基于multisim11仿真的生物医学工程课程设计：人体阻抗测量

课程设计报告————人体阻抗测量引言本课程设计探索了一种适用于家庭的低成本生物电阻抗测量系统。采用由一对激励电极及一对敏感电极组成的四电极结构,用文氏电桥振荡器产生50kHz的正弦波信号,经过一定的削减，施加在与人体皮肤接触的激励电极对上,通过测量敏感电极对的电压,实现人体生物阻抗的检测,可望有效克服接触电阻抗以及空间电磁波的干扰。multisim软件仿真结果表明,这种测量系统在测量结果的线性、稳定性及准确性等方面的性能可满足人体成分测量的要求。这为人体肥胖程度的家庭检测提供了一种有效的工具。Multisim是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。Multisim提炼了SPICE仿真的复杂内容，这样工程师无需懂得深入的SPICE技术就可以很快地进行捕获、仿真和分析新的设计，这也使其更适合电子学教育。通过Multisim和虚拟仪器技术，PCB设计工程师和电子学教育工作者可以完成从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计流程。Multisim被美国NI公司收购以后，其性能得到了极大的提升。最大的改变就是：Multisim9与LABVIEW8的完美结合：（1）可以根据自己的需求制造出真正属于自己的仪器；（2）所有的虚拟信号都可以通过计算机输出到实际的硬件电路上;(3)所有硬件电路产生的结果都可以输回到计算机中进行处理和分析。如此，学员可以很好地、很方便地把刚刚学到的理论知识用计算机仿真真实的再现出来。并且可以用虚拟仪器技术创造出真正属于自己的仪表。极大地提高了学员的学习热情和积极性。真正的做到了变被动学习为主动学习。1、人体阻抗模型及其测量的意义：人体的基本构造单位是细胞。细胞被一层具有特殊结构和功能的半透性膜所包被，称作细胞膜或质膜，它允许某些物质有选择地通过，同时又严格地保持细胞内物质成分的稳定。由于细胞膜的存在，人体组织的阻抗特性可由图1所示的等效电路表示。其中Re，Ri和Ci分别为细胞外液电阻，细胞内液电阻和细胞膜电容。人体阻抗是包括人体皮肤、血液、肌肉、细胞组织及其结合部在内的含有电阻和电容的全阻抗，如图2所示。皮肤表面0.05~0.2mm厚的角质层电阻值很高。在干燥和干净的状态下，其电阻率可达105~106Ω·m。但因其不是一张完整的薄膜，又很容易受到破坏，故计算人体阻抗时一般不予以考虑。人体各部分阻抗大小对比如表1所示。遭受突然的生理刺激时，人体阻抗可能明显降低。便携式人体健康状况检测仪受到越来越多的重视,该类仪器中人体成分检测占据极其重要的地位,例如脂肪、水分检测仪等。目前存在的测量人体成分的方法主要有生物电阻抗法、水重法、同位素稀释法以及双能量X光吸收法等。其中，生物电阻抗分析法(BIA：Bioelectricalimpedanceanalysis)具有无创、简便、廉价、可靠的独特优点,医生和病人都易于接受，并且这种方法测量人体成分的可行性已经得到大量实验结果的验证。生物阻抗技术的真正优势或诱人之处在于利用生物阻抗所携带的丰富生理和病理信息，进行人体组织与器官的无损伤功能评价。2、系统结构框图与完整电路图3、各模块实现3.1、文氏电桥振荡器：图3文氏电桥正弦振荡器根据人体电阻抗谱图,在特征频率fc上,人体电阻抗的虚部|X|最大,人体中的脂肪和非脂肪成分同时得到最大的体现,因此选fc作为测量频率。通常人体特征频率为50kHz。电路的震荡频率fosc=1/2лRC，理论与实际有出入，经多次调试，最终选定R=10KΩ、C=205pF，使其输出较为准确的50KHz的正弦波。电路从起振到稳定输出需要一定时间，所以开始仿真后要经过等待才能看到如下图所示的合格波形：图4振荡器输出50KHz正弦波3.2、V/I变换电流信号比电压信号抗干扰能力强，所以微弱信号传递时常以电流形式进行。下图就是我们采用的V/I方案，把电压信号转变成电流信号。下方的电压跟随器起传导电压、隔离电流的作用；理论上，流经负载Rx的电流为Iout=Vin*(R32/R30)/（Rs+R0+Rx）；图5振荡器与V/I变换电路所谓的V/I变换，其实是将输入电压放大一定倍数再加到负载上，从而得到电流的。只是负载变化对电流的影响相对减小了一些。图6V/I电路的输入/输出如上图，人体阻抗一般为500Ω左右，则电路稳定后流经人体的电流不超过500uA。振荡器产生的信号强度被削减了29%。图7V/I电路的幅频特性图图8V/I电路的相频特性图3．