学位论文-—基于arm的电阻抗成像系统激励信号源设计.doc

济南大学毕业设计毕业设计题 目 基于ARM的电阻抗成像系统 激励信号源设计 学 院 自动化与电气工程学院 专 业 电气工程及其自动化 二一三年六月八日- 1 -摘 要电阻抗成像技术EIT是一种主要应用于医学检查的新兴的成像技术。它在物体表面通过电极或磁场施加电流或电压，经过物体内部后，再测量物体的电参数，应用重组算法计算电参数的分布，得到物体内部结构的图像。本设计在分析研究国内外电阻抗断层成像技术现状基础上，了解了EIT的发展瓶颈和遇到的挑战。重点研究解决EIT的信号电源恒流激励源，设计出基于DDS芯片的信号发生模块和以ARM处理器为控制核心的简易信号源。本设计中的信号源将EIT的信号源频带拓宽到了MHz以上。在高频下将能提取更丰富的复阻抗信息，为实现多频EIT技术提供了可能。EIT激励信号源系统主要包括以下几部分：信号发生部分，包括采用DDS芯片组成的信号源硬件电路模块和VI转换电路模块；输出检测部分，用IO采集与正弦波同频率的方波来计数频率值，采用ARM自带的AD对电流值进行实测，然后将数据送给处理器显示；显示部分，采用128×64点阵式液晶显示屏实时显示设定值和频率电流实测值。 关键词: 电阻抗成像；多频恒流激励源；DDS；ARM应用ABSTRACTElectrical impedance imaging technology （EIT） is a kind of the new imaging technology being mainly used in medical examination. It inject electric current or voltage through the electrode or the magnetic field on object surface, after internal objects, measuring electric parameters of the object, using restructuring algorithm to calculate electrical parameters of the distribution, to calculate the internal structure of the image.In the analysis of research on the basis of domestic electric impedance tomography imaging technology, This design understands the development bottleneck of EIT and the challenges. This design focus on the EIT signal power supply-constant current source.It makes out a signal source based on DDS chip module and the ARM processor. The Signal source of EIT in the design has a frequency band above the 1MHz.under the high frequency we will be able to extract more complex impedance information, in order to realize multi-frequency EIT technology.The EIT signal source system mainly includes the following several parts: signal part, including the use of DDS chip source hardware circuit module and the VI conversion circuit module; Output detection