基于MSP430F149的阻抗测量系统设计

引言

医学阻抗测量是利用生物组织与器官的电特性及其变化，提取与生物体生理、病理状况相关的生物医学信息的一种检测技术。它通常借助于驱动电极向检测对象送入一微小的交变电流(或电压)信号，同时测量两极的电压(或电流)信号，从而计算出相应阻抗，然后应用于不同目的。

不同组织的阻抗值也不相同，因此阻抗可以作为区分不同组织的一项重要指标；同时随着生理活动的变化，同一组织阻抗值也会发生改变，因此阻抗可以作为检测组织是否发生病变的一个依据。

生物组织的阻抗受多种因素影响呈现出各种特性，其中最主要的就是它的频率特性。本设计通过MSP430F149控制AD9852产生不同幅度、不同频率的正弦波。该正弦波经过滤波、放大后作用于人体，通过测量电压信号U和电流信号I，且令K=U／I，计算出K，然后根据R—K曲线(此曲线由不同阻值的固定电路R与相应K之间的关系拟合所得)解析式求出阻抗。本设计可根据不同的目的获取各自相关信息，同时本设计不受幅度、频率限制，还可用于研究生物组织的幅频特性。

本设计利用MSP430F149自带的串口通过RS485进行远距离实时传输，上位机可将实时数据进行曲线绘制、数据保存等处理。

1 系统结构

系统采用TI公司的MSP430F149单片机。该单片机有60 KB Flash、2 KB RAM，具有强大的数据处理能力。单片机通过向AD9852发送频率字、幅度字从而控制正弦波的频率、幅度。正弦波经过电流转电压、功率放大等电路作用后，经过线圈T1隔离作用于人体，同时由线圈TFl和T2感应出的电流、电压相对量，经过程控放大器和真有效值转换后，进入单片机，进行A／D转换。单片机根据电流、电压值计算出电阻，再通过串口传输给PC机。其系统结构框图如图1所示。



2 硬件电路

2．1 单片机控制AD9852电路

如图2所示，单片机P1．O～P1．7，通过复用与AD9852数据、地址引脚相连，P2．3～P2．7与AD9852五个较重要的控制引脚相连接。单片机主要是通过向DDS输出幅度字、频率字来控制AD9852产生的正弦波的频率和幅度。



2．2 电流、电压测量电路

图3所示为电流测量电路原理。为了在不同幅度下都能准确测量电流，在峰一峰值转有效值电路前加了一片程控放大器，单片机通过输出增益控制使得即使前端电压很小时也能将其提高到一定程度，达到准确测量的目的。同样，在电流测量电路中，也使用了同样的原理图。



2．3 RS485电路

图4所示的单片机与RS485通信转换电路中，通过3个光耦器件对单片机电路和RS485总线进行隔离，提高系统的抗干扰能力。采用SP485E来支持 RS485串行协议，但由于SP485E的工作逻辑是TTL电平，而RS232通信的逻辑电流不是TTL电平，需要通过SP232器件进行电平转换，如图 5所示。RS485工作在半双工通信状态，通过CTR485控制数据的输入／输出方向。



3 软件设计

本系统的软件用C语言编写，在IAR EmbeddedWorkbench环境下进行编写、调试，其软件流程如图6所示。单片机软件主要分为两部分，一部分通过控制AD9852产生正弦波，同时对电压、电流进行A／D转换，进而进行计算，其流程如图7所示；另一部分将采集来的数据传输给PC机，软件流程如图8所示。



4 实验结果

实践证明，正弦波幅度对阻抗幅度值影响较小；而频率对阻抗幅度值影响较大。用鸡蛋清实验时，发现随着频率增大，阻抗值减小，并且蛋清浓度越高阻抗越大。当正弦波频率为440 kHz时，通过程控放大器将电流电压调整在O．7 ～2．5时，无感电阻与电压、电流比值的关系如图9所示。



图中横坐标为U/I，纵坐标为R／10。由图可见，在误差允许的范围内二者呈近似线性关系。

结语

本设计提供了一种人体阻抗测量方法，可作为医疗仪器的辅助功能，为组织诊断等提供一定的参考，可移植于不同应用。设计中采用MSP430系列单片机，引脚相对较多，存储空间相对较大，为后续应用开发提供了保障。

参考文献

   1. 沈建华 MSP430 系列16位超低功耗单片机原理与应用 2004
   2. 马丽 DDS 芯片AD9852及其应用 [期刊论文] -国外电子测量技术2003(5)
   3. 杜红.祖静 直接数字频率合成器AD9852的原理及应用 [期刊论文] -科技情报开发与经济2005(9)
   4. 广州周立功单片机发展有限公司 SP485E 在电能表通讯中的应用

作者：西安电子科技大学 刘丽萍  朱天桥  杨格亮
来源：单片机与嵌入式系统应用 2008 (12)