AD5940是一款高精度、超低功耗模擬前端(AFE)系統(tǒng)，旨在激勵(lì)和測(cè)量傳感器的電流、電壓或阻抗響應(yīng)。

AD5940搭載了兩個(gè)高精度測(cè)量環(huán)路。一個(gè)超低功耗、低于1 kHz環(huán)路和一個(gè)高速低于200 kHz環(huán)路，使AD5940能精確測(cè)量傳感器的阻抗。

本應(yīng)用筆記旨在詳細(xì)介紹如何在全生物電系統(tǒng)中設(shè)置AD5940和AD8233，該系統(tǒng)可通過同一組電極進(jìn)行皮膚電活動(dòng)(EDA)、身體阻抗分析(BIA)和心電圖(ECG)測(cè)量。

使用的硬件包含AD5940評(píng)估套件；其中包括基于 EVAL-ADICUP3029Arm? based Arduino 型微控制器；EVAL-AD5940BIOZ評(píng)估板；和AD5940 Z測(cè)試板，如圖1所示。

評(píng)估套件堆疊照片

圖1.

評(píng)估套件

評(píng)估套件內(nèi)容

AD5940評(píng)估套件包括以下內(nèi)容：

EVAL-ADICUP3029

EVAL-AD5940BIOZ

AD5940 Z測(cè)試板

ECG電纜

MicroUSB轉(zhuǎn)USB電纜

EVAL-ADICUP3029

EVAL-ADICUP3029是評(píng)估套件的主要母板，該板搭配有板載 ADuCM3029 微控制器。ADuCM3029是ADI公司一款較領(lǐng)先的Arm Cortex M3器件，用于通過串行外設(shè)接口(SPI)與AD5940進(jìn)行通信。

EVAL-AD5940BIOZ

EVAL-AD5940BIOZ 板包含用于 ECG 測(cè)量的 AD5940 和AD8233芯片。EVAL-AD5940BIOZ是一款A(yù)rduino Uno板型電路板，可插入EVAL-ADICUP3029。該電路板包含ECG、EDA和BIA測(cè)量所需的必要分立式元件，包括隔離電容和限流電阻。該電路板還搭載了連接測(cè)量電纜的接口和AD5940 Z測(cè)試板，后者用于模擬皮膚和身體阻抗。有關(guān)EVALAD5940BIOZ板的更多信息，請(qǐng)參閱 AD5940用戶手冊(cè)維基頁(yè)面。

AD5940 Z測(cè)試板

AD5940 Z測(cè)試板含有電阻、電容和開關(guān)網(wǎng)絡(luò)，專門用于測(cè)試和驗(yàn)證測(cè)量結(jié)果。AD5940 Z測(cè)試板可以模擬一系列的身體和皮膚阻抗，并通過USB連接器插入EVAL-AD5940BIOZ板。有關(guān)AD5940 Z測(cè)試板的更多信息，請(qǐng)參閱AD5940用戶手冊(cè)維基頁(yè)面。

ECG電纜

隨評(píng)估套件提供的ECG電纜是將硬件連接到身體模擬器以進(jìn)行ECG、BIA和EDA測(cè)量的一種手段。切勿將AD5940評(píng)估板連接到身體。表1詳細(xì)介紹了隨附電纜的名稱和顏色映射關(guān)系。

測(cè)量系統(tǒng)概述

AD5940概述

AD5940數(shù)據(jù)采集環(huán)路由一個(gè)低帶寬環(huán)路、一個(gè)高帶寬環(huán)路、一個(gè)高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和一個(gè)可編程開關(guān)矩陣組成。

低帶寬環(huán)路由低功耗、雙輸出數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)組成，后者可為低功耗跨阻放大器(TIA) (VZERO)以及恒電位器放大器(VBIAS)產(chǎn)生偏置電壓。

低帶寬環(huán)路用于低帶寬信號(hào)，其中激勵(lì)信號(hào)的頻率低于200Hz，例如EDA測(cè)量。

高帶寬環(huán)路包括一個(gè)高速DAC（用于在進(jìn)行阻抗測(cè)量時(shí)產(chǎn)生高頻交流激勵(lì)信號(hào)）和一個(gè)高速TIA（用于將高達(dá)200 kHz的高帶寬電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為ADC測(cè)量的電壓）。

高帶寬環(huán)路用于身體阻抗測(cè)量，其中激勵(lì)頻率的范圍為50kHz。

開關(guān)矩陣是一系列可編程開關(guān)，允許將外部引腳連接到高速DAC激勵(lì)放大器和高速TIA反相輸入端。

開關(guān)矩陣提供了一個(gè)接口，用于將外部校準(zhǔn)電阻連接到測(cè)量系統(tǒng)，同時(shí)也用于提高電極連接的靈活性。

AD5940生物電子系統(tǒng)

本應(yīng)用筆記旨在介紹如何在軟件可配置生物電系統(tǒng)中配合AD8233使用AD5940。通過軟件，該系統(tǒng)能夠在同一組電極上測(cè)量BIA、EDA或ECG。

