 模擬電源 DCDC 模塊 圖 35 3V 模擬電源模塊 Fig. 34 Analog power DCDC module Fig. 35 3V analog power module 數(shù)字電源的設(shè)計(jì) 數(shù)字電源主要供給的是 SRAM 器件、 FPGA 器件、 ARM 器件，用正電源就可以了。電壓是直流，會導(dǎo)致生物體內(nèi)產(chǎn)生 極化現(xiàn)象 ，對測量精