AN-1557: AD5940和AD8233在完整生物电系统中的实现

简介

AD5940 是一款高精度、超低功耗模拟前端(AFE)系统,旨在激励和测量传感器的电流、电压或阻抗响应。

AD5940搭载了两个高精度测量环路。一个超低功耗、低于1 kHz环路和一个高速低于200 kHz环路,使AD5940能精确测量传感器的阻抗。

本应用笔记旨在详细介绍如何在全生物电系统中设置AD5940和AD8233 ,该系统可通过同一组电极进行皮肤电活动(EDA)、身体阻抗分析(BIA)和心电图(ECG)测量。

使用的硬件包含AD5940评估套件;其中包括基于 EVAL-ADICUP3029 Arm® based Arduino 型微控制器;EVAL-AD5940BIOZ评估板;和AD5940 Z测试板,如图1所示。

评估套件堆叠照片

图1.

评估套件

评估套件内容


AD5940评估套件包括以下内容:

  • EVAL-ADICUP3029
  • EVAL-AD5940BIOZ
  • AD5940 Z测试板
  • ECG电缆
  • MicroUSB转USB电缆

EVAL-ADICUP3029

EVAL-ADICUP3029是评估套件的主要母板,该板搭配有板载 ADuCM3029 微控制器。ADuCM3029是ADI公司一款较领先的Arm Cortex M3器件,用于通过串行外设接口(SPI)与AD5940进行通信。

EVAL-AD5940BIOZ

EVAL-AD5940BIOZ 板包含用于 ECG 测量的 AD5940 和AD8233芯片。EVAL-AD5940BIOZ是一款Arduino Uno板型电路板,可插入EVAL-ADICUP3029。该电路板包含ECG、EDA和BIA测量所需的必要分立式元件,包括隔离电容和限流电阻。该电路板还搭载了连接测量电缆的接口和AD5940 Z测试板,后者用于模拟皮肤和身体阻抗。有关EVALAD5940BIOZ板的更多信息,请参阅 AD5940用户手册维基页面

AD5940 Z测试板

AD5940 Z测试板含有电阻、电容和开关网络,专门用于测试和验证测量结果。AD5940 Z测试板可以模拟一系列的身体和皮肤阻抗,并通过USB连接器插入EVAL-AD5940BIOZ板。有关AD5940 Z测试板的更多信息,请参阅AD5940用户手册维基页面。

ECG电缆

随评估套件提供的ECG电缆是将硬件连接到身体模拟器以进行ECG、BIA和EDA测量的一种手段。切勿将AD5940评估板连接到身体。表1详细介绍了随附电缆的名称和颜色映射关系。

Tab表1. 电极名称和颜色映射
电极名称 颜色
F+
S+ 绿
S−
F−

测量系统概述

AD5940概述


AD5940数据采集环路由一个低带宽环路、一个高带宽环路、一个高精度模数转换器(ADC)和一个可编程开关矩阵组成。

低带宽环路由低功耗、双输出数模转换器(DAC)组成,后者可为低功耗跨阻放大器(TIA) (VZERO)以及恒电位器放大器(VBIAS)产生偏置电压。

低带宽环路用于低带宽信号,其中激励信号的频率低于200Hz,例如EDA测量。

高带宽环路包括一个高速DAC(用于在进行阻抗测量时产生高频交流激励信号)和一个高速TIA(用于将高达200 kHz的高带宽电流信号转换为ADC测量的电压)。

高带宽环路用于身体阻抗测量,其中激励频率的范围为50kHz。

开关矩阵是一系列可编程开关,允许将外部引脚连接到高速DAC激励放大器和高速TIA反相输入端。

开关矩阵提供了一个接口,用于将外部校准电阻连接到测量系统,同时也用于提高电极连接的灵活性。


AD5940生物电子系统


本应用笔记旨在介绍如何在软件可配置生物电系统中配合AD8233使用AD5940。通过软件,该系统能够在同一组电极上测量BIA、EDA或ECG。

2线生物阻抗

生物阻抗测量理论


AD5940可以进行2线生物阻抗测量,以满足通用阻抗测量需求,也可以测量身体内部的组织。

2线生物阻抗是一种伏安测量值。若要测量未知阻抗(ZUNKNOWN),要将一个交流激励信号施加于未知阻抗上。测量激励信号的电压。然后,测量流过未知阻抗的电流。通过TIA将电流转换为由ADC测量的电压。对ADC数据执行离散傅立叶变换(DFT)以获得电流和电压值。使用实部和虚部,计算幅度,得到未知阻抗电压(VZUNKNOWN)和未知阻抗电流(IZUNKNOWN)。

使用以下公式计算传感器的未知阻抗大小:

equation1

其中:
VZUNKNOWNMAG是未知阻抗电压的大小。
IZUNKNOWNMAG是未知阻抗电流的大小。
RTIA是高速TIA增益电阻的值,单位为Ω。

图2. 2线生物阻抗测量图

生物阻抗测量必须符合IEC 60601标准,该标准为可进入身体的最大允许电流设定了指导意见。电阻限制(RLIMIT)电流。CISOx是隔离电容器,可确保无直流电流进入身体。可以在"计算"部分中找到关于如何选择正确值的指导意见。


使用AD5940的生物阻抗解决方案


本节介绍用于执行2线生物阻抗测量的AD5940模块。如"生物阻抗测量理论"部分所述,2线生物阻抗测量需要一个交流电压源、一个电压测量通道和一个电流测量通道。

对于2线生物阻抗测量,被测阻抗可以连接于CE0引脚与SE0、DE0或AINx之间。出于本应用笔记的需要,ZUNKNOWN连接在CE0和AIN1之间。

激励信号

AD5940使用其波形发生器、高速DAC和激励放大器来产生高频激励信号。频率可编程,范围为DC至200 kHz。信号通过CE0引脚施加到传感器,如图3所示。信号幅度可编程,最高可达±607 mV。