part, IO acquisition and sine wave with the frequency of square wave is used to count frequency values, using ARM's own AD to measurement of current value, and then send data to the processor; Display part, using the 128 * 64 dot-matrix LCD to display realtime frequency and current value.Keywords：EIT；Multiple frequency constant current source；DDS； ARM application 目 录摘 要IABSTRACTII1 前言11.1 电阻抗成像技术（EIT）及其电源的国内外研究现状11.2 电阻抗成像技术的基本原理21.3 电阻抗成像技术的发展瓶颈及前景32 系统总体设计方案42.1 本设计主要解决的问题42.2 总体方案概述42.3 DDS技术的基础研究53 各硬件电路模块设计与相关芯片选型73.1 主控芯片ARM9处理器简介73.1.1 ARM9（S3C2440A）最小系统73.2 电源电路设计模块83.3 信号发生设计模块93.3.1 数字信号发生器方案设计93.3.2 直接数字式频率合成器DDS芯片的选定93.3.3 信号发生电路结构的设计113.4 输出检测模块的电路设计163.5 按键电路设计163.6 LCD液晶显示电路设计173.7 硬件原理图与PCB制图软件的简介194 程序设计及相关开发软件简介204.1 程序设计及开发环境介绍204.2 整体程序设计流程图214.3 按键扫描程序设计224.4 ARM控制AD9850信号发生程序234.5 频率检测和电流检测程序设计254.6 LCD12864液晶显示程序255 EIT激励信号发生器性能测试275.1 测试的前的准备275.2 测试步骤275.3 测试结果与数据分析28结 论30参 考 文 献31致 谢33附 录34附录一.电路原理图34附录二. 部分ARM程序37附录三. 部分实物图和其他使用到的软件48- 48 -1 前言1.1 电阻抗成像技术（EIT）及其电源的国内外研究现状电阻抗成像技术（EIT）是生物电阻抗成像技术(biologicalelectrical impedance imaging，BEII)的一个重要分支。其他有关于BEIT的成像研究包括：电阻抗层析成像(Electrical Impedance Tomography，EIT) 、磁感应电阻抗成像(Magnetic Induction Tomography ，MIT)、核磁共震电阻抗成像(Magnetic Resonance Electrical Impedance Tomography，MREIT)、磁声层析成像(Magneto-Acoustic Tomo- graphy ，MAT)、磁感 应磁声层析成像(Magneto-Acoustic Tomography with Magnetic Induction)等一系列生物电阻抗层析成像方式。生物医学作为二十一世纪的朝阳产业，而在医学成像研究领域，电阻抗成像已然成为21世纪的成像领域的热点。不仅如此，在工业监测、无损探伤等研究方面电阻抗成像也引起了工业界的集大关注。电阻抗成像与CT（x射线计算机断层成像）、核磁共振(MRI)相比有着卓越的优势。它较之于前一代无损成像技术（包括结构成像、形态成像）有着更为显著的特点，电阻抗成像因为只是在物体表面操作实施，所以无创伤；也不使用放射性射线，所以无损害；因为无创无损，所以可以多次反复重复测量使用；并且因为造价低廉，成像设备相对简单，操作方便，所以相关产品更易推广1。电阻抗成像技术按照激励信号源的不同，可以分为注入式电阻抗成像，感应电流式电阻抗成像，多频电阻抗成像三种主要方式。注入式电阻抗成像是最初的传统成像方式，因为皮肤的角质层阻抗很大，电极放于皮肤之上，阻抗信息将受到皮肤阻抗很大的影响，所以电极上要注入电流信息采集时要测量电压。