2線生物阻抗

生物阻抗測(cè)量理論

AD5940可以進(jìn)行2線生物阻抗測(cè)量，以滿足通用阻抗測(cè)量需求，也可以測(cè)量身體內(nèi)部的組織。

2線生物阻抗是一種伏安測(cè)量值。若要測(cè)量未知阻抗(ZUNKNOWN)，要將一個(gè)交流激勵(lì)信號(hào)施加于未知阻抗上。測(cè)量激勵(lì)信號(hào)的電壓。然后，測(cè)量流過未知阻抗的電流。通過TIA將電流轉(zhuǎn)換為由ADC測(cè)量的電壓。對(duì)ADC數(shù)據(jù)執(zhí)行離散傅立葉變換(DFT)以獲得電流和電壓值。使用實(shí)部和虛部，計(jì)算幅度，得到未知阻抗電壓(VZUNKNOWN)和未知阻抗電流(IZUNKNOWN)。

使用以下公式計(jì)算傳感器的未知阻抗大小：

其中：
VZUNKNOWNMAG是未知阻抗電壓的大小。
IZUNKNOWNMAG是未知阻抗電流的大小。
RTIA是高速TIA增益電阻的值，單位為Ω。

圖2. 2線生物阻抗測(cè)量圖

生物阻抗測(cè)量必須符合IEC 60601標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)為可進(jìn)入身體的最大允許電流設(shè)定了指導(dǎo)意見。電阻限制(RLIMIT)電流。CISOx是隔離電容器，可確保無直流電流進(jìn)入身體。可以在"計(jì)算"部分中找到關(guān)于如何選擇正確值的指導(dǎo)意見。

使用AD5940的生物阻抗解決方案

本節(jié)介紹用于執(zhí)行2線生物阻抗測(cè)量的AD5940模塊。如"生物阻抗測(cè)量理論"部分所述，2線生物阻抗測(cè)量需要一個(gè)交流電壓源、一個(gè)電壓測(cè)量通道和一個(gè)電流測(cè)量通道。

對(duì)于2線生物阻抗測(cè)量，被測(cè)阻抗可以連接于CE0引腳與SE0、DE0或AINx之間。出于本應(yīng)用筆記的需要，ZUNKNOWN連接在CE0和AIN1之間。

激勵(lì)信號(hào)

AD5940使用其波形發(fā)生器、高速DAC和激勵(lì)放大器來產(chǎn)生高頻激勵(lì)信號(hào)。頻率可編程，范圍為DC至200 kHz。信號(hào)通過CE0引腳施加到傳感器，如圖3所示。信號(hào)幅度可編程，最高可達(dá)±607 mV。

圖3. 2線生物阻抗框圖

測(cè)量電壓

當(dāng)電壓被施加到傳感器時(shí)，測(cè)量激勵(lì)信號(hào)的電壓。ADC的正輸入是P節(jié)點(diǎn)，它通過開關(guān)矩陣連接到CE0，如圖3所示。ADC的負(fù)輸入是N節(jié)點(diǎn)，它連接到高速TIA的負(fù)輸入。使用DFT硬件加速器，對(duì)ADC數(shù)據(jù)執(zhí)行DFT，此時(shí)計(jì)算實(shí)部和虛部，并將其存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)先進(jìn)先出(FIFO)寄存器中。

測(cè)量ZUNKNOWN電流

為測(cè)量ZUNKNOWN電流，將相同的激勵(lì)信號(hào)施加到傳感器。高速TIA將電流轉(zhuǎn)換為電壓，由ADC通過增益電阻RTIA讀取。類似地，對(duì)ADC結(jié)果執(zhí)行DFT，并且將實(shí)部和虛部存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)FIFO中，由主微控制器讀取。

計(jì)算 ZUKNOWN

AD5940用序列器存儲(chǔ)命令。主微控制器（在本例中為EVAL-ADICUP3029）將所需命令寫入序列器。這些命令設(shè)置DAC、ADC和TIA以進(jìn)行測(cè)量。序列器自動(dòng)執(zhí)行命令，與微控制器無關(guān)。首先執(zhí)行電壓測(cè)量。數(shù)據(jù)FIFO已滿時(shí)會(huì)產(chǎn)生中斷。然后微控制器讀取FIFO并存儲(chǔ)DFT結(jié)果的實(shí)部和虛部。然后，配置ADC多路復(fù)用器為將高速TIA輸出連接到ADC以測(cè)量電流。重新運(yùn)行以上序列，AD5940在數(shù)據(jù)FIFO已滿時(shí)產(chǎn)生中斷，提醒主控制器讀取數(shù)據(jù)。

通過下式確定 ZUNKNOWN：

其中：
VMAG為傳感器兩端電壓的大小。
r和i分別為電流和電壓DFT測(cè)量值的實(shí)部和虛部。

計(jì)算

為優(yōu)化AD5940以進(jìn)行2線生物阻抗測(cè)量，請(qǐng)計(jì)算RLIMIT值，添加隔離電容(RTIA)，并計(jì)算精密電阻(RCAL)值。

計(jì)算 RLIMIT

為達(dá)到IEC 60601標(biāo)準(zhǔn)的要求，要限制進(jìn)入身體的交流電量。最大允許交流電流為：50 kHz時(shí)為500μA，60 kHz時(shí)為600μA。計(jì)算RLIMIT電阻值時(shí)，AD5940的最大輸出電壓為1.2 V pp (0.4243 V rms)。將最大允許交流電流設(shè)為最大值的80％或400μA rms。下式是這些值的結(jié)果：

