學(xué)位論文--基于arm的電阻抗成像系統(tǒng)激勵(lì)信號(hào)源設(shè)計(jì)

濟(jì)南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)濟(jì)南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)2-1-畢業(yè)設(shè)計(jì)題目基于ARM的電阻抗成像系統(tǒng)激勵(lì)信號(hào)源設(shè)計(jì)學(xué)院自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院專業(yè)電氣工程及其自動(dòng)化二〇一PAGE20-摘要電阻抗成像技術(shù)EIT是一種主要應(yīng)用于醫(yī)學(xué)檢查的新興的成像技術(shù)。它在物體表面通過(guò)電極或磁場(chǎng)施加電流或電壓，經(jīng)過(guò)物體內(nèi)部后，再測(cè)量物體的電參數(shù)，應(yīng)用重組算法計(jì)算電參數(shù)的分布，得到物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的圖像。本設(shè)計(jì)在分析研究國(guó)內(nèi)外電阻抗斷層成像技術(shù)現(xiàn)狀基礎(chǔ)上，了解了EIT的發(fā)展瓶頸和遇到的挑戰(zhàn)。重點(diǎn)研究解決EIT的信號(hào)電源——恒流激勵(lì)源，設(shè)計(jì)出基于DDS芯片的信號(hào)發(fā)生模塊和以ARM處理器為控制核心的簡(jiǎn)易信號(hào)源。本設(shè)計(jì)中的信號(hào)源將EIT的信號(hào)源頻帶拓寬到了MHz以上。在高頻下將能提取更豐富的復(fù)阻抗信息，為實(shí)現(xiàn)多頻EIT技術(shù)提供了可能。EIT激勵(lì)信號(hào)源系統(tǒng)主要包括以下幾部分：信號(hào)發(fā)生部分，包括采用DDS芯片組成的信號(hào)源硬件電路模塊和VI轉(zhuǎn)換電路模塊；輸出檢測(cè)部分，用IO采集與正弦波同頻率的方波來(lái)計(jì)數(shù)頻率值，采用ARM自帶的AD對(duì)電流值進(jìn)行實(shí)測(cè)，然后將數(shù)據(jù)送給處理器顯示；顯示部分，采用128×64點(diǎn)陣式液晶顯示屏實(shí)時(shí)顯示設(shè)定值和頻率電流實(shí)測(cè)值。關(guān)鍵詞:電阻抗成像；多頻恒流激勵(lì)源；DDS；ARM應(yīng)用ABSTRACTElectricalimpedanceimagingtechnology（EIT）isakindofthenewimagingtechnologybeingmainlyusedinmedicalexamination.Itinjectelectriccurrentorvoltagethroughtheelectrodeorthemagneticfieldonobjectsurface,afterinternalobjects,measuringelectricparametersoftheobject,usingrestructuringalgorithmtocalculateelectricalparametersofthedistribution,tocalculatetheinternalstructureoftheimage.Intheanalysisofresearchonthebasisofdomesticelectricimpedancetomographyimagingtechnology,ThisdesignunderstandsthedevelopmentbottleneckofEITandthechallenges.ThisdesignfocusontheEITsignalpowersupply--constantcurrentsource.ItmakesoutasignalsourcebasedonDDSchipmoduleandtheARMprocessor.TheSignalsourceofEITinthedesignhasafrequencybandabovethe1MHz.underthehighfrequencywewillbeabletoextractmorecompleximpedanceinformation,inordertorealizemulti-frequencyEITtechnology.TheEITsignalsourcesystemmainlyincludesthefollowingseveralparts:signalpart,includingtheuseofDDSchipsourcehardwarecircuitmoduleandtheVIconversioncircuitmodule;Outputdetectionpart,IOacquisitionandsinewavewiththefrequencyofsquarewaveisusedtocountfrequencyvalues,usingARM'sownADtomeasurementofcurrentvalue,andthensenddatatotheprocessor;Displaypart,usingthe128*64dot-matrixLCDtodisplayrealtimefrequencyandcurrentvalue.Keywords：EIT；Multiplefrequencyconstantcurrentsource；DDS；ARMapplication目錄摘要 IABSTRACT II1前言 11.1電阻抗成像技術(shù)（EIT）及其電源的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 11.2電阻抗成像技術(shù)的基本原理 21.3電阻抗成像技術(shù)的發(fā)展瓶頸及前景 32系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案 42.1本設(shè)計(jì)主要解決的問(wèn)題 42.2總體方案概述 42.3DDS技術(shù)的基礎(chǔ)研究 53各硬件電路模塊設(shè)計(jì)與相關(guān)芯片選型 73.1主控芯片ARM9處理器簡(jiǎn)介 73.1.1ARM9（S3C2440A）最小系統(tǒng) 73.2電源電路設(shè)計(jì)模塊 83.3信號(hào)發(fā)生設(shè)計(jì)模塊 93.3.1數(shù)字信號(hào)發(fā)生器方案設(shè)計(jì) 93.3.2直接數(shù)字式頻率合成器DDS芯片的選定 93.3.3信號(hào)發(fā)生電路結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 113.4輸出檢測(cè)模塊的電路設(shè)計(jì) 163.5按鍵電路設(shè)計(jì) 163.6LCD液晶顯示電路設(shè)計(jì) 173.7硬件原理圖與PCB制圖軟件的簡(jiǎn)介 194程序設(shè)計(jì)及相關(guān)開(kāi)發(fā)軟件簡(jiǎn)介 204.1程序設(shè)計(jì)及開(kāi)發(fā)環(huán)境介紹 204.2整體程序設(shè)計(jì)流程圖 214.3按鍵掃描程序設(shè)計(jì) 224.4ARM控制AD9850信號(hào)發(fā)生程序 234.5頻率檢測(cè)和電流檢測(cè)程序設(shè)計(jì) 254.6LCD12864液晶顯示程序 255EIT激勵(lì)信號(hào)發(fā)生器性能測(cè)試 275.1測(cè)試的前的準(zhǔn)備 275.2測(cè)試步驟 275.3測(cè)試結(jié)果與數(shù)據(jù)分析 28結(jié)論 30參考文獻(xiàn) 31致謝 33附錄 34附錄一.電路原理圖 34附錄二.部分ARM程序 37附錄三.部分實(shí)物圖和其他使用到的軟件 48前言電阻抗成像技術(shù)（EIT）及其電源的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀電阻抗成像技術(shù)（EIT）是生物電阻抗成像技術(shù)(biologicalelectricalimpedanceimaging，BEII)的一個(gè)重要分支。其他有關(guān)于BEIT的成像研究包括：電阻抗層析成像(ElectricalImpedanceTomography，EIT)、磁感應(yīng)電阻抗成像(MagneticInductionTomography，MIT)、核磁共震電阻抗成像(MagneticResonanceElectricalImpedanceTomography，MREIT)、磁聲層析成像(Magneto-AcousticTomo-graphy，MAT)、磁感應(yīng)磁聲層析成像(Magneto-AcousticTomographywithMagneticInduction)等一系列生物電阻抗層析成像方式。生物醫(yī)學(xué)作為二十一世紀(jì)的朝陽(yáng)產(chǎn)業(yè)，而在醫(yī)學(xué)成像研究領(lǐng)域，電阻抗成像已然成為21世紀(jì)的成像領(lǐng)域的熱點(diǎn)。