熊小凡，苗櫪文，馬藝馨

（上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院儀器科學(xué)與工程系，上海200240）

電阻抗層析成像（ElectricalImpedanceTomography，EIT）技術(shù)，基于CT原理和電磁理論，通過(guò)測(cè)量被測(cè)對(duì)象邊界上的大量轉(zhuǎn)移阻抗數(shù)據(jù)和一定的圖像重建過(guò)程，獲取被測(cè)對(duì)象內(nèi)部的電導(dǎo)率和介電常數(shù)分布信息，從而通過(guò)電參數(shù)與病理/生理狀況的相關(guān)性進(jìn)行醫(yī)學(xué)檢測(cè)[1-3]。作為一種可視化的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，EIT技術(shù)具有無(wú)輻射、非侵入、速度快、設(shè)備成本相對(duì)較低、設(shè)備尺寸相對(duì)較小等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)多相流測(cè)量領(lǐng)域、地球物理檢測(cè)領(lǐng)域、以及醫(yī)學(xué)輔助監(jiān)測(cè)領(lǐng)域都有廣闊的應(yīng)用前景[4-5]。在目前的EIT系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，缺乏較為可靠的、穩(wěn)定的以及能夠適應(yīng)不同精度要求的嵌入式控制系統(tǒng)[6-7]。為了提高EIT系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集效率和增強(qiáng)數(shù)據(jù)采集的穩(wěn)定性及可靠性，本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種分布式的EIT系統(tǒng)主控板的嵌入式控制程序。嵌入式控制軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了頻率和幅值可調(diào)的激勵(lì)信號(hào)控制電路，以及頻率和輸出個(gè)數(shù)精確控制的ADC采用時(shí)鐘信號(hào)的產(chǎn)生[8-9]。通過(guò)主控板使各個(gè)前端能夠獨(dú)立判斷當(dāng)前測(cè)量狀態(tài)，修改測(cè)量配置，實(shí)現(xiàn)多通道同步。

系統(tǒng)軟件控制具有很高的可靠性和靈活性，通過(guò)主控板的廣播信息能夠獲得系統(tǒng)當(dāng)前工作的電極數(shù)目和單次測(cè)量點(diǎn)數(shù)等信息，從而修改自己的測(cè)量配置參數(shù)與不同電極數(shù)目的EIT數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測(cè)量設(shè)置相匹配，不需要重新燒寫(xiě)程序，便于進(jìn)行不同精度的EIT應(yīng)用領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)研究。

1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

文中設(shè)計(jì)的嵌入式程序主要基于一種分布式高精度多頻率的醫(yī)用電阻抗成像測(cè)量系統(tǒng)。該系統(tǒng)綜合了集中式和分布式系統(tǒng)的特性，采用集中式系統(tǒng)的單激勵(lì)源方案作為激勵(lì)方案，采用多通道的分布式系統(tǒng)作為測(cè)量方案。激勵(lì)源和測(cè)量電路均設(shè)置在前端采集系統(tǒng)，前端系統(tǒng)通過(guò)復(fù)合電極和被測(cè)對(duì)象相連，這樣在電極端可以對(duì)激勵(lì)電流和測(cè)量電壓進(jìn)行同步采樣，構(gòu)成分布式控制方案，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。另外，為了提高系統(tǒng)效率，采用了線與邏輯電路實(shí)現(xiàn)硬件握手，控制前端板和主控板的信號(hào)收發(fā)邏輯[10-12]。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

2 軟件總體設(shè)計(jì)

文中的EIT數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要可以分為主控模塊和前端測(cè)量模塊兩個(gè)部分，兩部分分別以MCU為控制核心，其中，主控模塊產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào)、產(chǎn)生前端測(cè)量同步、與前端測(cè)量模塊通信以及與上位機(jī)通信。

兩個(gè)程序相互配合，從而實(shí)現(xiàn)人體阻抗信息的采集，并將數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)用于成像和分析。圖2為EIT數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的總體軟件框圖，本系統(tǒng)分別由初始化子程序，各模塊的驅(qū)動(dòng)程序，通信程序，測(cè)量控制程序，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和讀取等子程序組成。

3 主控板軟件設(shè)計(jì)