3、2选1开关与差动放大器差分放大器是一种零点漂移很小的直接耦合放大器，常用于直流放大。它可以是平衡（术语“平衡”意味着差分）输入和输出，也可以是单端（非平衡）输入和输出，常用来实现平衡与不平衡电路的相互转换，是各种集成电路的一种基本单元。在实际应用中,温度变化和电源电压不稳等因素对放大作用的影响，等效于每个晶体管的输入端产生了一个漂移电压。利用差放电路的对称性可以使之互相抵消或予以削弱，使输出端的漂移电压大大减小。显然，共模增益越小，即电路对称性越好时，这种漂移电压也越小。而相对于由晶体管构成的差放，由运放构成的差放又具有输入阻抗高、输出阻抗小、使用方便、调试容易等优势。如下图右边部分所示的由3个运放构成的差动放大器也称仪用放大器。在R11=R12、R13=R14的情况下，放大倍数为A=Vin*（（R8+R9+R10）/R9）*R13/R11图左下角的R19与晶体管、二极管、VC、继电器构成2选1开关。mux接到单片机的P3.1引脚。图7运放构成的差动放大器（这里放大倍数理论值为7.67，改变R9的值可调节放大倍数）图8差动放大器输入-输出波形实际放大倍数为5.365/0.696=7.71，与理论值7.67相对误差0.5%图9差动放大器的幅频特性图与相频特性图3.4、精密整流、滤波单极性的直流输出电压与输入交流信号的幅值呈线性比例关系的整流称为线性整流，又称精密整流。由于二极管的伏安特性在小信号时处于截止或特性曲线的弯曲部分，一般利用二极管的单向导电性来组成整流电路，在小信号检波时输出端将得不到原信号（或使原信号失真很大）。如果把二极管置于运算放大器组成的负反馈环路中，就能大大削弱这种影响，提高电路精度。这种电路可对1mV左右的小信号进行检测，其误差小于0.05%。右下角的R39和C7并联构成滤波电路。理论上滤波电容的取值要满足Td=RC(3~5)T/2式中Td为电容放电时间常数，T为输入交流信号周期。经多次调试，R38=500KΩ，C7=5uF（或1uF）时能输出较为平稳的直流波形。图10精密整流、滤波电路图11整流效果图12整流滤波电路的输入/输出输出直流电压0—5V，便于AD采集与MCU处理图13整流滤波电路的幅频特性与相频特性3.5、数据采集与显示这个模块暂时不能用multisim仿真，只能放一个思路在这里。主要是因为AD芯片似乎不能正常工作。网上也找不到multisim里AD转换的仿真例程。另外，对multisim仿真来说，几毫秒已经是比较漫长的等待，而单片机执行一个完整程序往往需要几毫秒甚至几十毫秒，等multisim仿真出这么长时间内电路的行为，人至少需要等待十几或几十分钟，而且很可能仿真结果没出来而multisim已经因为稳定性问题而出现异常。Multisim仿真模拟电路比较在行，数字电路则用proteus或quartasii比较靠谱。图14AD、MCU与LCD4、联合测试让2选1开关分别接通R0和Rx，测出AD输入端的直流电压强度，计算Rx的阻值。图15联合测试电路图接入R0和Rx时，只接入Rx时，因为U0x/Ux=(R0+Rx)*I/Rx*I，所以RX=R0/(U0x/Ux-1)=1000/(4.982/1.655-1)=497.51Ω与真实值500Ω的相对误差为|497.51—500|/500=0.50%这里要注意多等待一会，让电路达到稳定状态，最好两次测量时等待的时间一样长，这样使测量误差更小。0.50%的误差说明了测量电路的准确性和可靠性，实际做出来的话，接下来就看AD数据采集的本事了，最后是MCU计算和LCD显示。有机会一定把实际系统做出来。5、总结生物医学工程，是一个很宽广的概念，涵盖了太多的领域。我们学校这个专业，就是用电子技术、计算机技术服务于医学，尤其是医疗器械和信号处理。归根结底，还是看你的数电、模电、射频、微机、编程知识掌握的是否扎实，是否能灵活运用。这次课程设计，从资料搜集、方案论证，到每个模块的实现与调试、系统联调，每一步都是历尽艰辛。50Khz信号源我们弄了两天多，差动放大器弄了近3天，各种电路和器件的选择、multisim软件本身的使用也让人破费周折，不得不感叹：能力差，真可怕。连续两周，每天早上7点起、晚上1点睡，终于比较圆满地完成任务。虽然软件仿真与实际情况有差距，而且multisim软件本身也不是很稳定（同一个电路仿真的结果不是一定的，甚至有时仿真出错），我们还是通过这次锻炼提高了工程设计能力，尤其对放大器的使用明显有感觉了。接下来，希望继续进步，提高对滤波器的设计与运用能力。附录（51单片机控制2选1开关、AD转换和LCD显示的C程序）：编译结果