這樣，選擇了一個(gè)1 kΩ RLIMIT，并將其連接到在AD5940的CE0引腳上。這里的計(jì)算忽略了CISOx，因其太小。

隔離電容

為達(dá)到IEC 60601標(biāo)準(zhǔn)，允許進(jìn)入身體的最大直流電流為10μA。在此應(yīng)用中，由于增加了隔離電容，可保證直流電流為零。為隔離電容選擇的值為0.47μF，因?yàn)?.47μF電容足夠大，有適用于可穿戴電子設(shè)備的小型封裝可選。將CE0上的隔離電容CISO1修改為15 nF，如此，該電容就可用于EDA和BIA測(cè)量。有關(guān)計(jì)算細(xì)節(jié)，請(qǐng)參閱EDA部分。

計(jì)算 RTIA

為了計(jì)算高速TIA的增益電阻RTIA，首先要計(jì)算高速TIA的最小阻抗和最大電流。在下面的等式中，RACCESS1MIN和RACCESS2MIN表示連接傳感器的引腳的電阻，假設(shè)為0Ω。求解該式可得：ZMIN =1.2kΩ。

其中：
ZMIN為最小阻抗。
ZUNKNOWNMIN 為最小未知阻抗。本式中假設(shè)為100Ω。
XCISO1MIN 和 XCISO2MIN 在50 kHz時(shí)為67.73Ω。

高速DAC的最大輸出電壓為600 mV峰值。按以下方式計(jì)算進(jìn)入TIA的最大電流(IMAX)：

其中，ZMIN為最小阻抗。

當(dāng)ADC可編程增益放大器(PGA)的增益為1或1.5時(shí)，TIA輸出端允許的峰值電壓為900 mV峰值。故，

AD5940未提供1.8kΩ RTIA選項(xiàng)。故選擇1kΩ選項(xiàng)。

選擇 RCAL

RCAL是一個(gè)精密電阻，與高速DAC和激勵(lì)放大器配合使用，可產(chǎn)生精確的電流。RCAL校準(zhǔn)高速TIA增益電阻。理想情況下，選擇接近RTIA的RCAL值。在這種情況下，RCAL必須為1kΩ。為保證精度，電阻必須具有0.1％的容差。

計(jì)算 ZUNKNOWN

AD5940用序列器存儲(chǔ)命令。主微控制器將所需命令寫入命令存儲(chǔ)器，AD5940自動(dòng)執(zhí)行命令。第一次測(cè)量的是電壓測(cè)量。電壓只需測(cè)量一次，因?yàn)槠浣Y(jié)果會(huì)存儲(chǔ)起來。然后，序列器運(yùn)行測(cè)量序列，施加激勵(lì)電壓并測(cè)量對(duì)數(shù)據(jù)執(zhí)行DFT的響應(yīng)電流。實(shí)部和虛部存儲(chǔ)在FIFO中。可以將序列器配置為使用睡眠和喚醒定時(shí)器定期運(yùn)行。

主微控制器讀取數(shù)據(jù)FIFO，獲得當(dāng)前測(cè)量的實(shí)部和虛部結(jié)果。基于這些值，以下等式可確定電壓測(cè)量幅度和電壓測(cè)量相位：

若要計(jì)算阻抗，請(qǐng)使用歐姆定律，將電壓幅度除以電流幅度。使用RTIA將電流測(cè)量值轉(zhuǎn)換為電壓。必須考慮該增益。因此，用于確定未知阻抗的等式如下：

進(jìn)行2線生物阻抗測(cè)量

硬件設(shè)置

執(zhí)行2線生物阻抗測(cè)量需要EVAL-ADICUP3029、EVALAD5940BIOZ和AD5940 Z測(cè)試板。按圖1所示方式把板堆疊起來。

AD5940 Z測(cè)試板上有五個(gè)開關(guān)組，即S1到S5。S2和S4模擬接觸電阻和引腳阻抗。S1模擬生物阻抗。請(qǐng)注意，S3和S5不適用于2線生物阻抗測(cè)量。要測(cè)試測(cè)量精度，請(qǐng)將S2和S4上的所有開關(guān)設(shè)為開啟位置，結(jié)果會(huì)將接觸阻抗和引腳阻抗設(shè)為零。切換S1上的開關(guān)7，將未知阻抗值設(shè)為2kΩ，如圖4所示。

圖4. 阻抗測(cè)試板

固件設(shè)置

AD5940軟件開發(fā)套件有一個(gè)專用的2線的生物阻抗測(cè)量示例。若要在評(píng)估硬件上執(zhí)行BIA測(cè)量，用戶可以使用ADI公司的SensorPal圖形用戶界面(GUI)工具（見AD5940）或IAR Embedded Workbench固件示例。

若要快速進(jìn)行原型設(shè)計(jì)，請(qǐng)使用SensorPal工具。SensorPal提供了許多可配置的參數(shù)來定義測(cè)量，還提供了快速繪圖機(jī)制。

或者，打開軟件開發(fā)套件中的Examples文件夾，然后依次選擇AD5940_BIOZ-2WIRE > ADICUP3029 > ADICUP3029.eww 。打開 ADICUP3029.eww 文件，在 IAR Embedded Workbench中打開項(xiàng)目工作區(qū)。