故激励信号源应是恒流电源。现在大部分EIT系统采用16个电极，少数采用32或者64个电极的。随着电极数量的增加系统的分辨率、成像的质量也会相应的提高，但是相应的难度也会增加，数据量增大，重组算法也会更加复杂。感应电流电阻抗成像（MREIT）是一种新兴的无接触式的EIT成像技术，不同于传统注入式电极。MREIT只是在需要成像的物体的周围安装几个线圈，并在线圈上施加交变电流，以在目标物体内产生感应电流，再在物体表面的不同点设置若干电极测量不同电极间的电参数（电导率或电容率），然后进行算法重组图像处理分析。感应电流电阻抗成像的优点在于他把输入信号和检测信号隔离开来了，相互间的干扰大大减小了。多频电阻抗成像（Multi-frequency Electrical Impedance Tomography, MFEIT）是在传统注入式电极电阻抗成像的基础上进行的，他需要在一个电极上施加不同频率的电流，或者在不同位置组合的电极上施加电流，这就需要激励信号源能够很好地控制电流信号输出。另外，在多个频率下测得的物体的复阻抗信息更丰富，能够更好的对不同组织在不同频率下的状态分析，以确定是否正常或病变。还可以选择一个最适合的自己需要的复阻抗信息的频率来成像。国外的EIT研究历史长，涉及范围广，相对成熟，包括二维、三维EIT成像技术。近几年来北美、欧洲各个EIT研究小组之间的交流与合作很好地促进了EIT技术的发展1。这些研究小组中，有的小组已经从理论方法研究的基础上，开始了临床实践应用研究1。下表1-1是一些EIT研究情况的对比。表1.1目前EIT硬件系统研究的情况对比技术指 标系统名称NCKCEIT3RPIACT4SheffieldMark3.5DartmouthH-F EIT电极个数3232-72864频率单一频19.53KHz多频多频多频分辨率16bits14bits12bits16bits采样频率500KHz1MHz500kHz 1MHz成像类别静态式动态式动态式-图像重建算法NOSER算法NOSER算法反投影算法-国内的EIT技术方面的研究还处在初级阶段，但也发展迅速。1.2 电阻抗成像技术的基本原理电阻抗成像技术一般是通过在物体表面安装若干数量的电极，再在选定的电极上施加特定模式的电流，（或者是通过磁场施加电压）然后测量各电极的电压，再将这些测得的电流、电压数据，依据图像重建算法，构造出物体内部的未知阻抗图像。以上是电阻抗成像技术的基本实现方法。而21世纪医学成像之所以能够成为电阻抗成像技术（EIT）主要应用方面，是因为生物不同组织有不同的电导率和电容率（当然也可以是其他导电参数，主要是这两个），还因为就算是同一生物的同一部位的同一组织在病变时这些导电参数也会和正常时有所不同，甚至是明显不同。这样，电阻抗成像技术就能依据电导率的变化，找到病源所在了。而电阻抗成像技术（EIT）应用于其他方面的道理于此类似，根据不同环境下，物体电导率或电容率变化构建图像。进一步，导电参数的获得取决于加在选定电极上的电流信号，那么此激励信号的产生显得尤为重要了。电容率是指在外加电场的情况下材料的储电能力，电导率则表示材料的导电能力。直流信号和交流信号都能通过电阻小电导率高的材料，电容率高的材料却只能让交流信号通过。所以，本设计方案中就是设计这种具有一定指标的交流电激励信号。深刻理解电阻抗成像技术（EIT）及原理，从更深层次，定性，定量分析成像对其信号源的性能要求，才能更好的设计激励电源。1.3 电阻抗成像技术的发展瓶颈及前景一般的EIT电阻抗成像系统大致分为三部分：信号的注入与提取、信号与计算机接口通信、图象重建与显示。EIT技术的主要瓶颈是其空间分辨能力差。这是因为在EIT系统中，由于不同组织器官，导电特性不同，注入电流呈散射状，指向性很弱，稳定性差（与成像目标物体接触的很小电压也可能引起阻抗参数的很大的变化），数据处理难度大，因此重建图像的算法大都是近似处理的简化模型。因此成像分辨率很差。这也就造成了EIT分辨率差的结果。