不僅如此，在工業(yè)監(jiān)測(cè)、無(wú)損探傷等研究方面電阻抗成像也引起了工業(yè)界的集大關(guān)注。電阻抗成像與CT（x射線計(jì)算機(jī)斷層成像）、核磁共振(MRI)相比有著卓越的優(yōu)勢(shì)。它較之于前一代無(wú)損成像技術(shù)（包括結(jié)構(gòu)成像、形態(tài)成像）有著更為顯著的特點(diǎn)，電阻抗成像因?yàn)橹皇窃谖矬w表面操作實(shí)施，所以無(wú)創(chuàng)傷；也不使用放射性射線，所以無(wú)損害；因?yàn)闊o(wú)創(chuàng)無(wú)損，所以可以多次反復(fù)重復(fù)測(cè)量使用；并且因?yàn)樵靸r(jià)低廉，成像設(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)單，操作方便，所以相關(guān)產(chǎn)品更易推廣[1]。電阻抗成像技術(shù)按照激勵(lì)信號(hào)源的不同，可以分為注入式電阻抗成像，感應(yīng)電流式電阻抗成像，多頻電阻抗成像三種主要方式。注入式電阻抗成像是最初的傳統(tǒng)成像方式，因?yàn)槠つw的角質(zhì)層阻抗很大，電極放于皮膚之上，阻抗信息將受到皮膚阻抗很大的影響，所以電極上要注入電流信息采集時(shí)要測(cè)量電壓。故激勵(lì)信號(hào)源應(yīng)是恒流電源?，F(xiàn)在大部分EIT系統(tǒng)采用16個(gè)電極，少數(shù)采用32或者64個(gè)電極的。隨著電極數(shù)量的增加系統(tǒng)的分辨率、成像的質(zhì)量也會(huì)相應(yīng)的提高，但是相應(yīng)的難度也會(huì)增加，數(shù)據(jù)量增大，重組算法也會(huì)更加復(fù)雜。感應(yīng)電流電阻抗成像（MREIT）是一種新興的無(wú)接觸式的EIT成像技術(shù)，不同于傳統(tǒng)注入式電極。MREIT只是在需要成像的物體的周圍安裝幾個(gè)線圈，并在線圈上施加交變電流，以在目標(biāo)物體內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電流，再在物體表面的不同點(diǎn)設(shè)置若干電極測(cè)量不同電極間的電參數(shù)（電導(dǎo)率或電容率），然后進(jìn)行算法重組圖像處理分析。感應(yīng)電流電阻抗成像的優(yōu)點(diǎn)在于他把輸入信號(hào)和檢測(cè)信號(hào)隔離開(kāi)來(lái)了，相互間的干擾大大減小了。多頻電阻抗成像（Multi-frequencyElectricalImpedanceTomography,MFEIT）是在傳統(tǒng)注入式電極電阻抗成像的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，他需要在一個(gè)電極上施加不同頻率的電流，或者在不同位置組合的電極上施加電流，這就需要激勵(lì)信號(hào)源能夠很好地控制電流信號(hào)輸出。另外，在多個(gè)頻率下測(cè)得的物體的復(fù)阻抗信息更豐富，能夠更好的對(duì)不同組織在不同頻率下的狀態(tài)分析，以確定是否正?；虿∽?。還可以選擇一個(gè)最適合的自己需要的復(fù)阻抗信息的頻率來(lái)成像。國(guó)外的EIT研究歷史長(zhǎng)，涉及范圍廣，相對(duì)成熟，包括二維、三維EIT成像技術(shù)。近幾年來(lái)北美、歐洲各個(gè)EIT研究小組之間的交流與合作很好地促進(jìn)了EIT技術(shù)的發(fā)展[1]。這些研究小組中，有的小組已經(jīng)從理論方法研究的基礎(chǔ)上，開(kāi)始了臨床實(shí)踐應(yīng)用研究[1]。下表1-1是一些EIT研究情況的對(duì)比。表1.1目前EIT硬件系統(tǒng)研究的情況對(duì)比技術(shù)指標(biāo)系統(tǒng)名稱NCKCEIT3RPIACT4SheffieldMark3.5Dartmouth

H-FEIT電極個(gè)數(shù)3232-72864頻率單一頻19.53KHz多頻多頻多頻分辨率16bits14bits12bits16bits采樣頻率500KHz1MHz500kHz1MHz成像類別靜態(tài)式動(dòng)態(tài)式動(dòng)態(tài)式--圖像重建算法NOSER算法NOSER算法反投影算法--國(guó)內(nèi)的EIT技術(shù)方面的研究還處在初級(jí)階段，但也發(fā)展迅速。電阻抗成像技術(shù)的基本原理電阻抗成像技術(shù)一般是通過(guò)在物體表面安裝若干數(shù)量的電極，再在選定的電極上施加特定模式的電流，（或者是通過(guò)磁場(chǎng)施加電壓）然后測(cè)量各電極的電壓，再將這些測(cè)得的電流、電壓數(shù)據(jù)，依據(jù)圖像重建算法，構(gòu)造出物體內(nèi)部的未知阻抗圖像。以上是電阻抗成像技術(shù)的基本實(shí)現(xiàn)方法。而21世紀(jì)醫(yī)學(xué)成像之所以能夠成為電阻抗成像技術(shù)（EIT）主要應(yīng)用方面，是因?yàn)樯锊煌M織有不同的電導(dǎo)率和電容率（當(dāng)然也可以是其他導(dǎo)電參數(shù)，主要是這兩個(gè)），還因?yàn)榫退闶峭簧锏耐徊课坏耐唤M織在病變時(shí)這些導(dǎo)電參數(shù)也會(huì)和正常時(shí)有所不同，甚至是明顯不同。這樣，電阻抗成像技術(shù)就能依據(jù)電導(dǎo)率的變化，找到病源所在了。而電阻抗成像技術(shù)（EIT）應(yīng)用于其他方面的道理于此類似，根據(jù)不同環(huán)境下，物體電導(dǎo)率或電容率變化構(gòu)建圖像。進(jìn)一步，導(dǎo)電參數(shù)的獲得取決于加在選定電極上的電流信號(hào)，那么此激勵(lì)信號(hào)的產(chǎn)生顯得尤為重要了。電容率是指在外加電場(chǎng)的情況下材料的儲(chǔ)電能力，電導(dǎo)率則表示材料的導(dǎo)電能力。直流信號(hào)和交流信號(hào)都能通過(guò)電阻小電導(dǎo)率高的材料，電容率高的材料卻只能讓交流信號(hào)通過(guò)。所以，本設(shè)計(jì)方案中就是設(shè)計(jì)這種具有一定指標(biāo)的交流電激勵(lì)信號(hào)。深刻理解電阻抗成像技術(shù)（EIT）及原理，從更深層次，定性，定量分析成像對(duì)其信號(hào)源的性能要求，才能更好的設(shè)計(jì)激勵(lì)電源。電阻抗成像技術(shù)的發(fā)展瓶頸及前景一般的EIT電阻抗成像系統(tǒng)大致分為三部分：信號(hào)的注入與提取、信號(hào)與計(jì)算機(jī)接口通信、圖象重建與顯示。EIT技術(shù)的主要瓶頸是其空間分辨能力差。這是因?yàn)樵贓IT系統(tǒng)中，由于不同組織器官，導(dǎo)電特性不同，注入電流呈散射狀，指向性很弱，穩(wěn)定性差（與成像目標(biāo)物體接觸的很小電壓也可能引起阻抗參數(shù)的很大的變化），數(shù)據(jù)處理難度大，因此重建圖像的算法大都是近似處理的簡(jiǎn)化模型。因此成像分辨率很差。這也就造成了EIT分辨率差的結(jié)果。近些年來(lái)，提高圖像的空間分辨力和復(fù)阻抗信息的提取一直是EIT技術(shù)進(jìn)入臨床應(yīng)用的兩大難題，是促進(jìn)EIT發(fā)展道路上必須要清除的兩大技術(shù)障礙，也是世界各研究小組長(zhǎng)期奮斗的目標(biāo)[2]。雖然EIT技術(shù)有上述諸多缺點(diǎn)，但是它也有著很廣大的應(yīng)用潛力和前景。在EIT系統(tǒng)中提取的復(fù)阻抗信息以及后期的算法重組得到的圖像能夠很好地反應(yīng)目標(biāo)物體的生理，物理信息，這些都能夠用于對(duì)物體的內(nèi)部病理或結(jié)構(gòu)的診斷。也就是說(shuō)復(fù)阻抗信息包含豐富的生理信息，因此如何增加復(fù)阻抗信息以及如何更好的提取復(fù)阻抗信息，是以后EIT發(fā)展需要解決掉的重要任務(wù)[2]。研究表明，復(fù)阻抗信息的虛部包含信息豐富，但它十分微弱，極難提取。大量研究還表明，虛部信息的豐富度隨著激勵(lì)源信號(hào)頻率的增加而增加[2]。在不久的將來(lái)，相信電阻抗成像在下列方面得到長(zhǎng)足發(fā)展：多頻電阻抗成像、快速的重組算法、成像設(shè)備的硬件系統(tǒng)的提高、對(duì)體組織電特性的研究分析、電磁無(wú)接觸式阻抗成像(EMIT)。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案本設(shè)計(jì)主要解決的問(wèn)題多頻MFEIT系統(tǒng)與常規(guī)的EIT技術(shù)相比，最重要的特點(diǎn)是MFEIT系統(tǒng)工作頻帶的延寬和所測(cè)頻率數(shù)的增加。為了豐富復(fù)阻抗信息，增加激勵(lì)信號(hào)源的頻率，本設(shè)計(jì)將做出能提供MHz以上的激勵(lì)信號(hào)的多頻恒流激勵(lì)源，并做出能夠控制輸出信號(hào)，顯示輸出信號(hào)的簡(jiǎn)易信號(hào)發(fā)生器（詳細(xì)內(nèi)容見(jiàn)第三章）?？傮w方案概述在本設(shè)計(jì)中，采用強(qiáng)大的嵌入式微處理器ARM9作為整個(gè)系統(tǒng)的控制、顯示和輸出檢測(cè)核心。