按照下述步驟運(yùn)行項(xiàng)目：

編譯并構(gòu)建項(xiàng)目。

啟動(dòng)調(diào)試器，開始執(zhí)行代碼。

打開RealTerm等終端程序，將波特率配置為230400。

選擇EVAL-ADICUP3029連接的通信端口(COM)。

測(cè)量結(jié)果通過通用異步接收發(fā)射器(UART)流式傳輸，可以保存到文件中以進(jìn)行分析。

要修改默認(rèn)應(yīng)用程序參數(shù)，請(qǐng)使用AD5940Main.c文件中的AD5940BIOZStructInit(void)函數(shù)。AppBIOZCfg_Type數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包含應(yīng)用程序的可配置參數(shù)。有關(guān)固件的更多詳細(xì)信息，請(qǐng)參閱軟件開發(fā)套件doc文件夾中的AD5940_Library_ and_examples.chm文件。

圖5. IAR中的BIA項(xiàng)目

圖6. 測(cè)量結(jié)果顯示在終端上

測(cè)量結(jié)果

終端上顯示的測(cè)量結(jié)果如圖6所示。由于2線生物阻抗測(cè)量測(cè)量的是被測(cè)阻抗、接觸阻抗、限流電阻和隔離電容，因此幅度約為4162Ω。

對(duì)于圖7，

其中：
RzMag 為幅度，或R1||R2 + C1。
RLIMIT1 是一個(gè)符合IEC 60601的限流電阻。
XCISO1 為 CISO1的電抗。
REC1 是接觸阻抗。
R1 用于模擬生物阻抗。
R2 用于模擬生物阻抗。
REC2是接觸阻抗。
XCISO2 為 CISO2的電抗。
RLIMIT2 是一個(gè)符合IEC 60601的限流電阻。

圖7. 帶限流電阻和隔離電容的電路

Impedance Profiling_2wireIEC.xls 工作簿提供了計(jì)算預(yù)期結(jié)果的公式，其中考慮了限流電阻、隔離電容和接觸阻抗。

在EVAL-AD5940BIOZ評(píng)估板上，RLIMIT1和RLIMIT2均為1 k，CISO1為15 nF，CISO2為470 nF。假設(shè)REC1為0。將這些值輸入工作簿（如圖8所示），理論值非常接近測(cè)量值。誤差小得益于組件的容差。

圖8. Impedance Profiling_2wireIEC.xls工作簿

ECG

ECG測(cè)量理論

ECG在每個(gè)心動(dòng)周期期間，測(cè)量心臟的電活動(dòng)如何隨著動(dòng)作電位在整個(gè)心臟傳播而隨時(shí)間變化。ECG不直接測(cè)量心臟中的細(xì)胞去極化和復(fù)極化，而是測(cè)量在給定時(shí)間點(diǎn)引起其膜電位變化的細(xì)胞群的相對(duì)累積量。當(dāng)這些心房和心室細(xì)胞發(fā)生去極化和復(fù)極化時(shí)，ECG顯示心臟的電位差。

通常是將兩個(gè)電極直接放置在皮膚上并讀取電極之間的電位差來執(zhí)行ECG。這種方法是可行的，因?yàn)檫@些信號(hào)在全身傳播。檢測(cè)到的波形特征不僅取決于所涉及的心臟組織的量，還取決于電極相對(duì)于心臟中偶極的方向。當(dāng)從不同的電極位測(cè)量時(shí)，ECG波形看起來略有不同，并且通常是使用許多不同的電極位（例如肢體導(dǎo)聯(lián)或心前區(qū)）或配置（如單極、雙極和改進(jìn)雙極）獲得ECG。

出于ECG需要，可將身體視為大體積導(dǎo)體。身體充滿被導(dǎo)電離子流體包圍的組織。心臟懸浮在這些導(dǎo)電介質(zhì)的內(nèi)部。在心動(dòng)周期期間，心臟響應(yīng)沿心臟腔室移動(dòng)的動(dòng)作電位而收縮。

圖9. 典型的心電圖波形與房室和半月瓣活動(dòng)的時(shí)間相比，心室處于收縮期或舒張期的心動(dòng)周期時(shí)段

采用AD5940和AD8233的ECG解決方案

本節(jié)介紹如何使用AD5940和AD8233進(jìn)行ECG測(cè)量。將四個(gè)測(cè)量電極連接到AD5940的開關(guān)矩陣。圖10突出顯示了ECG測(cè)量的信號(hào)鏈。將電極E4直接連接到AD8233的右腿驅(qū)動(dòng)(RLD)輸入端。閉合AD5940開關(guān)矩陣上的內(nèi)部開關(guān)，同時(shí)閉合開關(guān)P5和P6，并通過AFE2連接到AD8233 IN +輸入端，從而把E1和E2連接起來。閉合內(nèi)部開關(guān)N7和內(nèi)部開關(guān)N1，通過AIN0和AFE3將E3連接到AD8233。將AD8233的輸出連接到AD5940上的輔助輸入端AIN6。

圖10. AD5940和AD8233的信號(hào)鏈

AD5940使用序列器存儲(chǔ)測(cè)量命令。主微控制器（本例中為ADuCM3029）將所需命令寫入命令存儲(chǔ)器。序列器運(yùn)行命令，與微控制器無關(guān)。首先運(yùn)行初始化序列以配置基準(zhǔn)電壓源、開關(guān)矩陣、ADC輸入源和ADC濾波器。測(cè)量序列定期運(yùn)行，使用用戶自定義采樣頻率，從AIN6引腳上的AD8233采樣的ECG數(shù)據(jù)。