近些年来，提高图像的空间分辨力和复阻抗信息的提取一直是EIT技术进入临床应用的两大难题，是促进EIT发展道路上必须要清除的两大技术障碍，也是世界各研究小组长期奋斗的目标2。 虽然EIT技术有上述诸多缺点，但是它也有着很广大的应用潜力和前景。在EIT系统中提取的复阻抗信息以及后期的算法重组得到的图像能够很好地反应目标物体的生理，物理信息，这些都能够用于对物体的内部病理或结构的诊断。也就是说复阻抗信息包含丰富的生理信息，因此如何增加复阻抗信息以及如何更好的提取复阻抗信息，是以后EIT发展需要解决掉的重要任务2。研究表明，复阻抗信息的虚部包含信息丰富，但它十分微弱，极难提取。大量研究还表明，虚部信息的丰富度随着激励源信号频率的增加而增加2。在不久的将来，相信电阻抗成像在下列方面得到长足发展：多频电阻抗成像、快速的重组算法 、成像设备的硬件系统的提高、对体组织电特性的研究分析、电磁无接触式阻抗成像( EMIT)。2 系统总体设计方案2.1 本设计主要解决的问题 多频MFEIT系统与常规的EIT技术相比，最重要的特点是MFEIT系统工作频带的延宽和所测频率数的增加。为了丰富复阻抗信息，增加激励信号源的频率，本设计将做出能提供MHz以上的激励信号的多频恒流激励源，并做出能够控制输出信号，显示输出信号的简易信号发生器（详细内容见第三章）。2.2 总体方案概述在本设计中，采用强大的嵌入式微处理器ARM9作为整个系统的控制、显示和输出检测核心。多频恒流激励源的信号发生模块是重点，激励信号发生模块采用AD公司生产的DDS直接频率合成器，通过ARM的控制产生多种频率的激励信号，然后经过放大电路，滤波电路，并将其经电压控制电流源(VCCS)电路转换成为生物电阻抗激励所需电流信号。另外，还有按键控制模块，LCD液晶显示模块，输出检测模块，电源模块等。输出检测部分：采用ARM 自带的AD对电流值进行实测，频率检测电路对信号频率检测，然后将数据送给处理器显示等。具体各模块电路设计见第三四章，以下是总体系统结构框图（如图2.1示）图2.1总体系统结构框图2.3 DDS技术的基础研究DDS（Direct Digital Synthesizer）是直接数字式频率合成器的英文缩写，它和DSP（Digital Signal Processing）数字信号处理一样是一种关键的数字化技术。直接数字频率合成（DDS）是从相位概念出发提出的直接合成所需要的波形的一种频率合成技术。通常相位累加器、波形存储ROM、D/A数模转换器和低通滤波器（LPF）构成了一个典型的直接数字频率合成器。典型的DDS原理框图如图2.2所示。图2.2 典型的直接数字频率合成器 原理框图假设参考时钟频率用fclk表示，相位累加器的位数用N表示，频率控制字用K表示，相位累加器对ROM的寻址位数用M表示，D为ROM数据位及D/A转换器的字长（以二进制表示的），输出信号的频率用fout表示3。那么，直接数字频率合成器的合成信号波的过程大致如下：在时钟fclk线的拉低拉高拉低的时序下，相位累加器以频率控制字K为单位累加，那么，波形ROM的地址就是相位控制字P和相位累加器输出的N位二进制码之和，按照此地址对波形ROM查找表，查找表后，得到幅度码S(n)再经D/A转换器输出阶梯形信号波，最后经过低通滤波器滤波处理使阶梯波趋于平滑，就产生了所需的激励波形（一般为正弦波）。当时钟频率给定后，频率控制字决定了输出信号的频率，频率分辨率由累加器位数决定。当需要产生方波时，DDS内部高速比较器就与上面产生的波形比较，就得到了方波。ROM的地址线位数决定相位分辨率，幅度量化噪声决定了ROM的数据位字长和DAC位数2。查表后得到的波形ROM地址不一样，波形ROM里面存放的幅度码也就不一样，产生的波形也就各不一样，所以DDS技术理论上可以产生所需的任意波形3。直接数字频率合成DDS技术和直接式频率合成技术、间接式频率合成技术相比较有着卓越的特点优点，这决定着以后它将得到广泛应用。（1）频率切换时间很短。可以近似认为频率控制字的传输时间就是它的频率切换换时间，为单个时钟周期。在时间上DDS的相位序列是离散的，在频率控制寄存器值K改变以后，以新的累加寄存器输出的累加相位数据去与频率频率控制数据相加得到输出频率，则要等到下一个时钟周期3。