《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于Walsh函數(shù)的同時(shí)多頻信號(hào)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)
來源：電子技術(shù)應(yīng)用2013年第6期
趙進(jìn)創(chuàng)，李賢宇，邱 斌，傅文利
廣西大學(xué) 計(jì)算機(jī)與電子信息學(xué)院，廣西 南寧530004
摘要： 為獲得不同組織、器官在同一時(shí)間不同頻率下的阻抗值，設(shè)計(jì)了一套基于Walsh函數(shù)的同時(shí)多頻信號(hào)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。設(shè)計(jì)中選用AD9240作為A/D轉(zhuǎn)換芯片，利用Cyclone IV EP4CE115F29C7N FPGA構(gòu)造FIFO作為采樣數(shù)據(jù)的緩存器，通過串口將FIFO中的數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)進(jìn)行波形的恢復(fù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)能正確采集同時(shí)多頻信號(hào)。
中國(guó)分類號(hào)： TH873.7
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
文章編號(hào)： 0258-7998(2013)06-0024-03
Design of a multi-frequency-one-time signal acquisition system based on Walsh function
Zhao Jinchuang，Li Xianyu，Qiu Bin，F(xiàn)u Wenli
College of Computer and Electronics Information，Guangxi University，Nanning 530004，China
Abstract： To acquire the impedance of different tissues and organs at the same time in different frequency, this paper designs a multi-frequency-one-time(MFOT) signal data acquisition system base on of Walsh function. In the design, AD9240 is selected as sampling ship, Cyclone IV EP4CE115F29C7N FPGA is used to constructe FIFO as sampling data buffer. The data in the FIFO is transferred to the computer through the serial port to realize waveform recovery. Experimental results show that the data acquisition system can acquire the multi-frequency-mixed signal correctly.
Key words : Walsh function；multi-frequency-one-time；FPGA

    同時(shí)多頻生物電阻抗測(cè)量技術(shù)MFOT-BEIT(MFOT Bioelectrical Impedance Measurement Technology)依據(jù)人體不同組織、器官具有不同阻抗的原理，通過體表電極同時(shí)注入微小的安全混頻激勵(lì)電流檢測(cè)電極測(cè)量組織表面的電壓，通過測(cè)得的電壓信號(hào)計(jì)算出組織或器官的阻抗變化[1]。MFOT技術(shù)能克服多頻分時(shí)測(cè)量時(shí)受組織、器官內(nèi)血流變化影響的不足，是目前的研究熱點(diǎn)。為滿足生物電阻抗測(cè)量系統(tǒng)同時(shí)多頻激勵(lì)的要求，目前已出現(xiàn)了的多種同時(shí)多頻激勵(lì)源，基于Walsh函數(shù)的同時(shí)多頻混合信號(hào)激勵(lì)源就是其中的一種[2]。因Walsh函數(shù)激勵(lì)源易于用FPGA硬件實(shí)現(xiàn)同步信號(hào)生成，所以是一種很有發(fā)展前景的MFOT激勵(lì)信號(hào)發(fā)生器。

    為了采樣基于Walsh函數(shù)的同時(shí)多頻信號(hào)，本文設(shè)計(jì)了由Cyclone IV EP4CE115F29C7N FPGA和高速A/D轉(zhuǎn)換器AD9240構(gòu)成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)能對(duì)輸入的信號(hào)進(jìn)行正確采樣，并在計(jì)算機(jī)上恢復(fù)出其原始波形。

    初始信號(hào)首先經(jīng)過由OPA657構(gòu)成的電壓跟隨器，減小輸出阻抗，以提高電路帶負(fù)載能力；信號(hào)通過A/D驅(qū)動(dòng)器和高速采樣芯片AD9240，實(shí)現(xiàn)電壓的模/數(shù)轉(zhuǎn)換；采樣后的數(shù)據(jù)緩存至FIFO，然后進(jìn)行一些簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)預(yù)處理，最后通過串口傳輸?shù)接?jì)算機(jī)進(jìn)行波形的恢復(fù)和阻抗的計(jì)算。
3 系統(tǒng)主要模塊設(shè)計(jì)
3.1 采樣電路設(shè)計(jì)
    采樣電路如圖3所示。電路以AD9240為采樣芯片。AD9240是一款14 bit并行輸出、轉(zhuǎn)換速率最高可達(dá)10 MS/s的模/數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，具有采樣精度高、轉(zhuǎn)換速度快、功耗低的特點(diǎn)[3]。AD9240在差分輸入時(shí)性能是最佳的，故本系統(tǒng)采用差分放大器AD8138作為AD9240的驅(qū)動(dòng)。