主控板程序主要完成前端測(cè)量同步，信號(hào)產(chǎn)生和通信的主要功能。程序開(kāi)始時(shí)，主控板上的MCU（STM32F103）首先進(jìn)行初始化，配置系統(tǒng)時(shí)鐘，初始化各個(gè)外設(shè)，使能全局中斷，并進(jìn)入空閑等待狀態(tài)。

圖2 系統(tǒng)軟件總體框圖

圖3 主控板程序流程圖

當(dāng)PC端從串口（UART）發(fā)送測(cè)量指令時(shí)，主控板上MCU進(jìn)入串口子程序?qū)γ钸M(jìn)行解碼，獲得測(cè)量頻率和幀數(shù)的信息。配置DDS的輸出模式，配置定時(shí)器的PWM輸出，設(shè)置ADC采樣時(shí)鐘的頻率，將測(cè)量相關(guān)命令通過(guò)CAN總線廣播給各個(gè)前端板，并等待所有前端板報(bào)告準(zhǔn)備情況。收到全部報(bào)告后開(kāi)啟PWM輸出，每次PWM輸出后程序等待前端板的握手信號(hào)，收到握手信號(hào)后開(kāi)始下次測(cè)量。完成要求測(cè)量幀數(shù)后，MCU通過(guò)CAN總線向前端請(qǐng)求數(shù)據(jù)，收到數(shù)據(jù)后通過(guò)UART上傳給PC端后重新進(jìn)入空閑狀態(tài)。主程序的流程圖如圖3所示。

3.1 程序初始化

MCU的初始化過(guò)程由系統(tǒng)初始化和外設(shè)初始化組成。其中系統(tǒng)初始化包括MCU的系統(tǒng)時(shí)鐘配置和全局中斷使能。之后，MCU進(jìn)入外設(shè)初始化階段，本模塊使用的外設(shè)包括兩路SPI接口，兩路定時(shí)器TIM2和TIM3，CAN接口和UART接口，以及一個(gè)外部中斷EXIT1，外設(shè)初始化后，相關(guān)功能時(shí)鐘使能，IO口工作模式，中斷模式配置完成。程序進(jìn)入空閑狀態(tài)，等待PC端的測(cè)量開(kāi)始命令。

3.2 各功能模塊程序設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的主要功能模塊包括信號(hào)產(chǎn)生模塊，同步時(shí)鐘模塊，握手信號(hào)響應(yīng)模塊，以及通信模塊4個(gè)部分。信號(hào)產(chǎn)生模塊通過(guò)SPI控制DDS和程控變阻器，同步時(shí)鐘模塊通過(guò)兩路主從模式定時(shí)器TIM2和TIM3控制產(chǎn)生數(shù)目可控的時(shí)鐘信號(hào)，握手信號(hào)邏輯由外部中斷EXIT1響應(yīng)，UART接口和CAN接口分別控制與PC端和前端測(cè)量板的通信。

本程序中涉及3種中斷，UART的接收中斷，CAN的接收中斷，以及外部中斷EXIT1，根據(jù)程序功能，采用逐級(jí)控制的方式控制程序執(zhí)行，中斷優(yōu)先級(jí)依次降低。PC端具有開(kāi)始和停止程序的最高權(quán)限，主控板可以通過(guò)CAN打斷前端的測(cè)量過(guò)程，使整個(gè)測(cè)量過(guò)程靈活可控。