進(jìn)行ECG測(cè)量

硬件設(shè)置

評(píng)估套件中包含的EVAL-AD5940BIOZ板無需修改硬件即可使用。AD8233引腳上連接了許多表貼電阻和電容，用于設(shè)置系統(tǒng)帶寬。在EVAL-AD5940BIOZ板上，選擇的元件用于監(jiān)護(hù)帶寬（0.34 Hz至38 Hz），系統(tǒng)增益為296。為了計(jì)算不同截止頻率下的適當(dāng)濾波器無源器件選取值，下載 AD8232產(chǎn)品頁(yè)面上列出的AD8232_Filter_Design_Tool.zip文件。

此運(yùn)動(dòng)帶寬（7 Hz至21 Hz）適用于非臨床應(yīng)用，如注重ECG峰值的保健手表。對(duì)于關(guān)注ECG波形的其他方面（如P波、Q波、S波或T波）的應(yīng)用，則需要監(jiān)護(hù)帶寬。

AD5940評(píng)估套件配有定制型的心電圖電纜。這些電纜可以連接到ECG模擬器以測(cè)試硬件。將RLD電極連接到F?。將右手(RH)連接到F+和S+。將左手(LH)連接到S?，如圖11所示。

圖11. ECG模擬器連接到評(píng)估板

切勿將EVAL-AD5940BIOZ評(píng)估板連接到身體。

固件設(shè)置

AD5940軟件開發(fā)套件有一個(gè)專門的ECG測(cè)量的示例。若要在評(píng)估硬件上執(zhí)行 ECG測(cè)量，用戶可以使用 ADI公司的SensorPal GUI工具或IAR Embedded Workbench固件示例。

若要快速進(jìn)行原型設(shè)計(jì)，請(qǐng)使用SensorPal工具。SensorPal提供了許多可配置的參數(shù)來定義測(cè)量，還提供了快速繪圖機(jī)制。

或者，打開軟件開發(fā)套件中的Examples文件夾，然后依次選擇AD5940_ECG > ADICUP3029 > ADICUP3029.eww。打開ADICUP3029.eww文件，在IAR Embedded Workbench中打開項(xiàng)目工作區(qū)。

按照下述步驟編譯和運(yùn)行項(xiàng)目：

編譯和構(gòu)建項(xiàng)目（請(qǐng)參閱AD5940用戶指南維基頁(yè)面）。

啟動(dòng)調(diào)試器，開始執(zhí)行代碼。

打開RealTerm等終端程序，將波特率配置為230400。

選擇EVAL-ADICUP3029將連接的COM端口。

然后，通過UART流式傳輸測(cè)量結(jié)果，這些結(jié)果也可以保存為文件，以便進(jìn)行分析并創(chuàng)建圖形。

要修改應(yīng)用程序默認(rèn)參數(shù)，請(qǐng)使用AD5940ECGStructInit(void)函數(shù)。AppECGCfg_Type數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包含應(yīng)用程序的可配置參數(shù)。有關(guān)固件的更多詳細(xì)信息，請(qǐng)參閱軟件開發(fā)套件doc 文件夾中的AD5940_Library_and_examples.chm文件。

圖12. IAR Embedded Workbench中的ECG固件

圖13. ECG ADC結(jié)果

4線BIA

4線BIA測(cè)量理論

4線BIA測(cè)量法用高精度交流電壓源激勵(lì)交流電壓(VAC)已知的傳感器。同時(shí)，在傳感器上施加共模電壓。若要計(jì)算阻抗，請(qǐng)測(cè)量從未知阻抗流過的電流(I)和未知阻抗上的電壓。

用下式計(jì)算阻抗：

圖14. 4線生物阻抗拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在實(shí)際應(yīng)用中，醫(yī)療設(shè)備必須符合IEC 60601標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)限制了可以施加到身體的直流和交流電壓的量。在圖14中，用分立隔離電容（CISO1、 CISO2、 CISO3和 CISO44）確保在整個(gè)身體中不會(huì)發(fā)生直流電壓。RLIMIT限制提供給傳感器的電流，以達(dá)到IEC 60601標(biāo)準(zhǔn)的要求。RACCESSx表示連接到未知阻抗的電極的電阻。

采用AD5940的4線BIA解決方案

如4線BIA測(cè)量理論部分所述，4線生物阻抗解決方案需要精密交流電壓源、高精度電流表和精密差分電壓表。

精密交流電壓源部分、高精度電流表部分和精密差分電壓表部分描述了在AD5940上實(shí)現(xiàn)這些元件的方式。

精密交流電壓源

AD5940使用高速DAC和波形發(fā)生器來產(chǎn)生精密交流電壓。內(nèi)部差分檢測(cè)配置將CE0和AIN1連接回激勵(lì)緩沖器，從而保證了電壓源的精度。可編程開關(guān)矩陣中的開關(guān)D5將激勵(lì)環(huán)路的輸出端連接到與傳感器相連的CE0引腳。正弦波發(fā)生器產(chǎn)生正弦波，并通過12位高速DAC和激勵(lì)放大器輸出。

