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基于Walsh函數的同時多頻信號采集系統設計

來源：電子技術應用2013年第6期

趙進創，李賢宇，邱斌，傅文利

廣西大學計算機與電子信息學院，廣西南寧530004

摘要： 為獲得不同組織、器官在同一時間不同頻率下的阻抗值，設計了一套基于Walsh函數的同時多頻信號數據采集系統。設計中選用AD9240作為A/D轉換芯片，利用Cyclone IV EP4CE115F29C7N FPGA構造FIFO作為采樣數據的緩存器，通過串口將FIFO中的數據傳輸到計算機進行波形的恢復。實驗結果表明，系統能正確采集同時多頻信號。

關鍵詞： FPGA Walsh函數同時多頻 CycloneIV

中國分類號： TH873.7
文獻標識碼： A
文章編號： 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，Fu 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

同時多頻生物電阻抗測量技術MFOT-BEIT(MFOT Bioelectrical Impedance Measurement Technology)依據人體不同組織、器官具有不同阻抗的原理，通過體表電極同時注入微小的安全混頻激勵電流檢測電極測量組織表面的電壓，通過測得的電壓信號計算出組織或器官的阻抗變化[1]。MFOT技術能克服多頻分時測量時受組織、器官內血流變化影響的不足，是目前的研究熱點。為滿足生物電阻抗測量系統同時多頻激勵的要求，目前已出現了的多種同時多頻激勵源，基于Walsh函數的同時多頻混合信號激勵源就是其中的一種[2]。因Walsh函數激勵源易于用FPGA硬件實現同步信號生成，所以是一種很有發展前景的MFOT激勵信號發生器。

為了采樣基于Walsh函數的同時多頻信號，本文設計了由Cyclone IV EP4CE115F29C7N FPGA和高速A/D轉換器AD9240構成的數據采集系統。該系統能對輸入的信號進行正確采樣，并在計算機上恢復出其原始波形。

初始信號首先經過由OPA657構成的電壓跟隨器，減小輸出阻抗，以提高電路帶負載能力；信號通過A/D驅動器和高速采樣芯片AD9240，實現電壓的模/數轉換；采樣后的數據緩存至FIFO，然后進行一些簡單的數據預處理，最后通過串口傳輸到計算機進行波形的恢復和阻抗的計算。
3 系統主要模塊設計
3.1 采樣電路設計
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、轉換速率最高可達10 MS/s的模/數轉換芯片，具有采樣精度高、轉換速度快、功耗低的特點[3]。AD9240在差分輸入時性能是最佳的，故本系統采用差分放大器AD8138作為AD9240的驅動。

    本系統采用內部參考電壓，將AD9240引腳SENSE與引腳REFCOM直接相連，可以將輸入電壓范圍設定為-2.5 V～2.5 V。
3.2 FPGA設計
   本系統中FPGA采用Altera公司生產的Cyclone IV EP4CE115F29C7N，它的主要作用是產生采樣時鐘、存儲A/D轉換數據以及實現串口通信。
3.2.1 采樣時鐘的產生
   設計中AD9240的采樣頻率由FPGA通過軟件分頻的方式產生，FPGA的最高系統時鐘CLK為50 MHz，實際使用時依據具體情況調節分頻系數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設計
   FIFO的讀寫速度比較快，且讀寫方便[4]，故本系統通過FIFO來實現采樣數據的存儲。通過FPGA構造兩個FIFO，前一個FIFO存儲采樣得到的數據，后一個FIFO存儲經預處理后的數據。通過軟件算法對存儲在FIFO中的數據進行預處理(如濾波等)，以減少后期處理的數據量。A/D采樣控制及FIFO存儲的FPGA原理框圖如圖5所示。
   采樣數據的輸入與FIFO的輸出波形如圖6所示。由圖6可知，FIFO能在寫信號的控制下存儲采樣數據，并能在讀信號的控制下讀取所存儲的數據。
3.2.3 串口通信
      經過預處理的數據需要通過FPGA的串口傳輸到計算機上做進一步的處理。本系統把串口設計成可同時收發的雙工串口，既可以由FPGA向計算機傳輸數據，也可以由計算機向FPGA發送系統的啟動信號，其FPGA原理框圖如圖7所示。

4 數據采集系統實驗
      采樣數據傳輸到計算機后，需將采樣的數字信號轉換為實際電壓的大小。由于AD9240是14 bit的A/D轉換器，且輸入電壓范圍設定為-2.5 V～+2.5 V之間，故數據換算關系如式（3）所示：

    實驗中，Walsh函數信號源產生7階同時多頻激勵信號，信號是峰峰值為2.5 mA的恒定電流，信號基頻f0設為6 kHz，其他諧波信號分別為: 2f0=12 kHz，4f0=24 kHz，8f0=48 kHz，16f0=96 kHz，32f0=192 kHz，64f0=384 kHz，阻抗模型設為1.92 k?贅的純電阻，系統的采樣頻率設為6.25 MHz。測試結果如圖9所示。圖9（a）為由示波器顯示的原始信號波形圖，圖9（b）為采樣信號的波形圖。圖10（a）為原始信號的頻譜圖，圖10（b）為采樣信號的頻譜圖。由圖9和圖10可以看出，采集系統能正確地采樣Walsh函數產生的多頻激勵信號。

本文設計了基于Walsh函數的同時多頻信號采集系統。實驗結果表明，系統能夠有效地采樣輸入的同時多頻信號，數據經串口傳輸到計算機后可以方便地恢復出原始波形。該系統滿足MFOT-BEIT的測量要求。
參考文獻
[1] 趙進創，黎志剛，劉金花，等.生物電阻抗測量系統中同時多頻混合激勵源的設計[J].計算機測量與控制，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轉換芯片AD9240的應用[J].中國儀器儀表，2003(5)：29-31.
[4] 高禮鐘.FIFO在高速采集系統中的應用[J].電子測量技術，2005(1)：51-52.

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