3.3 信號(hào)產(chǎn)生模塊軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的信號(hào)產(chǎn)生由兩部分產(chǎn)生，電流輸出型DDS芯片AD9832產(chǎn)生約為4 mA的恒流正弦信號(hào)，信號(hào)通過(guò)程控變阻器芯片AD5160后變成幅值可調(diào)的電壓信號(hào)輸出。兩款芯片的編程都由SPI接口控制，本系統(tǒng)使用的MCU芯片具有豐富的外設(shè)，片內(nèi)有3個(gè)獨(dú)立的SPI接口可供使用，允許芯片實(shí)現(xiàn)與外部設(shè)備進(jìn)行半/全雙工、同步等多種通信方式，支持8/16位傳輸幀格式，時(shí)鐘極性和數(shù)據(jù)順序可編程，可以快速開(kāi)發(fā)SPI控制程序。該部分采用兩路SPI分別控制AD9832和AD5160，SPI作為主控設(shè)備，分別通過(guò)兩路從設(shè)備選擇管腳（NSS），主設(shè)備數(shù)據(jù)輸出管腳（MOSI），串口時(shí)鐘輸出管腳（SCK）與從設(shè)備相連。結(jié)合ST公司的固件庫(kù)和例程，可以通過(guò)固件庫(kù)中的結(jié)構(gòu)體快速配置SPI接口的管腳功能（GPIO_Init）、時(shí) 鐘 使 能（RCC_APB1 Periph Clock Cmd），配置通信的SCK時(shí)鐘特性、工作模式、數(shù)據(jù)位數(shù)、數(shù)據(jù)方向（SPI_Init），采用 SPI_I2S_SendData（SPIx，TxDATA）函數(shù)完成SPI數(shù)據(jù)的發(fā)送。使用時(shí)首先檢查SPI的發(fā)送緩沖器空閑標(biāo)志TXE，檢測(cè)到空閑狀態(tài)后，只需要修改x=1/2以及需要發(fā)送的TxDATA的內(nèi)容，即可完成一次SPI通信，發(fā)送完成后，檢測(cè)SPI的忙（BUSY）標(biāo)志，傳輸結(jié)束后該標(biāo)志被清除，即可進(jìn)行下一次通信。

3.3.1 AD5160的軟件設(shè)計(jì)

程控變阻器AD5160是一個(gè)8位變阻器，僅通過(guò)一次SPI的寫(xiě)操作即可完成電阻阻值的切換，它的輸出阻值R與控制字R_DATA的關(guān)系由下式定義：

控制程序可以表示為：

while（SPI_I2S_GetFlagStatus（SPI2，SPI_I2S_FLAG_TXE）==RESET）；//檢查發(fā)送緩沖器是否空閑

SPI_I2S_SendData（SPI2，R_DATA）；//發(fā)送阻值控制字

while（SPI_I2S_GetFlagStatus（SPI2，SPI_I2S_FLAG_BSY）!=RESET）；//等待發(fā)送完成

3.3.2 AD9832的軟件設(shè)計(jì)

AD9832的輸出由頻率寄存器（Frequency Register）、遲延寄存器（Defer Register）和命令序列（Command Sequence）3個(gè)寄存器控制。頻率寄存器是一個(gè)32位寄存器，需要分4次寫(xiě)入，一次寫(xiě)入一個(gè)字節(jié)信息，頻率控制字的計(jì)算公式為：

其中，fMCLK為AD9832的外接晶振的時(shí)鐘頻率。

4次寫(xiě)入的頻率控制字需要通過(guò)延遲寄存器組合為兩組16位控制字后通過(guò)命令序列載入頻率累加器配置輸出。它的信號(hào)產(chǎn)生程序?qū)懭肓鞒倘鐖D4所示。

3.4 同步時(shí)鐘模塊軟件設(shè)計(jì)

EIT數(shù)據(jù)采集要求每次激勵(lì)過(guò)程中，各個(gè)前端測(cè)量板進(jìn)行同步測(cè)量。為了保證同步性，各個(gè)通道的ADC的采樣時(shí)鐘應(yīng)保證一致性，并且為了能準(zhǔn)確讀取不同激勵(lì)時(shí)得到的響應(yīng)電壓，要求每次采集的時(shí)鐘個(gè)數(shù)是程序可控的。本系統(tǒng)的激勵(lì)信號(hào)頻帶覆蓋1 kHz～1 MHz，為了保證高頻頻段的測(cè)量精度，有效利用片外SRAM的存儲(chǔ)空間，本文設(shè)計(jì)了固定采樣周期數(shù)和變化采樣頻率的時(shí)鐘方案。每對(duì)電極激勵(lì)時(shí)，ADC對(duì)20個(gè)周期的采樣信號(hào)進(jìn)行16倍信號(hào)頻率的采樣，即時(shí)鐘頻率的頻帶為16 kHz～16 MHz?；谝陨系脑O(shè)計(jì)，本文利用兩路定時(shí)器TIM2和TIM3控制產(chǎn)生數(shù)目可控的時(shí)鐘信號(hào)。TIM2和TIM3是兩個(gè)16位的可編程通用定時(shí)器，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)裝載計(jì)數(shù)，輸入捕獲，輸出比較，PWM波產(chǎn)生，單脈沖輸出等多個(gè)功能。并且可以內(nèi)部互聯(lián)，組成主從模式，實(shí)現(xiàn)更加復(fù)雜的功能設(shè)計(jì)。在本設(shè)計(jì)中，TIM2設(shè)置為主控定時(shí)器，工作在單脈沖模式，該模式下定時(shí)器在程序可控延時(shí)后產(chǎn)生一個(gè)固定寬度的脈沖信號(hào)。從定時(shí)器TIM3工作在PWM輸出模式，并受到主控TIM2的門控模式控制。TIM2和TIM3的輸出構(gòu)成一種與門邏輯，即TIM2輸出高電平時(shí)，TIM3輸出PWM波。

