嵌入式电阻抗测量系统研究*

陈晓艳,孙 良,褚猛丽

(天津科技大学电子信息与自动化学院,天津 300222)

嵌入式电阻抗测量系统研究*

陈晓艳*,孙 良,褚猛丽

(天津科技大学电子信息与自动化学院,天津 300222)

为提高阻抗测量的便捷性及数字化应用,基于ARM架构的S3C2440处理器和Linux3.0.4内核,研发了一套嵌入式电阻抗测量系统。系统采用AD5933作为阻抗传感器,利用I2C通信协议实现AD5933与S3C2440处理器之间的数据通讯,开发QT用户界面实现测量结果的显示,通过操作触摸屏实现阻抗参数的采集、显示、保存及曲线绘制等功能。实验结果表明图像重建质量较好,信噪比达65.6 dB,验证了系统软硬件设计的可靠性与稳定性。该研究有助于推动阻抗测量技术在数字化医疗及临床应用的发展。

电阻抗成像;嵌入式;AD5933;QT

生物医学电阻抗断层成像EIT(Electrical Impedance Tomography)是继形态、结构成像之后的一种新型无损伤医学成像技术[1-3]。与传统的成像技术相比,具有低成本、重复利用、无损伤、医学图像监护等优势,是当今生物医学工程学的重要研究课题之一。它利用不同组织、器官在不同生理、病理期的阻抗特性(电阻或电导)差异,实现疾病的诊断及监测[4-5]。目前,国内外学者围绕人体脑部[6]、胸部[7-8]、腹部[9]及乳腺[10]等感兴趣区(Region Of Interesting)进行深入研究,并取得一定成果。

目前,电阻抗测量系统大多以FPGA[11-12]、DSP[13]或PXI[14]总线控制器作为阻抗数据采集核心,被测数据通过串口或USB口上传至计算机,实现数据的处理及图像的重建。但在当前智能化数字化医疗的发展需求下,通过计算机屏幕将图像显示出来仍存在着移动与携带上的不便。因此本文研究一套基于嵌入式系统的电阻抗测量系统,通过在测量端实现阻抗参数的采集、处理与显示,实现了测量与显示一体化的便携式阻抗测量系统。

1 硬件电路

本系统以ARM架构S3C2440处理器为主控制器。首先通过I2C协议实现处理器与AD5933之间通讯,然后通过触摸屏上的功能按键完成阻抗参数的测量,并显示测量结果,最终在QT平台绘制数据曲线。图1所示为嵌入式测量系统的结构框图。

图1 嵌入式测量系统结构框图

本文构建了八电极嵌入式EIT系统,主控制器通过I2C总线控制每个电极,每个电极采用单片AD5933实现激励与测量。该系统的主要模块有电源模块、信号调理模块、I2C通信模块、数据采集模块、同步时钟模块、串口通信模块等。

1.1 信号调理模块

AD5933通过片内相位累加器(DDS)产生正弦激励信号注入被测场域,并通过片上ADC测量边界电压,然后经片上DSP进行离散傅里叶变换(DFT)处理,最终得到实部(R)数据和虚部(I)数据。激励电压是由AD5933输出正弦交流电压与直流偏置电压叠加而成,激励电压的幅值根据数据手册选用1.98Vp-p时,输出的直流偏置电压为1.48 V,而AD5933的电流-电压(I-V)放大器偏置电压VDD/2=1.65 V,因此存在电位差,导致测量结果不准确。为解决此问题,本系统采用以下措施,消除直流分量对阻抗测量精度的影响。首先在对VOUT输出电压进行高通滤波,消除直流分量影响,保证与测量端偏置电压一致,采用低输出阻抗CMOS运算放大器AD8606进行电压跟随,以消除输出阻抗对测量的影响。其次在VIN端外部设计I-V转换器,提高I-V转换精确度。该设计不仅避免极化现象带来的测量误差,而且扩大了AD5933内部ADC的动态范围,消除了偏置电流、失调电压的影响,优化了电路。

