基于STM32F4的电阻抗频谱快速测量系统设计

摘要

电阻抗谱(ElectricalImpedanceSpectroscopy，EIS)技术是一种无侵的、廉价的疾病诊断方法，可用于皮肤癌的诊断，病变组织的检测及组织的分类、新陈代谢能力的估计、肿瘤的探测及生物医学工程领域等。传统的EIS测量系统大部分基于分时单频技术，每次只产生一种频率的激励信号（电压或电流信号）来测量阻抗，这种测量模式需要多次改变测量频率，扫频测量时间相对较长，受血流、心率的影响很大，从而严重影响EIS测量的真实性。为此，本文设计了一种EIS快速测量系统，以期实现EIS的多频率同步快速测量。
　　本文以包含31次谐波的低波峰因数的多频率正弦(Multi-Sine)信号为测量激励源，采用AT公司的Flash存储器AT29C256对Multi-Sine信号波形进行存取，再经过D/A转换器AD9708和运算放大器AD829输出为双极性Multi-Sine信号，并经过电压-电流转换生成用于电阻抗测量的高稳定性、高输入阻抗、宽带的激励电流信号;以意法半导体公司的STM32F4为系统CPU，设计了EIS快速测量系统，利用STM32F4自带的ADC实现了对激励电流信号和阻抗响应电压信号的双通道同步采样，并通过RS232串口上传到Labview上位机，且在Labview的虚拟仪器界面上设计了数字滤波程序和频谱分析程序。在Matlab的环境下基于Hanning窗函数的比值校正FFT算法进行频谱分析，最后获得各相应频率下的阻抗值。论文最后选取两组RC三元件生物阻抗模型作为测量对象，进行了EIS的测量实验，实现了从8kHz在到248kHz范围之间的31个等间隔频率点的EIS多频率同步快速测量，通过阻抗仪测量得到负载1的标准值与本测量系统的测得值进行对比，对本测量系统进行标定，并根据负载2测得值对系统的标定值进行验证，得到幅值相对误差为0.08％～4.66％，相位相对误差为0.12％～8.70％。
　　本论文的研究为研制低成本、便携式的EIS快速测量仪奠定了理论与实践基础。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题的研究背景及意义

1．2 电阻抗谱的国内外研究研究现状

1．3 课题的研究思路

1．4 课题的研究内容

1．5 本章小结

2 低波峰因数的多频正弦信号数字合成算法

2．1 低波峰因数以及高信噪比的多频率正弦信号

2．1．1 低波峰因数

2．1．2 高信噪比

2．2 低波峰因数的多频正弦信号的数字合成算法

2．2．1 斯克罗德相位编码准则合成低波峰因数的多频正弦信号

2．2．2 基于VDO算法合成低波峰因数的多频正弦信号

2．2．3 基于VDB算法合成低波峰因数的多频正弦信号

2．2．4 低波峰因数的多频正弦信号的频谱分析

2．3 基于AT29C256的低波峰因数的多频正弦信号的实现

2．3．1 低波峰因数的多频正弦信号实现的设计模块

2．3．2 低波峰因数的多频正弦信号实现的硬件设计

2．4 本章小结

3 基于比值校正法的频谱分析方法

3．1 频谱泄露和栅栏效应

3．2 比值校正法

3．2．1 频率校正

3．2．2 幅值校正

3．2．3 相位校正

3．3 加Hanning窗的比值公式校正方法

3．4 低波峰因数的正弦信号的比值校正法分析

3．5 本章小结

4 EIS测量系统硬件设计

4．1 系统总体设计

4．2 测量系统的各个模块

4．2．1 基于STM32F4的硬件系统设计

4．2．2 串口通讯模块

4．2．3 基于12864液晶显示模块

4．2．4 JTAG模块

4．2．5 SD卡模块

4．2．6 供电模块

4．2．7 基于AD826电压抬高模块电路

4．3 本章小结

5 EIS测量系统软件设计及系统测试

5．1 测量系统软件的总体设计

5．2 串口以及高速AD控制

5．3 SD卡模块控制

5．3．1 SD卡的初始化

5．3．2 SD卡的读写

5．4 Labview上位机

5．4．1 串口通讯模块

5．4．2 FIR滤波程序

5．4．3 FFT频谱分析程序

5．5 本章小结

6 电阻抗谱的测量实验

6．1 三元件阻抗模型

6．2 负载阻抗实际标准值的测量过程

6．2．1 负载阻抗标准值的测量

6．2．2 阻抗实际测量过程

6．3 电阻抗谱测量系统的标定以及系统误差分析

6．4 本章小结

7 总结与展望

7．1 全文总结

7．2 展望

致谢

参考文献