多頻恒流激勵(lì)源的信號(hào)發(fā)生模塊是重點(diǎn)，激勵(lì)信號(hào)發(fā)生模塊采用AD公司生產(chǎn)的DDS直接頻率合成器，通過(guò)ARM的控制產(chǎn)生多種頻率的激勵(lì)信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)放大電路，濾波電路，并將其經(jīng)電壓控制電流源(VCCS)電路轉(zhuǎn)換成為生物電阻抗激勵(lì)所需電流信號(hào)。另外，還有按鍵控制模塊，LCD液晶顯示模塊，輸出檢測(cè)模塊，電源模塊等。輸出檢測(cè)部分：采用ARM自帶的AD對(duì)電流值進(jìn)行實(shí)測(cè)，頻率檢測(cè)電路對(duì)信號(hào)頻率檢測(cè)，然后將數(shù)據(jù)送給處理器顯示等。具體各模塊電路設(shè)計(jì)見(jiàn)第三四章，以下是總體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖（如圖2.1示）圖2.1總體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖DDS技術(shù)的基礎(chǔ)研究DDS（DirectDigitalSynthesizer）是直接數(shù)字式頻率合成器的英文縮寫(xiě)，它和DSP（DigitalSignalProcessing）數(shù)字信號(hào)處理一樣是一種關(guān)鍵的數(shù)字化技術(shù)。直接數(shù)字頻率合成（DDS）是從相位概念出發(fā)提出的直接合成所需要的波形的一種頻率合成技術(shù)。通常相位累加器、波形存儲(chǔ)ROM、D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換器和低通濾波器（LPF）構(gòu)成了一個(gè)典型的直接數(shù)字頻率合成器。典型的DDS原理框圖如圖2.2所示。圖2.2典型的直接數(shù)字頻率合成器原理框圖假設(shè)參考時(shí)鐘頻率用fclk表示，相位累加器的位數(shù)用N表示，頻率控制字用K表示，相位累加器對(duì)ROM的尋址位數(shù)用M表示，D為ROM數(shù)據(jù)位及D/A轉(zhuǎn)換器的字長(zhǎng)（以二進(jìn)制表示的），輸出信號(hào)的頻率用fout表示[3]。那么，直接數(shù)字頻率合成器的合成信號(hào)波的過(guò)程大致如下：在時(shí)鐘fclk線的拉低拉高拉低的時(shí)序下，相位累加器以頻率控制字K為單位累加，那么，波形ROM的地址就是相位控制字P和相位累加器輸出的N位二進(jìn)制碼之和，按照此地址對(duì)波形ROM查找表，查找表后，得到幅度碼S(n)再經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器輸出階梯形信號(hào)波，最后經(jīng)過(guò)低通濾波器濾波處理使階梯波趨于平滑，就產(chǎn)生了所需的激勵(lì)波形（一般為正弦波）。當(dāng)時(shí)鐘頻率給定后，頻率控制字決定了輸出信號(hào)的頻率，頻率分辨率由累加器位數(shù)決定。當(dāng)需要產(chǎn)生方波時(shí)，DDS內(nèi)部高速比較器就與上面產(chǎn)生的波形比較，就得到了方波。ROM的地址線位數(shù)決定相位分辨率，幅度量化噪聲決定了ROM的數(shù)據(jù)位字長(zhǎng)和DAC位數(shù)[2]。查表后得到的波形ROM地址不一樣，波形ROM里面存放的幅度碼也就不一樣，產(chǎn)生的波形也就各不一樣，所以DDS技術(shù)理論上可以產(chǎn)生所需的任意波形[3]。直接數(shù)字頻率合成DDS技術(shù)和直接式頻率合成技術(shù)、間接式頻率合成技術(shù)相比較有著卓越的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)，這決定著以后它將得到廣泛應(yīng)用。（1）頻率切換時(shí)間很短?？梢越普J(rèn)為頻率控制字的傳輸時(shí)間就是它的頻率切換換時(shí)間，為單個(gè)時(shí)鐘周期。在時(shí)間上DDS的相位序列是離散的，在頻率控制寄存器值K改變以后，以新的累加寄存器輸出的累加相位數(shù)據(jù)去與頻率頻率控制數(shù)據(jù)相加得到輸出頻率，則要等到下一個(gè)時(shí)鐘周期[3]。一般情況下，時(shí)鐘頻率是很高的，在10MHz以上時(shí)，轉(zhuǎn)換時(shí)間是很短的。集成DDS產(chǎn)品的頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間已經(jīng)可達(dá)10ns的量級(jí)，而目前常見(jiàn)的鎖相頻率合成技術(shù)不可能達(dá)到10ns量級(jí)的。頻率切換時(shí)間是衡量DDS直接數(shù)字頻率合成器性能的一項(xiàng)很重要的標(biāo)準(zhǔn)[3]。（2）頻率分辨率高。由式可知，頻率分辨率就是DDS的最小變化量。也就是說(shuō)累加器的位數(shù)決定了分辨率的大小，而累加器的位數(shù)是可以足夠多的[3]。相比傳統(tǒng)的頻率合成技術(shù)是不可能有這么精細(xì)的分辨率的[3]。（3）集成度高，使用方便，DDS中集成了DAC和低通濾波器等現(xiàn)成模塊，使用方便。DDS頻率合成器也有著它自身結(jié)構(gòu)決定的缺點(diǎn)，輸出信號(hào)中雜散信號(hào)太多和輸出信號(hào)帶寬受限。DDS技術(shù)關(guān)系到信號(hào)的發(fā)生，對(duì)其深刻理解才能選好信號(hào)發(fā)生的方案，為整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。各硬件電路模塊設(shè)計(jì)與相關(guān)芯片選型主控芯片ARM9處理器簡(jiǎn)介以ARM9微處理器作為核心的典型的嵌入式系統(tǒng)具有一般嵌入式系統(tǒng)的所有優(yōu)點(diǎn)：軟硬件可裁剪，功能強(qiáng)大且專一，可靠性強(qiáng)，成本低，體積小易于攜帶，功耗低。在本設(shè)計(jì)方案中，我們選用三星公司的16/32位精簡(jiǎn)指令集（RISC）微處理器S3C2440A。S3C2440A微處理器因?yàn)槠涓咝阅?、低功耗和微小型的特點(diǎn)，可被廣泛的應(yīng)用于手持設(shè)備和普通應(yīng)用，其中成像系統(tǒng)S3C2440A基于ARM920T處理器核心，而ARM920T是一個(gè)16/32位RISC處理器，它是著名的AdvancedRISCMachines（ARM）公司設(shè)計(jì)的。與傳統(tǒng)處理器核心ARM920T有著很多突出優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了1.1MIPS/MHz的哈佛結(jié)構(gòu)，MMU，AMBA總線等高速緩沖體系結(jié)構(gòu)。這一結(jié)構(gòu)支持獨(dú)立的16KB數(shù)據(jù)Cache和16KB指令Cache，具有更高的指令和數(shù)據(jù)處理能力[5]。ARM920T采用5級(jí)整數(shù)流水線，指令執(zhí)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總線接口[5]。全性能的MMU，支持Android、WindowsCE、Linux等多種主流嵌入式操作系統(tǒng)[5]。S3C2440A的全靜態(tài)設(shè)計(jì)，特別適用于對(duì)成本和功率敏感型的情況，因此具有簡(jiǎn)單、精致、低功耗等特點(diǎn)[5S3C2440A提供了一整套豐富的內(nèi)部外設(shè)，為產(chǎn)品開(kāi)發(fā)降低了成本。下面是本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中主要用到的S3C●LCD控制器（最大支持4K色STN和256K色TFT）提供1通道LCD專用DMA●3通道UART（IrDA1.0,64字節(jié)發(fā)送FIFO和64字節(jié)接收FIFO）●2通道SPI●8通道10位ADC和觸摸屏接口。8通道多路復(fù)用ADC，最高500KSPS和10位分辨率，內(nèi)置FET給線性觸屏接口。本設(shè)計(jì)中，用ARM作為控制器，可以是簡(jiǎn)單的不帶OS的裸機(jī)程序，也可以是帶操作系統(tǒng)的代碼移植，這為以后Eit整個(gè)系統(tǒng)的搭建留了回旋的余地。ARM9（S3C2440A）最小系統(tǒng)能良好工作的最小系統(tǒng)包括最基本的電路：主芯片，穩(wěn)定的電源管理模塊電路和時(shí)鐘電路，復(fù)位電路，適當(dāng)?shù)臄U(kuò)展端口模塊。下面是以三星的S3C2440A圖3.1ARM最小系統(tǒng)實(shí)物圖它包含最基本的電源電路(5V供電)、復(fù)位電路、標(biāo)準(zhǔn)JTAG調(diào)試口、調(diào)試LED指示燈以及核心的CPU和存儲(chǔ)單元等。