高精度電流表

AD5940采用高速、高精度TIA，將來自傳感器的電流轉(zhuǎn)換為電流，由ADC進(jìn)行測(cè)量（見圖15）。TIA通道測(cè)量響應(yīng)電流，并由內(nèi)部1.11 V源精確偏置。使用開關(guān)矩陣將T通道和N通道連接在一起，以便在測(cè)量的電流上實(shí)現(xiàn)精確的檢測(cè)能力。圖15顯示了AD5940的傳感器、高速TIA和ADC之間的連接。在圖15中，HSTIA_P是從高速TIA到ADC多路復(fù)用器的復(fù)用信號(hào)。ADC以800 kSPS的速率轉(zhuǎn)換電流測(cè)量結(jié)果。對(duì)數(shù)據(jù)執(zhí)行DFT。在AD5940上實(shí)施了DFT。DFT點(diǎn)的數(shù)量最多可配置為16,384個(gè)。AD5940計(jì)算實(shí)部和虛部，主微控制器計(jì)算傳感器的未知阻抗。

圖15. 生物阻抗信號(hào)路徑

精密差分電壓表

AD5940使用低功耗DAC和低功耗TIA，通過AIN4/LPF0引腳設(shè)置AIN2和AIN3/BUF_VREF1V8之間的共模電壓。將低功耗DAC的VBIAS輸出端連接到低功耗TIA正輸入端。低功耗DAC配置為輸出精確的1.1 V。連接低功耗TIA輸出端的內(nèi)部RFILTER電阻。將共模電壓(VCM)連接到AIN4/LPF0，后者有一個(gè)接地電容，可形成低通濾波器。

計(jì)算BIA的分立式組件

系統(tǒng)中需要許多分立式組件以確保安全性和準(zhǔn)確性。本節(jié)介紹用于選擇合適的隔離電容、面向高速TIA的增益電阻和限流電阻的各種計(jì)算。

限流電阻

為達(dá)到IEC 60601標(biāo)準(zhǔn)的要求，要限制進(jìn)入身體的交流電量。最大允許交流電流為：50 kHz時(shí)為500μA，60 kHz時(shí)為600μA。計(jì)算RLIMIT電阻值時(shí)，AD5940的最大輸出電壓為1.2 V pp (0.4243 V rms)。將最大允許交流電流設(shè)為最大值的80％或400μA rms。下式是這些值的結(jié)果：

這樣，選擇了一個(gè)1 kΩ RLIMIT，并將其連接到在AD5940的CE0引腳上。這里的計(jì)算忽略了CISOx，因其太小。

隔離電容

為達(dá)到IEC 60601標(biāo)準(zhǔn)，允許進(jìn)入身體的最大直流電流為10μA。在此應(yīng)用中，由于增加了隔離電容，可保證直流電流為零。為隔離電容選擇的值為0.47μF，因?yàn)?.47μF電容足夠大，有適用于可穿戴電子設(shè)備的小型封裝可選。將CE0上的隔離電容CISO1修改為15 nF，如此，該電容就可用于EDA和BIA測(cè)量。有關(guān)計(jì)算細(xì)節(jié)，請(qǐng)參閱EDA部分。

高速TIA增益電阻

為了計(jì)算高速TIA的增益電阻RTIA，首先要計(jì)算高速TIA的最小阻抗和最大電流。在下面的等式中，RACCESS1MIN和RACCESS2MIN表示連接傳感器的引腳的電阻，假設(shè)為0Ω。求解該式可得： ZMIN =1.2kΩ。

其中：
ZUNKNOWNMIN 在本式中假定為200Ω。
XCISO1MIN 和 XCISO2MIN 在50 kHz時(shí)為67.73Ω。

最大電壓為600 mV峰值。進(jìn)入TIA的最大電流 = 600 mV，進(jìn)入ZMIN =500μA。TIA輸出端的峰值電壓= 900 mV峰值，在ADC范圍內(nèi)。故，RTIA = 900 mV 峰值（500 μA峰值）= 1.8 kΩ。無1.8kΩ。AD5940上的RTIA選項(xiàng)。故選擇1kΩ選項(xiàng)。

計(jì)算 ZUNKNOWN

AD5940用序列器存儲(chǔ)命令。主微控制器將所需命令寫入命令存儲(chǔ)器，AD5940自動(dòng)執(zhí)行命令。序列器運(yùn)行命令并使用DFT實(shí)部和虛部結(jié)果填充數(shù)據(jù)FIFO，用于電壓和電流測(cè)量（總共四個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)）。

主微控制器讀取數(shù)據(jù)FIFO并使用實(shí)部和虛部DFT結(jié)果，計(jì)算未知阻抗。使用以下各式計(jì)算傳感器的阻抗：

若要計(jì)算阻抗，請(qǐng)使用歐姆定律，將電壓幅度除以電流幅度。使用RTIA將電流測(cè)量值轉(zhuǎn)換為電壓。必須考慮該增益。因此，用于確定未知阻抗的等式如下：

進(jìn)行BIA測(cè)量

硬件設(shè)置

執(zhí)行BIA測(cè)量需要EVAL-ADICUP3029、EVAL-AD5940BIOZ和AD5940 Z測(cè)試板。按圖1所示方式把板堆疊起來。

EVAL-AD5940BIOZ板上的跳線對(duì)BIA測(cè)量沒有任何影響，可以保持默認(rèn)位置。

在AD5940 Z測(cè)試板上有五個(gè)開關(guān)組S1至S5。S2、S3、S4和S5用于模擬接觸阻抗和引腳阻抗。S1用于模擬身體阻抗。要測(cè)試測(cè)量精度，請(qǐng)將S2至S4上的所有開關(guān)設(shè)置為開啟位置，這會(huì)將接觸阻抗和引腳阻抗設(shè)為零。打開S1上的開關(guān)組9，將未知阻抗值設(shè)為2kΩ，如圖16所示。

