基于STM32F4的电阻抗频谱快速测量系统设计

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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。
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