電源電路設(shè)計(jì)模塊在本EIT激勵(lì)信號(hào)源設(shè)計(jì)中，需要供電的模塊很多，但對(duì)電源要求并不高。ARM9最小系統(tǒng)、LCD12864液晶顯示模塊等需要5V直流供電，信號(hào)發(fā)生模塊和輸出檢測(cè)模塊的一些電路，如濾波電路，電壓電流轉(zhuǎn)換電路等要用到9V和5V的正負(fù)電源，或3.3V電壓。所以本系統(tǒng)中，利用變壓器集成穩(wěn)壓芯片制作出簡(jiǎn)易線性穩(wěn)壓電源。線性電源原理圖如圖3.2所示：圖3.2線性電源原理圖信號(hào)發(fā)生設(shè)計(jì)模塊數(shù)字信號(hào)發(fā)生器軟件方案設(shè)計(jì)查閱大量文獻(xiàn)，歸納總結(jié)出，電阻抗成像多頻激勵(lì)恒流源設(shè)計(jì)的解決方案大多屬于以下三種：（1）利用直接數(shù)字合成技術(shù)(DDS)產(chǎn)生正弦電壓信號(hào)，并將其經(jīng)電壓控制電流源(VCCS)電路轉(zhuǎn)換成為生物電阻抗激勵(lì)所需電流信號(hào)。但這種設(shè)計(jì)方案大都只是僅僅產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào)，未能形成完整的硬件系統(tǒng)，更沒(méi)有相關(guān)便攜，操作方便的儀器儀表。（2）基于小規(guī)模CPLD／FPGA平臺(tái)的多頻恒流激勵(lì)源設(shè)計(jì)，但該設(shè)計(jì)也是基于DDS技術(shù)的，運(yùn)用FPGA與外部DA轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)DDS功能。這種設(shè)計(jì)需要熟悉硬件描述語(yǔ)言VHDL（或Verlog語(yǔ)言），并且對(duì)DDS原理應(yīng)了如指掌，另外，F(xiàn)PGA價(jià)格昂貴，不利于以后產(chǎn)品的推廣。所以，開(kāi)發(fā)難度大，成本高，不宜選擇此方案。（3）采用模擬分立元件或者單片壓控函數(shù)發(fā)生器MAX038來(lái)產(chǎn)生正弦波，再通過(guò)放大電路，濾波電路，因?yàn)轭l率高，可能還需要光耦隔離電路。當(dāng)然這種方式也不可能產(chǎn)生太高的輸出頻率。而其輸出信號(hào)頻率通過(guò)調(diào)節(jié)外接電容或電阻來(lái)調(diào)節(jié)也很不方便，無(wú)法實(shí)現(xiàn)頻率步進(jìn)調(diào)節(jié)，不便于擴(kuò)展和較高的使用要求。電路的性能與外接元器件息息相關(guān)（外接的電阻電容對(duì)參數(shù)影響很大）。結(jié)果，產(chǎn)生的激勵(lì)信號(hào)的頻率不穩(wěn)定、精度低、抗干擾能力很低、使用極為不便。與前三種方案相比，本設(shè)計(jì)方案有著顯著優(yōu)勢(shì)：ARM9處理器的應(yīng)用，為以后電阻抗成像整個(gè)系統(tǒng)的搭建及帶操作系統(tǒng)的圖像處理留有足夠大的選擇空間。采用AD公司生產(chǎn)的DDS直接頻率合成器降低成本的同時(shí)，也使開(kāi)發(fā)難度減小，使開(kāi)發(fā)出操作簡(jiǎn)單，便攜的發(fā)生器成為可能。直接數(shù)字式頻率合成器DDS芯片的選定根據(jù)2.1.2章節(jié)可知，DDS芯片的性能指標(biāo)主要有工作頻率范圍，頻率切換時(shí)間，頻率分辨率等等。下面是三款DDS直接數(shù)字頻率合成器芯片簡(jiǎn)介：AD9952是一款完整高性能可程控直接數(shù)字高頻合成器，特點(diǎn)如下400MHZ的內(nèi)部時(shí)鐘CLK，速度快[6]。內(nèi)部集成14位（DAC）數(shù)模轉(zhuǎn)換器。32位控制頻率控制字，可快速轉(zhuǎn)換頻率，可以很小的步進(jìn)調(diào)節(jié)頻率，分別率高[4]。相位噪聲≤?120dBc/Hz（1kHz偏移，DAC輸出）。動(dòng)態(tài)性能>80dBSFDR（AOUT為160MHz±100kHz偏移時(shí)）。與控制器I/O進(jìn)行串行通信。支持大部分?jǐn)?shù)字輸入的5V輸入電平，1.8V電源，程序控制或硬件控制低功耗模式。48引腳TQFP_EP封裝，額定工作溫度范圍為?40°C至+105°C價(jià)格15.7$無(wú)樣片。AD9850芯片也是完整高性能可程控直接數(shù)字高頻合成器，特點(diǎn)如下可外置最高125MHZ的精密時(shí)鐘源，AD9850的電路架構(gòu)允許產(chǎn)生最高達(dá)到基準(zhǔn)時(shí)鐘頻率一半（或62.5MHz）的輸出頻率[6]。內(nèi)部集成14位（DAC）數(shù)模轉(zhuǎn)換器共40位頻率和相位控制字，可快速轉(zhuǎn)換頻率，可以以很小的步進(jìn)調(diào)節(jié)頻率，對(duì)于125MHz基準(zhǔn)時(shí)鐘輸入，輸出頻率分辨率可以達(dá)到0.0291Hz[6]。40位控制字中，五位用于相位調(diào)節(jié)，能夠調(diào)制出以180°、90°、45°、22.5°、11.25°或者是這些相角任意組合的相位的輸出波形[6]。與控制器進(jìn)行通用的并行或串行I/O通信，并行時(shí)是8位迭代加載方式支持大部分?jǐn)?shù)字輸入的5V輸入電平，3.3V或5V單電源，程序控制或硬件控制低功耗模式（380mW（125MHz，5V）155mW（100MHz，3.3V））節(jié)省空間的超小型28引腳SSOP表面貼片封裝，額定工作溫度范圍為?40°C至+85°C[6]。價(jià)格12.14$無(wú)樣片AD9835是一款數(shù)控振蕩器，簡(jiǎn)單的DDS芯片特點(diǎn)：5V電源最高50MHz時(shí)鐘速率10位DAC數(shù)數(shù)模轉(zhuǎn)換器低功耗16引腳TSSOP封裝，溫度適應(yīng)范圍：?40°C至+85°C6$有樣片從性能的要求上，應(yīng)選寬頻帶，高分辨率，高速率切換的芯片，首選AD9852，但從讀寫(xiě)芯片的難易程度和價(jià)格上考慮，因?yàn)楫a(chǎn)品還處于研發(fā)實(shí)驗(yàn)階段，還有許多理論方案去驗(yàn)證，所以我們選擇性能中端的AD9850芯片是可以滿足要求的。經(jīng)過(guò)多方面考慮，DDS芯片最終選定為AD9850。圖3.3AD9850管腳定義圖D0~D7：并行8位數(shù)據(jù)輸入口，串行是只有D7一個(gè)數(shù)據(jù)引腳。作用是給內(nèi)部控制寄存器裝入40位控制數(shù)據(jù)。AGND：模擬地。AVDD：模擬電源。DGND：數(shù)字地。DVDD：數(shù)字電源。W_CLK：字裝入時(shí)鐘信號(hào)，上升沿有效。FQ-UD：頻率更新控制信號(hào)，時(shí)鐘上升沿確定輸入數(shù)據(jù)有效。CLK_IN：外部時(shí)鐘信號(hào)輸入IOUTB：“互補(bǔ)”DAC輸出。IOUT：內(nèi)部DAC輸出端。RESET：復(fù)位端。RESET、DAC：外部復(fù)位連接端。VINN：內(nèi)部比較器的“-”輸入端。VINP：內(nèi)部比較器的“+”輸入端。信號(hào)發(fā)生電路結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)EIT信號(hào)發(fā)生電路主要包括以下四部分（1）基礎(chǔ)DDS正弦激勵(lì)信號(hào)發(fā)生電路應(yīng)用AD9850芯片搭建該模塊時(shí)應(yīng)注意，盡量節(jié)省IO口，所以ARM9與AD9850采用串口很方便的實(shí)現(xiàn)串行通信而不是并行通信。在電路中，注意共地，加濾波電容等問(wèn)題?；A(chǔ)信號(hào)發(fā)生電路原理圖如圖3.4所示圖3.4基礎(chǔ)激勵(lì)信號(hào)發(fā)生電路原理圖圖3.5基礎(chǔ)DDS信號(hào)發(fā)生模塊PCB（2）信號(hào)放大電路基礎(chǔ)信號(hào)發(fā)生模塊AD9850產(chǎn)生正弦波的后，內(nèi)部集成的高速電壓比較器接受DAC后的正弦波（經(jīng)過(guò)濾波之后的）輸出，就可以產(chǎn)生方波輸出。這為我們檢測(cè)激勵(lì)信號(hào)頻率提供的很大的便利。在本設(shè)計(jì)方案中，在經(jīng)過(guò)對(duì)方波放大后，以便達(dá)到IO口能識(shí)別的高低電平的范圍。所以說(shuō)，這里的放大電路實(shí)質(zhì)上是輸出檢測(cè)電路頻率檢測(cè)的一部分。用高頻高精度運(yùn)放OP37組成電壓負(fù)反饋放大電路。該放大電路可以實(shí)現(xiàn)增益值連續(xù)可調(diào)，最高穩(wěn)定放大倍數(shù)為70倍。放大器的增益為：Au=R1/R3,R1連續(xù)可調(diào)。圖3.6方波放大電路（3）濾波電路由于AD9850采用DDS技術(shù)，而DDS的輸出信號(hào)有個(gè)不可避免的缺點(diǎn)，諧波信號(hào)多，雜散信號(hào)多，這就需要我們把無(wú)用的雜波濾除。根據(jù)模擬電路技術(shù)課程的學(xué)習(xí)，我們知道濾波電路大致分為有源濾波電路和無(wú)源濾波兩種。