圖16. AD5940 Z測(cè)試板配置

固件設(shè)置

AD5940軟件開發(fā)套件有一個(gè)專門的BIA測(cè)量示例。若要在評(píng)估硬件上執(zhí)行BIA測(cè)量，用戶可以使用ADI公司的SensorPal GUI工具或IAR Embedded Workbench固件示例。

若要快速進(jìn)行原型設(shè)計(jì)，請(qǐng)使用SensorPal工具。SensorPal提供了許多可配置的參數(shù)來定義測(cè)量，還提供了快速繪圖機(jī)制。

或者，打開軟件開發(fā)套件中的Examples文件夾，然后依次選擇AD5940_BIA > ADICUP3029 > ADICUP3029.eww。打開 ADICUP3029.eww文件，在IAR Embedded Workbench中打開項(xiàng)目工作區(qū)。

按照下述步驟行動(dòng)項(xiàng)目：

編譯并構(gòu)建項(xiàng)目。

啟動(dòng)調(diào)試器，開始執(zhí)行代碼。

打開RealTerm等終端程序，將波特率配置為230400。

選擇EVAL-ADICUP3029將連接的COM端口。

測(cè)量結(jié)果通過UART流式傳輸，可以保存到文件中以進(jìn)行分析。

要修改應(yīng)用程序默認(rèn)參數(shù)，請(qǐng)使用AD5940BIAStructInit(void)函數(shù)。AppECGCfg_Type數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包含應(yīng)用程序的可配置參數(shù)。有關(guān)固件的更多詳細(xì)信息，請(qǐng)參閱軟件開發(fā)套件doc文件夾中的AD5940_Library_and_examples.chm文件。

圖17. IAR中的BIA項(xiàng)目

圖18. 測(cè)量結(jié)果顯示在終端上

EDA

EDA測(cè)量理論

EDA是伏安測(cè)量值。若要測(cè)量未知阻抗，要將一個(gè)交流激勵(lì)信號(hào)施加于未知阻抗上。測(cè)量未知阻抗兩端的電壓。然后，測(cè)量流過未知阻抗的電流。通過TIA將電流轉(zhuǎn)換為由ADC測(cè)量的電壓。對(duì)ADC數(shù)據(jù)執(zhí)行DFT以獲得電流值和電壓值。使用實(shí)部和虛部，計(jì)算幅度，求出 VZUNKNOWN 和 IZUNKNOWN.

使用以下公式計(jì)算傳感器的未知阻抗大小：

圖19. EDA測(cè)量圖

使用AD5940的EDA解決方案

本節(jié)介紹用于執(zhí)行EDA阻抗測(cè)量的AD5940的模塊。如EDA測(cè)量理論部分所述，EDA測(cè)量需要激勵(lì)電壓、測(cè)量VZUNKNOWN和測(cè)量ZUNKNOWN電流。

激勵(lì)信號(hào)

AD5940使用其波形發(fā)生器和低功耗DAC，產(chǎn)生低頻正弦波(≈100 Hz)。正弦波通過連接到CE0引腳的恒電位器放大器施加到傳感器上（如圖21所示）。

測(cè)量電壓

連接CE0引腳和SE0引腳之間的未知阻抗。將SE0連接到低功耗TIA的反相輸入端。將高精度基準(zhǔn)電壓源連接到TIA以維持共模。若要測(cè)量ZUNKNOWN兩端的電壓，測(cè)量CE0上的電壓，選擇CE0引腳上的電壓(VCE0)作為ADC的輸入。然后啟動(dòng)測(cè)量序列，并對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)執(zhí)行DFT。

測(cè)量 ZUNKNOWN 電流

要測(cè)量ZUNKNOWN電流，請(qǐng)使用與電壓測(cè)量時(shí)相同的設(shè)置。但是，此時(shí)電流是通過TIA測(cè)量的。選擇低通濾波器輸出(LPTIA_LPF0)作為ADC的輸入。重新運(yùn)行測(cè)量序列，然后對(duì)ADC數(shù)據(jù)執(zhí)行DFT。實(shí)部和虛部存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)FIFO中，并由主控制器讀取。

計(jì)算 ZUKNOWN

AD5940用序列器存儲(chǔ)命令。主微控制器（在本例中為EVAL-ADICUP3029）將所需命令寫入序列器。這些命令設(shè)置DAC、ADC和TIA以進(jìn)行測(cè)量。序列器自動(dòng)執(zhí)行命令，與微控制器無關(guān)。首先執(zhí)行電壓測(cè)量。數(shù)據(jù)FIFO已滿時(shí)會(huì)產(chǎn)生中斷。然后微控制器讀取FIFO并存儲(chǔ)DFT結(jié)果的實(shí)部和虛部。然后，配置ADC多路復(fù)用器為將低功耗TIA、低通濾波器輸出連接到ADC以測(cè)量電流。重新運(yùn)行以上序列，AD5940在數(shù)據(jù)FIFO已滿時(shí)產(chǎn)生中斷，提醒主控制器讀取數(shù)據(jù)。