1.2 数据采集模块

本系统是八电极电阻抗测量系统,在1个采样周期里,激励芯片的激励端VOUT输出一路信号,经过电极注入被测场域后,由其余芯片的测量端采集响应电压。若第1号电极作为激励端,其余7个电极则作为测量端。在下一采样周期里,第2号电极作为激励电极,其他电极测量,又测得7组数据。依此类推,按照电极序号依次采集,直至第八号电极作为激励,其余电极完成测量为止,在每个采样周期里,电极的工作模式是唯一的,系统最终完成八电极的56组数据采集过程。嵌入式电阻抗测量系统可实现N(N-1)组数据测量,其中N为电极个数,利用这些所测量数据可进行图像重建。图2所示为电极数据采集简化图。

系统通过ADG711内置4个独立开关,选通每个电极工作状态,降低了激励信号与测量信号之间的相互影响,使得测量的数据更加精确。

图2 电极数据采集模块简化图

1.3 同步时钟输出模块

为保证八电极同步完成数据采集过程,采用12路AD9520-5芯片作为同步时钟,即可实现8片AD5933的同步控制。AD9520-5存在2种工作模式,模式一为低频模式,模式二为高频模式。由于AD5933系统时钟典型值为16.776 MHz,系统选用AD9520-5低频模式。AD9520-5没有内部VCO,通过外接晶振并经过AD9520内部DIV分频,设置分频系数以得到AD5933的激励频率,并确保了各路时钟的同步输出且输出频率相同。

AD9520内置EEPROM大小为512 byte,在断电时用来存储用户自定义寄存器文件,此文件用来提供上电和芯片复位时的默认设置。为了保证启动时正确加载EEPROM,在硬件电路外部加载RESET键(高-低-高脉冲信号),对AD9520-5起到及时复位的作用,保证数据采集过程更加准确。

2 软件设计

2.1 主程序设计

系统操作流程为:首先系统初始化,初始化后进入QT平台操作界面,通过操作界面来设置扫描参数、时钟频率、设置栈指针,然后选通电极工作模式,执行命令控制AD5933进行数据采集,采集完成之后进行数据处理,最终在显示区呈现当前所测阻抗实部、虚部及阻抗模值及相位信息,测量结果保存在FLASH。系统的初始化主要包括串口初始化、I2C接口初始化、USB接口初始化、SDRAM初始化、FLASH初始化以及LCD的初始化,系统主程序操作流程图如图3所示。

图3 主程序数据采集流程图

图4 I2C总线的位传输

2.2 I2C数据通讯

I2C总线有两条总线线路,一条是串行数据线(SDA),一条是时钟线(SCL)。SDA传输数据时SCL必须为高电平并保持稳定,SDA上的数据只能在SCL为低电平期间变化,如图4所示。I2C总线在传输AD5933采集的数据过程中,通过3种不同类型传输信号变化来判断数据传输的进度。

在八电极嵌入式EIT系统中,每片AD5933通过I2C兼容接口协议与S3C2440处理器进行通讯。由于AD5933不存在配置I2C设备地址的硬件接口,所以I2C总线与AD5933进行数据通信时,需要利用S3C2440处理器GPIO模拟8路I2C总线通信协议。GPIO中每2个I/O口与一片AD5933构成通讯通道,利用I2C总线完成处理器对AD5933的控制。图5为I2C数据通讯流程图。

图5 I2C数据通讯流程图

图6 QT阻抗分析软件主界面

2.3 QT界面开发

QT作为跨平台的C++GUI库开发出图像界面库。QT中不同类型对象信号与槽函数之间的关联,通过调用QObject对象的connect函数实现。QT中信号和槽机制替代回调技术以完成对象之间的通信,槽是一个可以被调用处理特定信号的函数。通常可以加入自定义的槽,本系统中通过加入自定义的槽,开发出属于本系统的用户界面如图6所示,从而更好处理目的信号。