考慮到功耗，這里我可以不妨先試一下無(wú)源濾波電路的效果，如果效果不好，再著手有源濾波器的搭建。在本設(shè)計(jì)中，由DDS方程可知AD9850的最高輸出頻率為時(shí)鐘頻率125MHz的一半，也就是62.5MHz，那么我們可以設(shè)計(jì)一個(gè)低通濾波器，因?yàn)榫W(wǎng)上有一些非常實(shí)用的濾波電路設(shè)計(jì)軟件（如FilterSolutions10.0軟件，他們能提供固定常用的濾波電路形式，這里省略不做詳細(xì)介紹），只需要我們輸入相關(guān)參數(shù)如中心截至頻率，電路形式（巴特沃斯Butterworth，切比雪夫Chebyshev，貝塞兒）即可算出我們需要的電容電阻值，無(wú)須再公司推導(dǎo)。圖3.7濾波電路設(shè)計(jì)軟件操作界面電路圖設(shè)計(jì)出來(lái)后，我們可以再到Multisim11.0里去仿真測(cè)試一下。最終的電路設(shè)計(jì)結(jié)果如圖3-8所示圖3.8七階低通濾波電路（截止頻率70MHz）（3）壓控電流源電路壓控電流源實(shí)質(zhì)上是一種電壓-電流轉(zhuǎn)換電路，是一種電流源，理想電流源的性質(zhì)是電阻抗無(wú)窮大，輸出電流值不會(huì)因?yàn)樨?fù)載的變化而變化。在EIT系統(tǒng)中，因?yàn)槠つw的角質(zhì)層阻抗很大，電極放于皮膚之上，阻抗信息將受到皮膚阻抗很大的影響，所以電極上要注入電流信息，采集時(shí)要測(cè)量電壓，而不是注入電壓，采集電流。這種注入電流是驅(qū)動(dòng)電流，屬于壓控電流源。電壓轉(zhuǎn)換成電流電路有經(jīng)典的豪蘭德（Howland）電流源電路，采用并聯(lián)電流負(fù)反饋。這種并聯(lián)電流負(fù)反饋電路有著重大的缺陷，電壓輸出效率不高，電壓輸出柔性差，因?yàn)榉答伈蓸与娮枵紦?jù)了大部分電壓。并且這種電流源電路對(duì)運(yùn)放的開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)要求很高，電路阻抗也易隨著負(fù)載[8]。另外有一種雙運(yùn)放的改進(jìn)Howland電流源電路，如圖，但不能消除直流信號(hào)，并要求外接精密電阻R1=R2=R3=R4條件苛刻[8]。本設(shè)計(jì)中采用三運(yùn)放電壓控制電流源(VCCS)，反饋電路中添加了一個(gè)電壓跟隨器。圖3.9單個(gè)運(yùn)放的豪蘭德電流源電路圖3.10雙運(yùn)放電壓電流轉(zhuǎn)換電路圖3.11三運(yùn)放構(gòu)成的電壓控制電流源(VCCS)原理圖輸出檢測(cè)模塊的電路設(shè)計(jì)對(duì)于頻率的檢測(cè)，如前面放大電路所述，我們可以巧妙的利用基本波形發(fā)生電路也可產(chǎn)生同頻率方波的原理，處理器IO口判斷方波的高低電平，然后，再計(jì)數(shù)一秒內(nèi)高低電平的變化次數(shù)，從而得出正弦激勵(lì)信號(hào)的頻率。對(duì)于電流實(shí)時(shí)值的檢測(cè)，現(xiàn)在看來(lái)實(shí)際意義并不大，因?yàn)榧?lì)信號(hào)是正弦交流信號(hào)，故我們可以選擇對(duì)電流的幅值測(cè)量顯示，也就是一個(gè)周期內(nèi)電流的最大值，這就需要在上一步已經(jīng)測(cè)出電流信號(hào)頻率的基礎(chǔ)上進(jìn)行。硬件電路上從信號(hào)輸出口連接一個(gè)采樣電阻，然后用AD采集上面的電壓，再在程序設(shè)計(jì)上經(jīng)過(guò)一系列的計(jì)算轉(zhuǎn)換得到電流值。這樣EIT激勵(lì)正弦信號(hào)的頻率值，電流值就可以通過(guò)LCD顯示了。按鍵電路設(shè)計(jì)按鍵電路主要有兩種形式，獨(dú)立按鍵電路和矩陣按鍵電路。這兩種按鍵各有各的特點(diǎn)和優(yōu)缺點(diǎn)。矩陣按鍵電路，適用于多于8個(gè)以上數(shù)量的按鍵的情況，這是因?yàn)榫仃囨I盤(pán)能夠節(jié)省硬件IO資源，比如一個(gè)4*4的16個(gè)按鍵鍵盤(pán)只需要8個(gè)IO。但是矩陣按鍵電路復(fù)雜，并且需要通過(guò)復(fù)雜的軟件程序來(lái)得到鍵值（主要有逐行掃描和反轉(zhuǎn)掃描兩種得到鍵值的方式）[9]。獨(dú)立按鍵的每一個(gè)按鍵就需要一個(gè)IO口，適用于按鍵數(shù)量不多的情況，它電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單只需要一個(gè)上拉電阻，程序設(shè)計(jì)方面也是比較簡(jiǎn)單的。因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)方案中主要是多頻率信號(hào)的輸出，從基礎(chǔ)信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)中可知輸出頻率是0~50MHz（理論上），我們可以分為三段波段通過(guò)按鍵進(jìn)行設(shè)置，一段是10kHz以下的頻段；一段是10KHz以上100KHz以上的頻段；還有1MHz以上的頻段。10KHz以下的頻段以1KHz步進(jìn)；10KHz以上的頻段以10KHz步進(jìn)；1MHz以上的頻段以1MHz步進(jìn)。另外，為了降低功耗我們可以通過(guò)一個(gè)按鍵控制LCD液晶的顯示與否。最終確定需要4個(gè)按鍵：一個(gè)頻段選擇，一個(gè)顯示選擇，兩個(gè)調(diào)節(jié)頻率大小，“+”加頻率鍵，“-”減頻率鍵。原理圖如下圖3.12按鍵原理圖LCD液晶顯示電路設(shè)計(jì)根據(jù)本設(shè)計(jì)的需要，EIT激勵(lì)信號(hào)是多頻變化的，所以需要對(duì)當(dāng)前信號(hào)的頻率，電流值顯示。顯示電路有多種選擇，數(shù)碼管，段式液晶，普通液晶LCD，彩屏顯示等。數(shù)碼管電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，顯示時(shí)對(duì)掃描速度有要求，且容易出現(xiàn)重影現(xiàn)象，不能顯示中文。而我們本設(shè)計(jì)中需要顯示中文。所以，我們采用普通的LCD12864點(diǎn)陣液晶顯示，可以顯示字母，數(shù)字，漢字和圖形，內(nèi)部RAM包含8192個(gè)漢字（16*16點(diǎn)陣）、128個(gè)字符（8*16點(diǎn)陣）和64*256點(diǎn)陣。各個(gè)管腳具體功能如下表3.1所示：表3.1液晶12864管腳定義引腳號(hào)引腳名稱形態(tài)電平功能描述并口讀寫(xiě)串口讀寫(xiě)1VSSI-電源地2VCCI-模塊電源輸入（可以為5V，3.3V，默認(rèn)為5V）3V0I-LCD對(duì)比度調(diào)節(jié)端4RS(CS)IH/L（H）數(shù)據(jù)或（L）指令寄存器選擇端片選，高有效5R/W(SID)IH/L讀、寫(xiě)選擇線：H讀；L寫(xiě)串行數(shù)據(jù)口6E(SCLK)IH/L使能信號(hào)同步時(shí)鐘信號(hào)7-14DB0-DB7I/OH/L并行8位數(shù)據(jù)總線空接15PSBIH/L并/串行接口選擇：H-并行，L-串行16、18NC--空腳17RSTI-復(fù)位低電平有效19LEDAI-背光源正極（或名A，BLA）20LEDKI-背光源負(fù)極（或名K，BLK）本設(shè)計(jì)方案中，考慮到節(jié)省IO口資源，盡量縮小產(chǎn)品體積，我們選擇3線制的串行讀寫(xiě)方式來(lái)控制12864。圖3.13LCD12864液晶顯示電路原理圖硬件原理圖與PCB制圖軟件的簡(jiǎn)介一個(gè)完整硬件系統(tǒng)產(chǎn)品從設(shè)計(jì)到制作出PCB印制電路板，大致需要經(jīng)過(guò)以下基本過(guò)程：制作原理圖庫(kù)；原理圖中元器件的布局布線，電氣檢查；制作PCB封裝庫(kù)；設(shè)置PCB規(guī)則；元器件從原理圖導(dǎo)入到PCB圖；PCB圖中元器件的布局布線；信號(hào)完整性分析；各種文件報(bào)表的生成；送工廠加工制板[9]。目前，市場(chǎng)上面繪制原理圖，PCB的軟件有很多種，主要流行的有Altium公司、MentorGraphics公司和Cadence公司的相關(guān)制圖產(chǎn)品。這些產(chǎn)品各有各的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)，但也都大同小異。本設(shè)計(jì)中使用的Altium公司的AltiumDesigner6.9，該軟件可以說(shuō)是Altium公司早期的Protel畫(huà)板軟件的升級(jí)版本。該軟件不僅集成了設(shè)計(jì)原理圖，電路仿真，PCB繪制等基本功能，還加入了FPGA設(shè)計(jì)和嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)功能。AltiumDesigner6.9界面靈活人性化，操作快捷方便。