通過下式確定 ZUNKNOWN：

其中r和i分別為電流和電壓DFT測(cè)量值的實(shí)部和虛部。

計(jì)算EDA的分立式組件

系統(tǒng)中需要許多分立式組件以確保安全性和準(zhǔn)確性。本節(jié)介紹用于選擇合適的限流電阻和隔離電容的各種計(jì)算。

計(jì)算限流電阻

用一個(gè)1kΩ RLIMIT進(jìn)行BIA測(cè)量。由于兩種測(cè)量共用同一電極，因此EDA的RLIMIT也為1kΩ。

隔離電容

CISO2是EDA回路上的電容，為0.47μA，與BIA測(cè)量值相匹配。選擇合適的CISO1值，確保在最壞的情況下身體中的交流電流均不會(huì)超過10μA。

有關(guān)最壞情況，請(qǐng)參見圖20，其中，電阻體=0Ω且電容體短路。在這些條件下，電路中流過的電流最大。使用以下等式計(jì)算EDA應(yīng)用的合適隔離值。

其中：
IACRMSLIMIT 是人體內(nèi)允許的最大交流電流。
IEXCRMS = 1.1 VPEAK/√2，其中，1.1 V是低功耗DAC的最大范圍。
fEXC 為 100 Hz.

要查找CISO1的最大值，請(qǐng)重新分配前兩個(gè)等式，如下所示：

考慮電阻和電容在最差情況下的容差，如下所示：

1% 為 RLIMIT

5% 為 CISO2

20% 為 CISO1

10% 為 fEXC

使用這些值，計(jì)算CISO1的等式如下：

其中， CISO1 < 14 nF。

圖20. EDA等效電路

圖21. EDA信號(hào)路徑

較大限度地降低永遠(yuǎn)開啟應(yīng)用的功耗

EDA應(yīng)用案例利用了AD5940的一項(xiàng)關(guān)鍵省電特性。AD5940有這樣一項(xiàng)特性，其中，低功耗回路可以在32kHz時(shí)鐘下運(yùn)行。從休眠狀態(tài)喚醒后，AD5940系統(tǒng)時(shí)鐘切換到32 kHz振蕩器（LPMODECLKSEL位0 = 0x1）。波形發(fā)生器、低功耗DAC、ADC和DFT引擎在32 kHz振蕩器上運(yùn)行。在此模式下捕獲所有數(shù)據(jù)和DFT結(jié)果，較大限度地降低AD5940的功耗。在測(cè)量序列結(jié)束時(shí)，AD5940切換回16 MHz時(shí)鐘，禁用所有模塊，然后返回休眠狀態(tài)。AD5940的采樣率為4 Hz，DFT數(shù)為16，總平均功耗為 66μA。

讀回?cái)?shù)據(jù)

當(dāng)AD5940基于32 kHz振蕩器上運(yùn)行時(shí)，無法通過SPI接口與器件通信。確保SPI事務(wù)在正確的時(shí)間發(fā)生。圖22顯示了采樣率為4 Hz時(shí)，EDA測(cè)量的時(shí)間線。測(cè)量完成后，主微控制器可以在200 ms窗口內(nèi)回讀數(shù)據(jù)。確保不違反此限值。

圖22. EDA測(cè)量時(shí)間線

進(jìn)行EDA測(cè)量

硬件設(shè)置

執(zhí)行EDA測(cè)量，需要EVAL-ADICUP3029、EVAL-AD5940ARDZ、EVAL-AD5940BIOZ和AD5940 Z測(cè)試板。

EVAL-AD5940BIOZ上的默認(rèn)跳線設(shè)置與EDA測(cè)量無關(guān)，可以保留原樣。

在AD5940 Z測(cè)試板上，S2和S3用于EDA測(cè)量。取下P1跳線，然后閉合S9。

圖23. 用于EDA的AD5940 Z測(cè)試板設(shè)置

固件設(shè)置

AD5940軟件開發(fā)套件有一個(gè)專用的EDA測(cè)量示例。若要在評(píng)估硬件上執(zhí)行EDA測(cè)量，用戶可以使用SensorPal GUI工具或IAR Embedded Workbench固件示例。

若要快速進(jìn)行原型設(shè)計(jì)，請(qǐng)使用SensorPal工具。SensorPal提供了許多可配置的參數(shù)來定義測(cè)量，還提供了快速繪圖機(jī)制。

或者，打開軟件開發(fā)套件中的Examples文件夾，然后依次選擇AD5940_EDA > ADICUP3029 > ADICUP3029.eww。打開 ADICUP3029.eww文件，在IAR Embedded Workbench中打開項(xiàng)目工作區(qū)。

按照下述步驟行動(dòng)項(xiàng)目：

編譯并構(gòu)建項(xiàng)目。

啟動(dòng)調(diào)試器，開始執(zhí)行代碼。

打開RealTerm等終端程序，將波特率配置為230400。

選擇EVAL-ADICUP3029所連接的COM端口。

測(cè)量結(jié)果通過UART流式傳輸，可以保存到文件中以進(jìn)行分析。

要修改應(yīng)用程序默認(rèn)參數(shù)，請(qǐng)使用AD5940EDAStructInit (void)函數(shù)。AppEDACfg_Type數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包含應(yīng)用程序的可配置參數(shù)。有關(guān)固件的更多詳細(xì)信息，請(qǐng)參閱軟件開發(fā)套件doc文件夾中的AD5940_Library_and_examples.chm文件。

圖24. IAR中的EDA可配置參數(shù)

圖25. EDA測(cè)量結(jié)果

審核編輯：郭婷