STM32F1系列的定時(shí)器配置主要包括時(shí)基單元的配置和工作模式配置兩部分，時(shí)基單元包括計(jì)數(shù)器寄存器（CNT），預(yù)分頻器寄存器（PSC），自動(dòng)裝載寄存器（ARR）3個(gè)寄存器，它們決定了定時(shí)器的工作頻率和更新事件或定時(shí)中斷的時(shí)間間隔。

配置完時(shí)基單元后，設(shè)定TIM2的控制寄存器CR1的OPM位選擇單脈沖模式，并設(shè)置從模式控制寄存器SMCR的TS位，使TIM3的內(nèi)部觸發(fā)源與TIM2的內(nèi)部輸出相連，用來(lái)啟動(dòng)/關(guān)閉TIM3的輸出。同時(shí)，TIM3設(shè)置捕獲/比較模式寄存器將一路輸出設(shè)置為PWM輸出方式，啟動(dòng)方式設(shè)置為門控模式，即可完成定時(shí)器的配置。每當(dāng)TIM2啟動(dòng)后，TIM3即產(chǎn)生所需頻率和個(gè)數(shù)的時(shí)鐘信號(hào)。TIM2的脈沖消失后TIM3的輸出自動(dòng)停止。

圖4 DDS配置程序流程圖

3.5 CAN總線通信軟件設(shè)計(jì)

CAN總線是一種標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)場(chǎng)總線，有效支持分布式控制網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間實(shí)時(shí)和可靠的數(shù)據(jù)傳輸[13]。該總線具有高性能和高可靠性，廣泛用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)、醫(yī)療設(shè)備、汽車電子等方面[14]。它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不分主從模式，可以多主站運(yùn)行，分散仲裁和廣播通信。任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)可向其他節(jié)點(diǎn)發(fā)起數(shù)據(jù)通信，出現(xiàn)總線競(jìng)爭(zhēng)時(shí)，按照優(yōu)先級(jí)順序決定通信次序，且完全由硬件實(shí)現(xiàn)對(duì)接收信息的過(guò)濾，大大提高通信效率[15]。由于以上幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)，本系統(tǒng)的主控板和前端測(cè)量板的通信采用CAN總線實(shí)現(xiàn).由于CAN總線屬于異步串行總線，因此同一網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的每個(gè)節(jié)點(diǎn)要約定同樣的波特率才能進(jìn)行通信。本款控制器的波特率由CAN位時(shí)序寄存器CAN_BTR的SJW，TS2，TS1，BRP位控制，計(jì)算公式為：

其中，CAN_FxR1中STID[11:0]設(shè)置為可通過(guò)過(guò)濾器的數(shù)據(jù)幀的標(biāo)識(shí)符，IDE=0，RTR=0，表示只允許標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)識(shí)符的數(shù)據(jù)幀通過(guò)。對(duì)應(yīng)CAN_FxR2中的STID[11:0]=0xFFE，IDE=1，RTR=1，CAN_FxR2中為1的位代表對(duì)CAN_FxR1的對(duì)應(yīng)位的過(guò)濾。當(dāng)收到報(bào)文中的STID、IDE、RTR與CAN_FxR1相同時(shí)，報(bào)文才能通過(guò)過(guò)濾器進(jìn)入接收郵箱。設(shè)置流程如圖5所示。