圖3.14AltiumDesigner6.9操作界面程序設(shè)計(jì)及相關(guān)開(kāi)發(fā)軟件簡(jiǎn)介程序設(shè)計(jì)及開(kāi)發(fā)環(huán)境介紹本設(shè)計(jì)中的C程序設(shè)計(jì)都是在ARM裸機(jī)編譯環(huán)境ADS1.2下進(jìn)行的。強(qiáng)大的ADS1.2集成開(kāi)發(fā)環(huán)境包括Codewarrior編譯器和AXD仿真調(diào)試器兩大部分，當(dāng)然ADS還支持外來(lái)的插件，這就使得ADS的功能可以外擴(kuò)到很大。Codewarrior編譯器支持匯編語(yǔ)言，C語(yǔ)言，C++和javascript語(yǔ)言的程序編譯[13]。該軟件使用方便，容易上手，非常適和初學(xué)者。下圖是ADS下Codewarrior編譯器界面圖4.1Codewarrior編譯器界面整體程序設(shè)計(jì)流程圖在本設(shè)計(jì)中，主要涉及DDS信號(hào)發(fā)生的控制程序，按鍵掃描檢測(cè)程序，輸出信號(hào)頻率電流幅值檢測(cè)程序和ADC程序，LCD液晶顯示程序等模塊程序。整體程序流程框圖如下開(kāi)始開(kāi)始ARM系統(tǒng)上電初始化設(shè)置按鍵掃描有無(wú)按鍵按下？對(duì)應(yīng)按鍵值，將新的頻率或相位控制字送給DDS芯片，使其輸出對(duì)應(yīng)頻率信號(hào)結(jié)束初始化ADC、DDS模塊和液晶，使信號(hào)輸出頻率為一定值，等待指令有無(wú)IO口采集同頻率方波信號(hào)的頻率，AD采集電壓幅值，計(jì)算出電流值大小液晶上顯示實(shí)測(cè)信號(hào)頻率值，電流值圖4.2整體程序流程框圖如程序框圖所示，上電后程序進(jìn)行AD9850芯片，AD和液晶等初始化，掃描按鍵后，檢測(cè)是否有按鍵按下，如果有，則對(duì)應(yīng)按鍵值，將新的頻率或相位控制字送給AD9850芯片，使其輸出對(duì)應(yīng)頻率信號(hào)，同時(shí)IO口對(duì)同頻率的方波輸出（為了使方波的高低電平能被IO識(shí)別，已經(jīng)對(duì)該信號(hào)進(jìn)行了適當(dāng)放大）進(jìn)行檢測(cè)。最后把檢測(cè)值（頻率值電流值）送到液晶顯示。具體程序代碼見(jiàn)附錄按鍵掃描程序設(shè)計(jì)按鍵掃描程序流程圖初始化初始化掃描鍵盤(pán)消抖，延時(shí)一段時(shí)間按照對(duì)應(yīng)鍵值去控制操作結(jié)束是否開(kāi)始是否有按鍵按下？是否有按鍵按下？否圖4.3按鍵掃描程序流程圖在本設(shè)計(jì)中按鍵控制的過(guò)程是：按下頻段選擇鍵，進(jìn)行頻段選擇（系統(tǒng)程序默認(rèn)情況下直接進(jìn)入1MHz以下的頻段），對(duì)于頻率的調(diào)節(jié)，1MHz以下時(shí)，按“+”“-”按鍵以1kHZ的頻率步進(jìn)；1MHz以上時(shí)，按“+”“-”按鍵以2MHZ的頻率步進(jìn)；10MHz以上時(shí)，按“+”“-”按鍵以10MHZ的頻率步進(jìn)。這種方式能夠設(shè)定的頻率很有限，但是節(jié)省IO口資源和按鍵，有利于儀表微型化，只適合于初級(jí)階段試驗(yàn)裝置。ARM控制AD9850信號(hào)發(fā)生程序開(kāi)始開(kāi)始AD9850復(fù)位，初始化為串口讀寫(xiě)方式，i=0w_clk線拉低，讀取serialload線的高低，w_clk線拉高，讀取一位數(shù)據(jù)i>40?即串行數(shù)據(jù)流位數(shù)是否大于40bit？否是40位頻率相位控制字加載到AD9850，測(cè)試正弦激勵(lì)信號(hào)結(jié)束圖4.4AD9850基礎(chǔ)信號(hào)發(fā)生的程序流程圖AD9850內(nèi)部共有5個(gè)8位輸入數(shù)據(jù)寄存器，F(xiàn)SW頻率控制字占其中的32位，其余是相位控制字，省電模式控制字和加載格式控制字等。單片機(jī)通過(guò)對(duì)32位控制字的賦值可精確控制最終合成的信號(hào)頻率。AD9850與單片機(jī)采用并行通信方式或串行通信方式改變這40位數(shù)據(jù)寄存器的值。采用并行通信方式時(shí)，每次向數(shù)據(jù)輸入寄存器加載8位數(shù)據(jù)，連續(xù)迭代裝入5次8位數(shù)據(jù)，并行時(shí)序圖如圖圖4.5AD9850并行頻率或相位控制字下載時(shí)序圖頻率調(diào)諧字、幅值和相位控制字均以并行字節(jié)或串行加載格式載入AD9850。采用串行通信方式時(shí)，則是將40位串行數(shù)據(jù)流加載到單個(gè)引腳（D7腳）上的。本設(shè)計(jì)中采用串行通信格式實(shí)現(xiàn)ARM對(duì)AD9850的控制。圖4.6AD9850串行通信方式初始化時(shí)序圖4.7AD9850串行頻率或相位控制字下載更新時(shí)序圖頻率檢測(cè)和電流檢測(cè)程序設(shè)計(jì)對(duì)于頻率檢測(cè)本設(shè)計(jì)巧妙的運(yùn)用了AD9850產(chǎn)生的與正弦波同頻率的方波（內(nèi)部高速比較器將正弦波轉(zhuǎn)換成方波），然后IO判斷電平高低進(jìn)行計(jì)頻。即計(jì)數(shù)1秒內(nèi)IO口拉高拉低的次數(shù)。而對(duì)于電流的檢測(cè)則是對(duì)采樣電阻上的電壓用ARM片上內(nèi)置ADC采集，再通過(guò)一定的換算得來(lái)。這兩部分的程序見(jiàn)附錄。開(kāi)始開(kāi)始初始化下降沿觸發(fā)的IO中斷初始化定時(shí)器，num=0；定時(shí)器計(jì)時(shí)是否IO中斷？定時(shí)器中斷？定時(shí)器清零，num++；定時(shí)器現(xiàn)在的時(shí)間+定時(shí)器溢出時(shí)間*num即是方波周期，求倒數(shù)，即為頻率結(jié)束是否是否圖4.8頻率檢測(cè)程序框圖LCD12864液晶顯示程序圖4.912864串行寫(xiě)時(shí)序12864初始化后，等待控制器向其寫(xiě)命令或數(shù)據(jù)，先寫(xiě)命令控制LCD的顯示狀態(tài)模式，然后，寫(xiě)要顯示的數(shù)據(jù)。其時(shí)序格式如圖4-8所示。圖4.10LCD12864液晶顯示程序流程圖EIT激勵(lì)信號(hào)發(fā)生器性能測(cè)試測(cè)試的前的準(zhǔn)備準(zhǔn)備好信號(hào)發(fā)生器，雙通道示波器，電源，杜邦線，小螺絲刀等器材。對(duì)于一些濾波電路、放大電路能仿真的先仿真后焊接，焊接好后，也要分段進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試步驟1，用杜邦線連接相關(guān)電路模塊，線性直流電源，arm最小系統(tǒng)，AD9850電路，濾波放大模塊，鍵盤(pán)輸入模塊，液晶12864模塊。2，將正弦波信號(hào)輸出腳，連接至示波器通道一的探頭線，將方波信號(hào)輸出腳，連接至示波器通道二的探頭線，打開(kāi)示波器（實(shí)物連接圖見(jiàn)附錄三）。3，對(duì)鍵盤(pán)進(jìn)行相應(yīng)操作：按下頻段選擇鍵，進(jìn)行頻段選擇（系統(tǒng)程序默認(rèn)情況下直接進(jìn)入10KHz以下的頻段），對(duì)于頻率的調(diào)節(jié)，10KHz以下時(shí)，按“+”“-”按鍵以1kHZ的頻率步進(jìn)；10KHz以上時(shí)，按“+”“-”按鍵以10KHZ的頻率步進(jìn)；1MHz以上時(shí)，按“+”“-”按鍵以1MHZ的頻率步進(jìn)。4，待示數(shù)穩(wěn)定后，同時(shí)觀察示波器上的實(shí)測(cè)值和12864上顯示的設(shè)定值和實(shí)測(cè)值。測(cè)得如表5-1和表5-2中的數(shù)據(jù)，并做好記錄。5，測(cè)試記錄完畢，關(guān)閉電源整理好器材。測(cè)試結(jié)果與數(shù)據(jù)分析表5.11MHz以下的輸出信號(hào)測(cè)試數(shù)據(jù)頻率設(shè)定值（Hz）示波器顯示LCD12864顯示實(shí)測(cè)值頻率值（Hz）電流值（mA）頻率值（Hz）電流值（mA）10001000.05.01000420002000.05.12001430003000.04.92990440004000.04.93996350005000.04.84993360006000.04.85877470007000.04.76550480008000.04.88022390009000.04.8900031000010000.04.8100303表5.210KHz以上1MHz以下的輸出信號(hào)測(cè)試數(shù)據(jù)頻率設(shè)定值（KHz）示波器顯示LCD12864顯示實(shí)測(cè)值頻率值（KHz）電流值（mA）頻率值（Hz）電流值（mA）1010.05.01000042020.05.12000043030.04.92990044040.04.93996035050.04.84993036050.04.85877047070.04.76550048080.04.88022039090.04.8900003100100.004.81003003表5.31MHz以上的輸出信號(hào)測(cè)試數(shù)據(jù)頻率設(shè)定值（MHz）示波器顯示LCD12864顯示實(shí)測(cè)值頻率值（MHz）電流值（mA）頻率值（Hz）電流值（mA）11.004.81000000322.004.72000000333.004.83000000344.004.84000000355.004.85000000366.004.72000000477.004.7——38——4.7——39——4.8——310——————從表中，除去一些明顯錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)，可以看出示波器顯示的數(shù)據(jù)和設(shè)定值之間存在一定的誤差，這兩者之間的誤差可能來(lái)自示波器儀表本身和基礎(chǔ)信號(hào)發(fā)生電路，濾波電路等。