    本系統(tǒng)采用內(nèi)部參考電壓，將AD9240引腳SENSE與引腳REFCOM直接相連，可以將輸入電壓范圍設(shè)定為-2.5 V～2.5 V。
3.2 FPGA設(shè)計(jì)
    本系統(tǒng)中FPGA采用Altera公司生產(chǎn)的Cyclone IV EP4CE115F29C7N，它的主要作用是產(chǎn)生采樣時(shí)鐘、存儲(chǔ)A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)以及實(shí)現(xiàn)串口通信。
3.2.1 采樣時(shí)鐘的產(chǎn)生
    設(shè)計(jì)中AD9240的采樣頻率由FPGA通過軟件分頻的方式產(chǎn)生，F(xiàn)PGA的最高系統(tǒng)時(shí)鐘CLK為50 MHz，實(shí)際使用時(shí)依據(jù)具體情況調(diào)節(jié)分頻系數(shù)即可得到合適的采樣頻率。圖4為FPGA輸出的采樣頻率波形。

3.2.2 FIFO設(shè)計(jì)
    FIFO的讀寫速度比較快，且讀寫方便[4]，故本系統(tǒng)通過FIFO來實(shí)現(xiàn)采樣數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。通過FPGA構(gòu)造兩個(gè)FIFO，前一個(gè)FIFO存儲(chǔ)采樣得到的數(shù)據(jù)，后一個(gè)FIFO存儲(chǔ)經(jīng)預(yù)處理后的數(shù)據(jù)。通過軟件算法對(duì)存儲(chǔ)在FIFO中的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理(如濾波等)，以減少后期處理的數(shù)據(jù)量。A/D采樣控制及FIFO存儲(chǔ)的FPGA原理框圖如圖5所示。
    采樣數(shù)據(jù)的輸入與FIFO的輸出波形如圖6所示。由圖6可知，F(xiàn)IFO能在寫信號(hào)的控制下存儲(chǔ)采樣數(shù)據(jù)，并能在讀信號(hào)的控制下讀取所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。
3.2.3 串口通信
      經(jīng)過預(yù)處理的數(shù)據(jù)需要通過FPGA的串口傳輸?shù)接?jì)算機(jī)上做進(jìn)一步的處理。本系統(tǒng)把串口設(shè)計(jì)成可同時(shí)收發(fā)的雙工串口，既可以由FPGA向計(jì)算機(jī)傳輸數(shù)據(jù)，也可以由計(jì)算機(jī)向FPGA發(fā)送系統(tǒng)的啟動(dòng)信號(hào)，其FPGA原理框圖如圖7所示。

 

 

4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)
      采樣數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)后，需將采樣的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為實(shí)際電壓的大小。由于AD9240是14 bit的A/D轉(zhuǎn)換器，且輸入電壓范圍設(shè)定為-2.5 V～+2.5 V之間，故數(shù)據(jù)換算關(guān)系如式（3）所示：
    
    實(shí)驗(yàn)中，Walsh函數(shù)信號(hào)源產(chǎn)生7階同時(shí)多頻激勵(lì)信號(hào)，信號(hào)是峰峰值為2.5 mA的恒定電流，信號(hào)基頻f0設(shè)為6 kHz，其他諧波信號(hào)分別為: 2f0=12 kHz，4f0=24 kHz，8f0=48 kHz，16f0=96 kHz，32f0=192 kHz，64f0=384 kHz，阻抗模型設(shè)為1.92 k?贅的純電阻，系統(tǒng)的采樣頻率設(shè)為6.25 MHz。測(cè)試結(jié)果如圖9所示。圖9（a）為由示波器顯示的原始信號(hào)波形圖，圖9（b）為采樣信號(hào)的波形圖。圖10（a）為原始信號(hào)的頻譜圖，圖10（b）為采樣信號(hào)的頻譜圖。由圖9和圖10可以看出，采集系統(tǒng)能正確地采樣Walsh函數(shù)產(chǎn)生的多頻激勵(lì)信號(hào)。

      本文設(shè)計(jì)了基于Walsh函數(shù)的同時(shí)多頻信號(hào)采集系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)能夠有效地采樣輸入的同時(shí)多頻信號(hào)，數(shù)據(jù)經(jīng)串口傳輸?shù)接?jì)算機(jī)后可以方便地恢復(fù)出原始波形。該系統(tǒng)滿足MFOT-BEIT的測(cè)量要求。
參考文獻(xiàn)
[1] 趙進(jìn)創(chuàng)，黎志剛，劉金花，等.生物電阻抗測(cè)量系統(tǒng)中同時(shí)多頻混合激勵(lì)源的設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2011，19(10)：2482-2484.
[2] Yang Yuxiang，Kang Minhang，Lu Yong，et al.Design of a  wideband excitation source for fast bioimpedance spectroscopy[J].Measurement Science and Technology，2011，22(1)：013001.
[3] 郭自勇，周有慶，吳桂清.14位并行A/D轉(zhuǎn)換芯片AD9240的應(yīng)用[J].中國(guó)儀器儀表，2003(5)：29-31.
[4] 高禮鐘.FIFO在高速采集系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電子測(cè)量技術(shù)，2005(1)：51-52.

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