一般情况下，时钟频率是很高的，在10MHz以上时，转换时间是很短的。集成DDS产品的频率转换时间已经可达10ns的量级，而目前常见的锁相频率合成技术不可能达到10ns量级的。频率切换时间是衡量DDS直接数字频率合成器性能的一项很重要的标准3。（2）频率分辨率高。由式可知，频率分辨率就是DDS的最小变化量。也就是说累加器的位数决定了分辨率的大小，而累加器的位数是可以足够多的3。相比传统的频率合成技术是不可能有这么精细的分辨率的3。（3）集成度高，使用方便，DDS中集成了DAC和低通滤波器等现成模块，使用方便。DDS频率合成器也有着它自身结构决定的缺点，输出信号中杂散信号太多和输出信号带宽受限。DDS技术关系到信号的发生，对其深刻理解才能选好信号发生的方案，为整个系统设计奠定基础。3 各硬件电路模块设计与相关芯片选型3.1 主控芯片ARM9处理器简介以ARM9微处理器作为核心的典型的嵌入式系统具有一般嵌入式系统的所有优点：软硬件可裁剪，功能强大且专一，可靠性强，成本低，体积小易于携带，功耗低。在本设计方案中，我们选用三星公司的 16/32 位精简指令集（RISC）微处理器 S3C2440A。S3C2440A微处理器因为其高性能、低功耗和微小型的特点，可被广泛的应用于手持设备和普通应用，其中成像系统中的应用也在逐年增加。 S3C2440A 基于ARM920 T处理器核心，而ARM920 T是一个16/32 位RISC处理器，它是著名的Advanced RISC Machines（ARM）公司设计的。与传统处理器核心ARM920T 有着很多突出优点，实现了1.1MIPS/MHz的哈佛结构，MMU，AMBA总线等高速缓冲体系结构。这一结构支持独立的16KB数据Cache和16KB指令Cache，具有更高的指令和数据处理能力5。ARM920 T采用5级整数流水线，指令执行效率更高。具有32位ARM指令集和16位Thumb指令集，支持32位的高速AMBA总线接口5。全性能的MMU，支持Android、Windows CE、Linux等多种主流嵌入式操作系统5。S3C2440A的全静态设计，特别适用于对成本和功率敏感型的情况，因此具有简单、精致、低功耗等特点5。S3C2440A提供了一整套丰富的内部外设，为产品开发降低了成本。下面是本系统设计中主要用到的S3C2440A 集成的片上功能： LCD 控制器（最大支持4K色STN和256K 色TFT ）提供1 通道LCD 专用DMA 3 通道UART （IrDA1.0, 64 字节发送FIFO和64字节接收FIFO） 2 通道SPI 8 通道10位ADC和触摸屏接口。8 通道多路复用 ADC，最高500KSPS和10位分辨率，内置FET给线性触屏接口。本设计中，用ARM作为控制器，可以是简单的不带OS的裸机程序，也可以是带操作系统的代码移植，这为以后Eit整个系统的搭建留了回旋的余地。3.1.1 ARM9（S3C2440A）最小系统能良好工作的最小系统包括最基本的电路：主芯片，稳定的电源管理模块电路和时钟电路，复位电路，适当的扩展端口模块。下面是以三星的 S3C2440A为主芯片的最小系统实物图，原理图见附录。图3.1 ARM最小系统实物图它包含最基本的电源电路(5V 供电) 、复位电路、标准JTAG 调试口、调试LED指示灯以及核心的CPU 和存储单元等。3.2 电源电路设计模块在本EIT激励信号源设计中，需要供电的模块很多，但对电源要求并不高。ARM9最小系统、LCD12864液晶显示模块等需要5V直流供电，信号发生模块和输出检测模块的一些电路，如滤波电路，电压电流转换电路等要用到9V和5V的正负电源，或3.3V电压。所以本系统中，利用变压器集成稳压芯片制作出简易线性稳压电源。线性电源原理图如图3.2所示：图3.2线性电源原理图3.3 信号发生设计模块3.3.1 数字信号发生器软件方案设计查阅大量文献，归纳总结出，电阻抗成像多频激励恒流源设计的解决方案大多属于以下三种：（1）利用直接数字合成技术(DDS)产生正弦电压信号，并将其经电压控制电流源(VCCS)电路转换成为生物电阻抗激励所需电流信号。 