而LCD顯示值與頻率設(shè)定值也存在挺大的誤差是因?yàn)橹虚g又經(jīng)過(guò)了放大電路，AD轉(zhuǎn)化等過(guò)程。還存在著一個(gè)嚴(yán)重問(wèn)題，當(dāng)頻率達(dá)到30MHz以上，隨著頻率的增大，波形越來(lái)越不干凈，諧波大增以至于波形失真嚴(yán)重，測(cè)試出的頻率混亂。結(jié)論在本設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)出了基本上能夠滿足EIT電阻抗成像系統(tǒng)要求的多頻激勵(lì)信號(hào)源，實(shí)現(xiàn)了頻帶的增寬。從選題開(kāi)始到做出畢業(yè)設(shè)計(jì)，我一直不曾停止過(guò)學(xué)習(xí)，越到細(xì)處，越發(fā)現(xiàn)需要學(xué)習(xí)的知識(shí)太多了。在完成本設(shè)計(jì)的過(guò)程中，學(xué)習(xí)收獲了許多知識(shí)，主要有：搜集了大量相關(guān)資料，了解了EIT的國(guó)內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r及遇到的發(fā)展瓶頸；在選擇信號(hào)發(fā)生方案時(shí)，對(duì)DDS直接頻率合成又做了了解；在微處理器方面，學(xué)習(xí)了ARM9處理器和嵌入式方面知識(shí)，完成了ARM9最小硬件系統(tǒng)使用與調(diào)試；了解了ARM對(duì)應(yīng)的程序編譯器ADS，并編寫(xiě)了一些簡(jiǎn)單程序；學(xué)習(xí)了multisim等仿真軟件和繪制原理、PCB的軟件AltiumDesigner6.9；學(xué)會(huì)了硬件電路設(shè)計(jì)，繪制設(shè)計(jì)了設(shè)計(jì)中模塊原理圖與PCB。由于自己之前并沒(méi)有怎么接觸過(guò)ARM及嵌入式，只是學(xué)習(xí)過(guò)單片機(jī)的知識(shí)，本設(shè)計(jì)對(duì)于我是個(gè)不小的挑戰(zhàn)。在這種情況下做出的EIT激勵(lì)信號(hào)源設(shè)計(jì)肯定會(huì)有很多不足之處：控制程序出錯(cuò)，達(dá)不到想要的控制目的；輸出信號(hào)波形失真，幅值衰減；整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定等問(wèn)題都存在。最終，恒流激勵(lì)信號(hào)源系統(tǒng)基本上達(dá)到了要求：輸出正弦波信號(hào)頻率0~10MHz，輸出電流基本穩(wěn)定在4mA，并且對(duì)信號(hào)的輸出與顯示的控制基本上達(dá)到了要求。但待解決和需要改進(jìn)的還很多。參考文獻(xiàn)[1]董秀珍，生物電阻抗成像研究的現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)，中國(guó)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)報(bào)，2008，27（5）：1~6[2]吳右，數(shù)字化EIT系統(tǒng)多頻激勵(lì)源及正交解調(diào)方法研究：碩士學(xué)位論文，北京；北京醫(yī)學(xué)科學(xué)院，2010[3]趙翰林，基于FPGA的DDS直接數(shù)字頻率合成器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，大眾科技，2010，2（6）：1~8[4]J.-L.Danger*,S.Guilley,P.Hoogvorst.HighspeedtruerandomnumbergeneratorbasedonopenloopstructuresinFPGAs[J].MicroelectronicsJournal,2009,40:1650-1656[5]王金寧，基于總線的嵌入式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)，北京化工大學(xué)，2009[6]趙俊杰，徐華中，高精度發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)的測(cè)量與模擬技術(shù)研究，計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程，2010，9（9）：1~10[7]黃根春，州立青，張望先，全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽教程-基于TI器件設(shè)計(jì)方法[M]，北京：電子工業(yè)出版社，2011.4[8]陳曉艷，熊偉，生物醫(yī)學(xué)電阻抗成像系統(tǒng)信號(hào)源的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，天津；天津科技大學(xué)電子信息與自動(dòng)化學(xué)院，2011[9]陳尚松，郭慶，雷加，等，電子測(cè)量與儀器[M].第二版.北京：電子工業(yè)出版社,2009[10]譚浩強(qiáng)，C程序設(shè)計(jì)[M]，北京：清華大學(xué)出版社,1991[11]馬明建，周長(zhǎng)城，數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)[M].西安：西安交通大學(xué)出版社，1998[12]韋東山，嵌入式Linux應(yīng)用開(kāi)發(fā)完全手冊(cè)，北京：人民郵電出版社,2008[13]費(fèi)業(yè)泰，誤差理論與數(shù)據(jù)處理[M]，第六版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.6[14]杜春雷，ARM體系結(jié)構(gòu)與編程[M]，北京：清華大學(xué)出版社，2003[15]朱雯君，基于AT89C51的電阻抗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，上海；上海大學(xué)通信工程系，2003[16]曹群，基于DDS的中功率低頻信號(hào)源的設(shè)計(jì)，上海；上海交通大學(xué)儀器科學(xué)與工程系，2003[17]邱關(guān)源，羅先覺(jué).電路[M].第五版.北京：高等教育出版社，2006.5[18]趙俊杰，民用飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)綜合儀表測(cè)試設(shè)備的研制，武漢理工大學(xué)，2010[19]童詩(shī)白，華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].第五版，北京：高等教育出版社，2001[20]舒懷林，單片機(jī)原理與接口技術(shù)[M]，武漢：華中科技大學(xué)出版社，2001[21]（美）WilliamStallings,陳向群，陳渝譯，操作系統(tǒng)：精髓與設(shè)計(jì)原理[M]，北京：電子工業(yè)出版社，2010[22]沙占友，王彥朋，孟志永，等.單片機(jī)外圍電路設(shè)計(jì)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2003[23]劉明成，基于DDS技術(shù)的程控信號(hào)源設(shè)計(jì)，天津，天津大學(xué)，2006[24]初晨，高頻數(shù)字低電平系統(tǒng)設(shè)計(jì)和Robinson不穩(wěn)定性的研究，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2011[25]趙俊杰，民用飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)綜合儀表測(cè)試設(shè)備的研制，武漢理工大學(xué)，2010[26]（美）Robertlove.LinuxKernelDevelopment(3rdEdition),Addison-WesleyProfessional

[27]（美）Jonathan

Corbet,Alessandro

Rubini,GregKroah-Hartman,LinuxDeviceDrivers,3rdEdition.