本文设计开发QT平台用户界面,通过QT界面中设置键‘AD5933set’为8片AD5933初始化如图7所示,完成阻抗数据的采集之后,点击Start键调用采集得到的数据并绘制幅值曲线。界面中点击Set键中的‘AD933set’对八片AD5933进行初始化设置,由于设置参数差异以及采集数据量的不同,系统初始化时间就会有所不同。

系统将数据实时采集完成后,得到一组实部数值和虚部数值,校准之后,算出各扫描频率点的幅值和相位,便于图像重建算法调用。

图7 AD5933的初始化

3 实验及结果

系统实物如图8所示。被测对象选用直径15 cm、高25 cm的圆柱水槽,水槽内盛有电导率0.36 S/m、温度15 ℃的生理盐水,直径4 cm有机玻璃棒作为成像目标,水槽四周均匀分布8个直径4 mm的金属钛圆形点电极。

图8 嵌入式电阻抗测量系统

3.1 系统性能测试

系统信噪比SNR(Signal to Noise Ratio)进行测试,按式(1)计算

(1)

3.2 实验结果

本系统在COMSOL软件环境建立了仿真模型,求解得到灵敏度矩阵,将计算得到的幅值与灵敏度矩阵导入MATLAB编写的高斯-牛顿图像重建算法,进行成像。表1中4幅图展示有机玻璃棒在不同位置的成像效果。

表1 系统成像效果

从表1可以看出,本嵌入式阻抗测量系统能准确反映了有机玻璃棒的形状、大小及位置,可以看出聚焦性较好、伪影少、成像质量较高。

4 结论

本文构建了AD5933的八电极嵌入式阻抗测量系统,通过数据采集与开发QT界面,实现了测量与显示的一体化,反映测量数据的变化。经过建模、正问题求解及重建图像算法,最终实现了被测场域内物体的真实分布,验证了系统的可行性与可靠性。此外,该系统也可利用AD5933扫频功能,任选2个电极单独工作,实现100 kHz以下二端口阻抗数据的测量。本系统具有便携、成本低、操作简单等特点,但受S3C2440处理器的内存及计算资源的约束,在嵌入式系统上无法实现复杂的重建算法,仍需通过计算机实现。此外,该系统由一层8电极(1×8)搭建而成,数据信息量相对较少且限于二维成像。将来探究中可以增加电极数量与电极层数,如一层16电极(1×16)模式,数据量由原来的7×8=56增加到15×16=240,从而很大程度上改善图像重建质量;两层8电极(2×8)模式、两层16电极(2×16)模式实现三维断层截面成像,不仅提高成像质量而且丰富被测物体内部阻抗信息,使得嵌入式阻抗测量系统在未来科研与临床应用中得到充分的发挥,将测量、显示与成像的功能集成于一体,实现电阻抗成像系统的便携式和智能化。

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Research on Embedded Electrical Impedance Measurement System*

CHENXiaoyan*,SUNLiang,CHUMengli

(College of Information and Automation,Tianjin University of Science and Technology,Tianjin 300222,China)

Basedon S3C2440 processor and Linux3.0.4kernel,a set of embedded electrical impedance measurement system is developed based on ARM architecture,to improve the convenience and digital applications of impedance measurement. Using AD5933 as impedance sensor,through the I2C communication protocol the data communication between AD5933 and S3C2440 processor are achieved. The development of QT user interface achieves the display of measurement results,through the operation of touch screen to achieve the impedance parameters of the collection,display,store and curve drawing and other functions. The imaging results indicate that image reconstruction quality is good,and the SNR is 65.6 dB,and verify this system’s stability and reliability of software and hardware in design. This study can contribute to promote the application of digital medical technology in the clinical application of impedance measurement technology.

electrical impedance tomography;ARM;AD5933;QT

项目来源:国家自然科学基金项目(61301246);天津市应用基础及前沿技术研究计划项目(12JCYBJC19300)

2016-03-15 修改日期:2016-04-15

C:7310J

10.3969/j.issn.1005-9490.2017.02.034

TP212.14

A

1005-9490(2017)02-0430-05