但这种设计方案大都只是仅仅产生激励信号，未能形成完整的硬件系统，更没有相关便携，操作方便的仪器仪表。（2）基于小规模CPLDFPGA平台的多频恒流激励源设计，但该设计也是基于DDS技术的，运用FPGA与外部DA转换器实现DDS功能。这种设计需要熟悉硬件描述语言VHDL（或Verlog语言），并且对DDS原理应了如指掌，另外，FPGA价格昂贵，不利于以后产品的推广。所以，开发难度大，成本高，不宜选择此方案。（3）采用模拟分立元件或者单片压控函数发生器MAX038来产生正弦波，再通过放大电路，滤波电路，因为频率高，可能还需要光耦隔离电路。当然这种方式也不可能产生太高的输出频率。而其输出信号频率通过调节外接电容或电阻来调节也很不方便，无法实现频率步进调节，不便于扩展和较高的使用要求。电路的性能与外接元器件息息相关（外接的电阻电容对参数影响很大）。结果，产生的激励信号的频率不稳定、精度低、抗干扰能力很低、使用极为不便。与前三种方案相比，本设计方案有着显著优势：ARM9处理器的应用，为以后电阻抗成像整个系统的搭建及带操作系统的图像处理留有足够大的选择空间。采用AD公司生产的DDS直接频率合成器降低成本的同时，也使开发难度减小，使开发出操作简单，便携的发生器成为可能。3.3.2 直接数字式频率合成器DDS芯片的选定根据2.1.2章节可知，DDS芯片的性能指标主要有工作频率范围，频率切换时间，频率分辨率等等。下面是三款DDS直接数字频率合成器芯片简介：AD9952是一款完整高性能可程控直接数字高频合成器，特点如下· 400 MHZ 的内部时钟CLK，速度快6 。· 内部集成14位（DAC）数模转换器。· 32位控制频率控制字，可快速转换频率，可以很小的步进调节频率，分别率高4 。 · 相位噪声 120 dBc/Hz（1 kHz偏移，DAC输出）。 · 动态性能 >80 dB SFDR（AOUT为160 MHz ± 100 kHz偏移时）。 · 与控制器I/O进行串行通信。· 支持大部分数字输入的5 V输入电平，1.8 V 电源，程序控制或硬件控制低功耗模式 。· 48引脚TQFP_EP封装，额定工作温度范围为40°C至+105°C 。· 价格15.7$ 无样片。AD9850芯片也是完整高性能可程控直接数字高频合成器，特点如下 · 可外置最高125MHZ 的精密时钟源，AD9850的电路架构允许产生最高达到基准时钟频率一半（或62.5 MHz）的输出频率6。· 内部集成14位（DAC）数模转换器 · 共40位频率和相位控制字，可快速转换频率，可以以很小的步进调节频率，对于125 MHz基准时钟输入，输出频率分辨率可以达到0.0291 Hz6。 · 40位控制字中，五位用于相位调节，能够调制出以180°、90°、45°、22.5°、11.25°或者是这些相角任意组合的相位的输出波形6。· 与控制器进行通用的并行或串行I/O通信，并行时是8位迭代加载方式· 支持大部分数字输入的5 V输入电平，3.3 V 或5V单电源，程序控制或硬件控制低功耗模式 （380 mW（125 MHz，5 V）155 mW（100 MHz，3.3 V）· 节省空间的超小型28引脚SSOP表面贴片封装，额定工作温度范围为40°C至+85°C6。 · 价格12.14$ 无样片AD9835是一款数控振荡器，简单的DDS芯片特点：· 5 V电源 · 最高50 MHz时钟速率· 10位DAC数数模转换器· 低功耗· 16引脚TSSOP封装，温度适应范围：40°C至+85°C · 6$ 有样片从性能的要求上，应选宽频带，高分辨率，高速率切换的芯片，首选AD9852，但从读写芯片的难易程度和价格上考虑，因为产品还处于研发实验阶段，还有许多理论方案去验证，所以我们选择性能中端的AD9850芯片是可以满足要求的。经过多方面考虑，DDS芯片最终选定为AD9850。图3.3 AD9850管脚定义图D0D7：并行8位数据输入口，串行是只有D7一个数据引脚。作用是给内部控制寄存器装入40位控制数据。AGND：模拟地。AVDD：模拟电源。DGND：数字地。