圖5 CAN的過(guò)濾器設(shè)置流程圖

4 結(jié)束語(yǔ)

EIT數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主控板的嵌入式軟件設(shè)計(jì)，采用Keil環(huán)境下的基于庫(kù)函數(shù)的MCU外設(shè)配置方法。之后對(duì)本系統(tǒng)的軟件的總體架構(gòu)進(jìn)行了分析，分別給出了主控板的主要功能模塊的驅(qū)動(dòng)程序。其中，對(duì)主控板的激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生模塊，同步時(shí)鐘產(chǎn)生模塊，CAN總線通信模塊進(jìn)行了重點(diǎn)介紹。實(shí)現(xiàn)了頻率和幅值可調(diào)的激勵(lì)信號(hào)控制電路，以及頻率和輸出個(gè)數(shù)精確控制的ADC采用時(shí)鐘信號(hào)的產(chǎn)生。通過(guò)修改測(cè)量配置，可以實(shí)現(xiàn)多通道同步測(cè)量。

文中的嵌入式控制軟件具有很高的可靠性和靈活性，不需要重復(fù)燒寫(xiě)程序，與所研發(fā)的數(shù)據(jù)采集前端模塊和主控板硬件一起實(shí)現(xiàn)了分布式高性能的EIT數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該EIT系統(tǒng)可以用于臨床和實(shí)驗(yàn)研究。

[1]Bayford R.，Tizzard A.Bioimpedance imaging:an overview of potential clinical applications[J].Analyst，2012，137（20）:4635-4643.

[2]李章勇，萇飛霸，任超世，等.一種基于多頻生物電阻抗法的人體腹部脂肪檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2012，25（12）:1643-1647.

[3]張琴艷，馬藝馨.生物組織阻抗溫度特性測(cè)試系統(tǒng)的研究[J].電子設(shè)計(jì)工程，2014，22（20）:135-137.

[4]江玉柱，井賽.幾種磁場(chǎng)方式電阻抗成像技術(shù)的新進(jìn)展[J].中國(guó)醫(yī)療設(shè)備，2015，30（3）:63-66.

[5]徐燦華，董秀珍.生物電阻抗斷層成像技術(shù)及其臨床研究進(jìn)展[J].高電壓技術(shù)，2014（12）:3738-3745.

[6]Zhou H，Xu L，Cao Z，et al.Image reconstruction for invasive ERT in vertical oil well logging[J].Chinese Journal of Chemical Engineering，2012，20（2）:319-328.

[7]萇飛霸，張和華.電阻抗斷層成像技術(shù)研究[J].中國(guó)醫(yī)療器械雜志，2016，40（1）:52-54.

[8]陳曉艷，楊永政.一種肺呼吸電阻抗實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)[J].測(cè)控技術(shù)與儀器儀表，2015，41（5）:73-75.

[9]Zhang H，Yang Z，Huang Z，et al.Transthoracic impedance for themonitoring of quality of manual chest compression during cardiopul monary resuscitation[J].Resuscitation，2012，83（10）:1281-1286.

[10]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)[J].國(guó)外電子測(cè)量技術(shù)，2011，30（1）:50-54.

[11]張偉興，馬藝馨.EIT激勵(lì)電流切換用模擬多路開(kāi)關(guān)的選擇[J].儀表技術(shù)與傳感器，2014（10）:105-107.

[12]程克非，賈廷強(qiáng).基于CPK的TLS握手協(xié)議的設(shè)計(jì)與研究[J].電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2013（3）：420-424.

[13]劉魯源.CAN總線實(shí)時(shí)性和可靠性若干問(wèn)題的研究[D].天津:天津大學(xué)，2010.

[14]李博，李曉強(qiáng).基于can總線的智能控制器設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2015（10）:122-124.

[15]Miao L.A new symmetric semi-parallel Electrical Impedance Tomography（EIT） system-II:The Performance[C].2016IEEEInternationalConference onImagingSystemsandTechniques（IST），Chania，Creece，2016.