o‘reilly2006.1致謝畢業(yè)設(shè)計(jì)是對(duì)大學(xué)學(xué)習(xí)生活的總結(jié)和對(duì)大學(xué)四年所學(xué)知識(shí)的高度概括。在這近半年的畢業(yè)設(shè)計(jì)時(shí)間里，我遇到了種種困難，明白了自己的不足，意識(shí)到了理論與實(shí)踐的差距。在這大學(xué)四年的生活里，我要感謝的人很多。對(duì)于本設(shè)計(jì)的指導(dǎo)，首先要感謝的是任宏偉老師，他嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度和科學(xué)的工作方法給了我極大的幫助和影響。從大二暑假，我有幸進(jìn)入任老師的實(shí)驗(yàn)室學(xué)習(xí)，在這里我結(jié)識(shí)了上屆的學(xué)長(zhǎng)，他們?cè)趯?shí)驗(yàn)室的學(xué)習(xí)中給了我很大的幫助，從剛進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的新奇，到對(duì)調(diào)試程序的疲倦，中間有許許多多的挫折，在我無(wú)助迷忙時(shí)，是任老師和學(xué)長(zhǎng)們給了我鼓勵(lì)，給我耐心認(rèn)真的指導(dǎo)。對(duì)此，我感恩在心。當(dāng)然，我必須還要感謝和我?jiàn)^斗在一起的實(shí)驗(yàn)室的同學(xué)張欣欣、屈高鵬、王浩強(qiáng)等等。我們彼此幫助，彼此幫助，一起學(xué)習(xí)生活，一起參加電子大賽，正式因?yàn)檫@樣良好的學(xué)習(xí)環(huán)境才使我們能夠不斷進(jìn)步，不斷成長(zhǎng)。大學(xué)里我有溫馨的宿舍，有團(tuán)結(jié)友善的班級(jí)，有積極進(jìn)取的實(shí)驗(yàn)室，感謝母校濟(jì)南大學(xué)給予我那么多！最后感謝我的親人和默默支持我的人，感謝我身邊的所有人！謝謝你們！附錄附錄一.電路原理圖ARM最小系統(tǒng)原理圖（AltiumDesigner繪制）Part1Part2Part3EIT激勵(lì)信號(hào)源系統(tǒng)原理圖附錄二.部分ARM程序//ARM內(nèi)置ADC程序#include"def.h"#include"option.h"#include"2440addr.h"#include"2440lib.h"#include"2440slib.h"#defineREQCNT100//May08,2002SOP#defineADC_FREQ2500000//#defineADC_FREQ1250000//#defineLOOP1#defineLOOP10000volatileU32preScaler;//================================================================================== intReadAdc(intch){inti;staticintprevCh=-1;rADCCON=(1<<14)|(preScaler<<6)|(ch<<3); //setupchannelif(prevCh!=ch){ rADCCON=(1<<14)|(preScaler<<6)|(ch<<3);//setupchannel for(i=0;i<LOOP;i++); //delaytosetupthenextchannel prevCh=ch;}rADCCON|=0x1;//startADCwhile(rADCCON&0x1); //checkifEnable_startislowwhile(!(rADCCON&0x8000)); //checkifEC(EndofConversion)flagishighreturn((int)rADCDAT0&0x3ff);}#include"def.h"#include"option.h"#include"2440addr.h"#include"2440lib.h"#include"2440slib.h"/****************************************************************************** 1X6矩陣鍵盤(pán)六個(gè)輸入引腳： EINT8(GPG0) EINT11(GPG3) EINT13(GPG5) EINT14(GPG6) EINT15(GPG7) EINT19(GPG11) ******************************************************************************/U8Key_Scan(void){ Delay(80); if((rGPGDAT&(1<<0))==0) return1;elseif((rGPGDAT&(1<<3))==0) return2; elseif((rGPGDAT&(1<<5))==0) return3; elseif((rGPGDAT&(1<<6))==0) return4; elseif((rGPGDAT&(1<<7))==0) return5; elseif((rGPGDAT&(1<<11))==0) return6; else return0xff;}staticvoid__irqKey_ISR(void){ U8key; U32r; EnterCritical(&r); if(rINTPND==BIT_EINT8_23){ ClearPending(BIT_EINT8_23); if(rEINTPEND&(1<<8)){ //Uart_Printf("eint11\n"); rEINTPEND|=1<<8; } if(rEINTPEND&(1<<11)){ //Uart_Printf("eint11\n"); rEINTPEND|=1<<11; } if(rEINTPEND&(1<<13)){ //Uart_Printf("eint11\n"); rEINTPEND|=1<<13;} if(rEINTPEND&(1<<14)){ //Uart_Printf("eint11\n"); rEINTPEND|=1<<14; } if(rEINTPEND&(1<<15)){ //Uart_Printf("eint11\n"); rEINTPEND|=1<<15; } if(rEINTPEND&(1<<19)){ // Uart_Printf("eint19\n"); rEINTPEND|=1<<19; } }//#include"def.h"#include"option.h"#include"2440addr.h"#include"2440lib.h"#include"2440slib.h"http://ad9850復(fù)位//////voidad9850_reset_serial(){ ad9850_w_clk=0; ad9850_fq_up=0; //rest信號(hào) ad9850_rest=0; ad9850_rest=1; ad9850_rest=0; //w_clk信號(hào) ad9850_w_clk=0; ad9850_w_clk=1;ad9850_w_clk=0; //fq_up信號(hào) ad9850_fq_up=0; ad9850_fq_up=1; ad9850_fq_up=0;}//***************************************************////向ad9850中寫(xiě)命令與數(shù)據(jù)//////voidad9850_wr_serial(unsignedcharw0,doublefrequence){ unsignedchari,w; longinty; doublex; //計(jì)算頻率的HEX值 x=4294967295/125;//適合125M晶振 //如果時(shí)鐘頻率不為180MHZ，修改該處的頻率值，單位MHz?。?！ frequence=frequence/1000000; frequence=frequence*x; y=frequence; //寫(xiě)w4數(shù)據(jù) w=(y>>=0); for(i=0;i<8;i++) { ad9850_bit_data=(w>>i)&0x01; ad9850_w_clk=1; ad9850_w_clk=0; } //寫(xiě)w3數(shù)據(jù) w=(y>>8); for(i=0;i<8;i++) { ad9850_bit_data=(w>>i)&0x01;ad9850_w_clk=1; ad9850_w_clk=0; } //寫(xiě)w2數(shù)據(jù) w=(y>>16); for(i=0;i<8;i++) { ad9850_bit_data=(w>>i)&0x01; ad9850_w_clk=1; ad9850_w_clk=0; } //寫(xiě)w1數(shù)據(jù) w=(y>>24); for(i=0;i<8;i++) { ad9850_bit_data=(w>>i)&0x01; ad9850_w_clk=1; ad9850_w_clk=0; } //寫(xiě)w0數(shù)據(jù) w=w0; for(i=0;i<8;i++) { ad9850_bit_data=(w>>i)&0x01; ad9850_w_clk=1; ad9850_w_clk=0; } //移入始能 ad9850_fq_up=1; ad9850_fq_up=0;}/****************************************************************NAME:u2440mon.cDESC:u2440monentrypoint,menu,download****************************************************************/#define GLOBAL_CLK 1#include