DVDD：数字电源。W_CLK：字装入时钟信号，上升沿有效。FQ-UD：频率更新控制信号，时钟上升沿确定输入数据有效。CLK_IN：外部时钟信号输入IOUTB：“互补”DAC输出。IOUT：内部DAC输出端。RESET：复位端。RESET、DAC：外部复位连接端。VINN：内部比较器的“-”输入端。VINP：内部比较器的“+”输入端。3.3.3 信号发生电路结构的设计EIT信号发生电路主要包括以下四部分（1）基础DDS正弦激励信号发生电路应用AD9850芯片搭建该模块时应注意，尽量节省IO口，所以ARM9与AD9850采用串口很方便的实现串行通信而不是并行通信。在电路中，注意共地，加滤波电容等问题。基础信号发生电路原理图如图3.4所示图3.4基础激励信号发生电路原理图图3.5基础DDS信号发生模块PCB（2）信号放大电路基础信号发生模块AD9850产生正弦波的后，内部集成的高速电压比较器接受DAC后的正弦波（经过滤波之后的）输出，就可以产生方波输出。这为我们检测激励信号频率提供的很大的便利。在本设计方案中，在经过对方波放大后，以便达到IO口能识别的高低电平的范围。所以说，这里的放大电路实质上是输出检测电路频率检测的一部分。用高频高精度运放OP37组成电压负反馈放大电路。该放大电路可以实现增益值连续可调，最高稳定放大倍数为70倍。放大器的增益为：Au=R1/R3,R1连续可调。图3.6 方波放大电路（3）滤波电路由于AD9850采用DDS技术，而DDS的输出信号有个不可避免的缺点，谐波信号多，杂散信号多，这就需要我们把无用的杂波滤除。根据模拟电路技术课程的学习，我们知道滤波电路大致分为有源滤波电路和无源滤波两种。考虑到功耗，这里我可以不妨先试一下无源滤波电路的效果，如果效果不好，再着手有源滤波器的搭建。在本设计中，由DDS方程可知AD9850的最高输出频率为时钟频率125MHz的一半，也就是62.5MHz，那么我们可以设计一个低通滤波器，因为网上有一些非常实用的滤波电路设计软件（如Filter Solutions10.0软件，他们能提供固定常用的滤波电路形式，这里省略不做详细介绍），只需要我们输入相关参数如中心截至频率，电路形式（巴特沃斯Butterworth，切比雪夫Chebyshev，贝塞儿）即可算出我们需要的电容电阻值，无须再公司推导。图3.7滤波电路设计软件操作界面电路图设计出来后，我们可以再到 Multisim11.0里去仿真测试一下。最终的电路设计结果如图3-8所示图3.8七阶低通滤波电路（截止频率70 MHz）（3）压控电流源电路压控电流源实质上是一种电压-电流转换电路，是一种电流源，理想电流源的性质是电阻抗无穷大，输出电流值不会因为负载的变化而变化。在EIT系统中，因为皮肤的角质层阻抗很大，电极放于皮肤之上，阻抗信息将受到皮肤阻抗很大的影响，所以电极上要注入电流信息，采集时要测量电压，而不是注入电压，采集电流。这种注入电流是驱动电流，属于压控电流源。电压转换成电流电路有经典的豪兰德（Howland）电流源电路，采用并联电流负反馈。这种并联电流负反馈电路有着重大的缺陷，电压输出效率不高，电压输出柔性差，因为反馈采样电阻占据了大部分电压。并且这种电流源电路对运放的开环放大倍数要求很高，电路阻抗也易随着负载8。另外有一种双运放的改进Howland电流源电路，如图，但不能消除直流信号，并要求外接精密电阻R1=R2=R3=R4条件苛刻8。本设计中采用三运放电压控制电流源(VCCS)，反馈电路中添加了一个电压跟随器。图3.9 单个运放的豪兰德电流源电路图3.10双运放电压电流转换电路图3.11 三运放构成的电压控制电流源(VCCS)原理图3.4 输出检测模块的电路设计对于频率的检测，如前面放大电路所述，我们可以巧妙的利用基本波形发生电路也可产生同频率方波的原理，处理器IO口判断方波的高低电平，然后，再计数一秒内高低电平的变化次数，从而得出正弦激励信号的频率。对于电流实时值的检测，现在看来实际意义并不大，因为激励信号是正弦交流信号，故我们可以选择对电流的幅值测量显示，也就是一个周期内电流的最大值，这就需要在上一步已经测出电流信号频率的基础上进行。