基于Walsh函数的同时多频信号采集系统设计*

赵进创，李贤宇，邱 斌，傅文利

(广西大学 计算机与电子信息学院，广西 南宁530004)

同时多频生物电阻抗测量技术MFOT-BEIT(MFOT Bioelectrical Impedance Measurement Technology)依据人体不同组织、器官具有不同阻抗的原理，通过体表电极同时注入微小的安全混频激励电流检测电极测量组织表面的电压，通过测得的电压信号计算出组织或器官的阻抗变化[1]。MFOT技术能克服多频分时测量时受组织、器官内血流变化影响的不足，是目前的研究热点。为满足生物电阻抗测量系统同时多频激励的要求，目前已出现了的多种同时多频激励源，基于Walsh函数的同时多频混合信号激励源就是其中的一种[2]。因Walsh函数激励源易于用FPGA硬件实现同步信号生成，所以是一种很有发展前景的MFOT激励信号发生器。

为了采样基于Walsh函数的同时多频信号，本文设计了由Cyclone IV EP4CE115F29C7N FPGA和高速A/D转换器AD9240构成的数据采集系统。该系统能对输入的信号进行正确采样，并在计算机上恢复出其原始波形。

1 Walsh函数同时多频信号产生原理

Walsh函数系是一组正交函数系，可表示为WAL(n，t)，其中n表示阶层，t表示时间。可以用奇函数 SAL(n，t)和偶函数 CAL(n，t)表示为[2]：

当n=2k-1，即 SAL(n，t)=SAL(2k-1，t)时 ，Walsh 函数 是一系列占空比相等的方波，它们的频率成倍数增长。基于 Walsh函数的同时多频信号由 SAL(2k-1，t)依照式(2)求得：

其中，p是阶数。图1所示为当p=7时，7阶Walsh函数构 成的多频混合信号， 它包含了f0，2f0，4f0，8f0，16f0，32f0，64f07种频率的方波，其中基波为f0。

图1 7阶Walsh函数构成的多频混合信号

2 信号采集系统构成

多频混合信号采集系统主要由两部分组成：一是以AD9240为中心的前端信号处理和采样部分；二是以FPGA为中心的数据缓存、预处理、传输以及信号控制部分，系统结构如图2所示。

图2 数据采集系统结构框图

初始信号首先经过由OPA657构成的电压跟随器，减小输出阻抗，以提高电路带负载能力；信号通过A/D驱动器和高速采样芯片AD9240，实现电压的模/数转换；采样后的数据缓存至FIFO，然后进行一些简单的数据预处理，最后通过串口传输到计算机进行波形的恢复和阻抗的计算。

3 系统主要模块设计

3.1 采样电路设计

图3 AD9240采样电路

采样电路如图3所示。电路以AD9240为采样芯片。AD9240是一款14bit并行输出、转换速率最高可达10 MS/s的模/数转换芯片，具有采样精度高、转换速度快、功耗低的特点[3]。AD9240在差分输入时性能是最佳的，故本系统采用差分放大器AD8138作为AD9240的驱动。

本系统采用内部参考电压，将AD9240引脚SENSE与引脚REFCOM直接相连，可以将输入电压范围设定为-2.5 V～2.5 V。

3.2 FPGA设计

本系统中FPGA采用Altera公司生产的Cyclone IV EP4CE115F29C7N，它的主要作用是产生采样时钟、存储A/D转换数据以及实现串口通信。

3.2.1 采样时钟的产生

设计中AD9240的采样频率由FPGA通过软件分频的方式产生，FPGA的最高系统时钟 CLK为50 MHz，实际使用时依据具体情况调节分频系数即可得到合适的采样频率。图4为FPGA输出的采样频率波形。

图4 FPGA输出采样频率波形图

3.2.2 FIFO设计

FIFO的读写速度比较快，且读写方便[4]，故本系统通过FIFO来实现采样数据的存储。通过FPGA构造两个FIFO，前一个FIFO存储采样得到的数据，后一个FIFO存储经预处理后的数据。通过软件算法对存储在FIFO中的数据进行预处理(如滤波等)，以减少后期处理的数据量。A/D采样控制及FIFO存储的FPGA原理框图如图5所示。

采样数据的输入与FIFO的输出波形如图6所示。由图6可知，FIFO能在写信号的控制下存储采样数据，并能在读信号的控制下读取所存储的数据。

3.2.3 串口通信

经过预处理的数据需要通过FPGA的串口传输到计算机上做进一步的处理。本系统把串口设计成可同时收发的双工串口，既可以由FPGA向计算机传输数据，也可以由计算机向FPGA发送系统的启动信号，其FPGA原理框图如图7所示。

4 数据采集系统实验

采样数据传输到计算机后，需将采样的数字信号转换为实际电压的大小。由于AD9240是14 bit的A/D转换器，且输入电压范围设定为-2.5 V～+2.5 V之间，故数据换算关系如式（3）所示：

为了验证数据采集系统的正确性，采用如图8所示的实验方案。图中示波器显示原始波形，便于与采集系统的采样波形进行对比。

图8 测量方案示意图

实验中，Walsh函数信号源产生7阶同时多频激励信号，信号是峰峰值为2.5 mA的恒定电流，信号基频f0设为 6 kHz，其他谐波信号分别为∶2f0=12 kHz，4f0=24 kHz，8f0=48 kHz，16f0=96 kHz，32f0=192 kHz，64f0=384 kHz，阻抗模型设为 1.92 kΩ的纯电阻，系统的采样频率设为6.25 MHz。测试结果如图9所示。图9（a）为由示波器显示的原始信号波形图，图 9（b）为采样信号的波形图。 图 10（a）为原始信号的频谱图，图 10（b）为采样信号的频谱图。由图9和图10可以看出，采集系统能正确地采样Walsh函数产生的多频激励信号。

本文设计了基于Walsh函数的同时多频信号采集系统。实验结果表明，系统能够有效地采样输入的同时多频信号，数据经串口传输到计算机后可以方便地恢复出原始波形。该系统满足MFOT-BEIT的测量要求。

[1]赵进创，黎志刚，刘金花，等.生物电阻抗测量系统中同时多频混合激励源的设计[J].计算机测量与控制，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，周有庆，吴桂清.14位并行A/D转换芯片AD9240的应用[J].中国仪器仪表，2003(5)：29-31.

[4]高礼钟.FIFO在高速采集系统中的应用[J].电子测量技术，2005(1)：51-52.