硬件电路上从信号输出口连接一个采样电阻，然后用AD采集上面的电压，再在程序设计上经过一系列的计算转换得到电流值。这样EIT激励正弦信号的频率值，电流值就可以通过LCD显示了。3.5 按键电路设计按键电路主要有两种形式，独立按键电路和矩阵按键电路。这两种按键各有各的特点和优缺点。矩阵按键电路，适用于多于8个以上数量的按键的情况，这是因为矩阵键盘能够节省硬件IO资源，比如一个4*4的16个按键键盘只需要8个IO。但是矩阵按键电路复杂，并且需要通过复杂的软件程序来得到键值（主要有逐行扫描和反转扫描两种得到键值的方式）9。独立按键的每一个按键就需要一个IO口，适用于按键数量不多的情况，它电路结构简单只需要一个上拉电阻，程序设计方面也是比较简单的。因为本设计方案中主要是多频率信号的输出，从基础信号发生器的设计中可知输出频率是050MHz（理论上），我们可以分为三段波段通过按键进行设置，一段是10kHz以下的频段；一段是10KHz以上100KHz以上的频段；还有1 MHz以上的频段。10KHz以下的频段以1KHz步进；10KHz以上的频段以10KHz步进；1MHz以上的频段以1MHz步进。另外，为了降低功耗我们可以通过一个按键控制LCD液晶的显示与否。最终确定需要4个按键：一个频段选择，一个显示选择，两个调节频率大小，“+”加频率键，“-”减频率键。原理图如下图3.12按键原理图3.6 LCD液晶显示电路设计根据本设计的需要，EIT激励信号是多频变化的，所以需要对当前信号的频率，电流值显示。显示电路有多种选择，数码管，段式液晶，普通液晶LCD，彩屏显示等。数码管电路结构复杂，显示时对扫描速度有要求，且容易出现重影现象，不能显示中文。而我们本设计中需要显示中文。所以，我们采用普通的LCD12864点阵液晶显示，可以显示字母，数字，汉字和图形，内部RAM包含8192 个汉字（16*16点阵）、128个字符（8*16点阵）和64*256点阵。各个管脚具体功能如下表3.1所示：表3.1液晶12864管脚定义引脚号引脚名称形态电平功能描述并口读写串口读写1VSSI-电源地2VCCI-模块电源输入（可以为5V，3.3V，默认为5V）3V0I-LCD对比度调节端4RS(CS)IH/L（H）数据或（L）指令寄存器选择端片选，高有效5R/W(SID)IH/L读、写选择线：H读 ；L写串行数据口6E(SCLK)IH/L使能信号同步时钟信号7-14DB0-DB7I/OH/L并行8位数据总线空接15PSBIH/L并/串行接口选择：H-并行，L-串行16、18NC-空脚17RSTI-复位 低电平有效19LEDAI-背光源正极（或名A，BLA）20LEDKI-背光源负极（或名K，BLK）本设计方案中，考虑到节省IO口资源，尽量缩小产品体积，我们选择3线制的串行读写方式来控制12864。图3.13 LCD12864液晶显示电路原理图3.7 硬件原理图与PCB制图软件的简介一个完整硬件系统产品从设计到制作出PCB印制电路板，大致需要经过以下基本过程：制作原理图库；原理图中元器件的布局布线，电气检查；制作PCB封装库；设置PCB规则；元器件从原理图导入到PCB图；PCB图中元器件的布局布线；信号完整性分析；各种文件报表的生成；送工厂加工制板9。目前，市场上面绘制原理图，PCB的软件有很多种，主要流行的有Altium公司、Mentor Graphics公司和Cadence公司的相关制图产品。这些产品各有各的优势特点，但也都大同小异。本设计中使用的Altium公司的Altium Designer6.9，该软件可以说是Altium公司早期的Protel画板软件的升级版本。该软件不仅集成了设计原理图，电路仿真，PCB绘制等基本功能，还加入了FPGA设计和嵌入式系统设计功能。Altium Designer6.9界面灵活人性化，操作快捷方便。图3.14 Altium Designer6.9操作界面4 程序设计及相关开发软件简介4.1 程序设计及开发环境介绍本设计中的C程序设计都是在ARM裸机编译环境ADS1.2下进行的。强大的ADS1.2集成开发环境包括Codewarrior编译