图3. 2线生物阻抗框图

测量电压

当电压被施加到传感器时,测量激励信号的电压。ADC的正输入是P节点,它通过开关矩阵连接到CE0,如图3所示。ADC的负输入是N节点,它连接到高速TIA的负输入。使用DFT硬件加速器,对ADC数据执行DFT,此时计算实部和虚部,并将其存储在数据先进先出(FIFO)寄存器中。

测量ZUNKNOWN电流

为测量ZUNKNOWN电流,将相同的激励信号施加到传感器。高速TIA将电流转换为电压,由ADC通过增益电阻RTIA读取。类似地,对ADC结果执行DFT,并且将实部和虚部存储在数据FIFO中,由主微控制器读取。

计算 ZUKNOWN

AD5940用序列器存储命令。主微控制器(在本例中为EVAL-ADICUP3029)将所需命令写入序列器。这些命令设置DAC、ADC和TIA以进行测量。序列器自动执行命令,与微控制器无关。首先执行电压测量。数据FIFO已满时会产生中断。然后微控制器读取FIFO并存储DFT结果的实部和虚部。然后,配置ADC多路复用器为将高速TIA输出连接到ADC以测量电流。重新运行以上序列,AD5940在数据FIFO已满时产生中断,提醒主控制器读取数据。

通过下式确定 ZUNKNOWN:

equation2

其中:
VMAG为传感器两端电压的大小。
ri分别为电流和电压DFT测量值的实部和虚部。


计算


为优化AD5940以进行2线生物阻抗测量,请计算RLIMIT值,添加隔离电容(RTIA),并计算精密电阻(RCAL)值。

计算 RLIMIT

为达到IEC 60601标准的要求,要限制进入身体的交流电量。最大允许交流电流为:50 kHz时为500μA,60 kHz时为600μA。计算RLIMIT电阻值时,AD5940的最大输出电压为1.2 V pp (0.4243 V rms)。将最大允许交流电流设为最大值的80%或400μA rms。下式是这些值的结果:

equation3

这样,选择了一个1 kΩ RLIMIT,并将其连接到在AD5940的CE0引脚上。这里的计算忽略了CISOx,因其太小。

隔离电容

为达到IEC 60601标准,允许进入身体的最大直流电流为10μA。在此应用中,由于增加了隔离电容,可保证直流电流为零。为隔离电容选择的值为0.47μF,因为0.47μF电容足够大,有适用于可穿戴电子设备的小型封装可选。将CE0上的隔离电容CISO1修改为15 nF,如此,该电容就可用于EDA和BIA测量。有关计算细节,请参阅EDA部分。

计算 RTIA

为了计算高速TIA的增益电阻RTIA,首先要计算高速TIA的最小阻抗和最大电流。在下面的等式中,RACCESS1MIN和RACCESS2MIN表示连接传感器的引脚的电阻,假设为0Ω。求解该式可得:ZMIN =1.2kΩ。

equation4

其中:
ZMIN为最小阻抗。
ZUNKNOWNMIN 为最小未知阻抗。本式中假设为100Ω。
XCISO1MINXCISO2MIN 在50 kHz时为67.73Ω。

高速DAC的最大输出电压为600 mV峰值。按以下方式计算进入TIA的最大电流(IMAX):

equation5

其中,ZMIN为最小阻抗。

当ADC可编程增益放大器(PGA)的增益为1或1.5时,TIA输出端允许的峰值电压为900 mV峰值。故,

equation6

AD5940未提供1.8kΩ RTIA选项。故选择1kΩ选项。

选择 RCAL

RCAL是一个精密电阻,与高速DAC和激励放大器配合使用,可产生精确的电流。RCAL校准高速TIA增益电阻。理想情况下,选择接近RTIA的RCAL值。在这种情况下,RCAL必须为1kΩ。为保证精度,电阻必须具有0.1%的容差。

计算 ZUNKNOWN

AD5940用序列器存储命令。主微控制器将所需命令写入命令存储器,AD5940自动执行命令。第一次测量的是电压测量。电压只需测量一次,因为其结果会存储起来。然后,序列器运行测量序列,施加激励电压并测量对数据执行DFT的响应电流。实部和虚部存储在FIFO中。可以将序列器配置为使用睡眠和唤醒定时器定期运行。

主微控制器读取数据FIFO,获得当前测量的实部和虚部结果。基于这些值,以下等式可确定电压测量幅度和电压测量相位:

equation7

若要计算阻抗,请使用欧姆定律,将电压幅度除以电流幅度。使用RTIA将电流测量值转换为电压。必须考虑该增益。因此,用于确定未知阻抗的等式如下:

equation8


进行2线生物阻抗测量


硬件设置

执行2线生物阻抗测量需要EVAL-ADICUP3029、EVALAD5940BIOZ和AD5940 Z测试板。按图1所示方式把板堆叠起来。

AD5940 Z测试板上有五个开关组,即S1到S5。S2和S4模拟接触电阻和引脚阻抗。S1模拟生物阻抗。请注意,S3和S5不适用于2线生物阻抗测量。要测试测量精度,请将S2和S4上的所有开关设为开启位置,结果会将接触阻抗和引脚阻抗设为零。切换S1上的开关7,将未知阻抗值设为2kΩ,如图4所示。

图4. 阻抗测试板

固件设置

AD5940软件开发套件有一个专用的2线的生物阻抗测量示例。若要在评估硬件上执行BIA测量,用户可以使用ADI公司的SensorPal图形用户界面(GUI)工具(见AD5940)或IAR Embedded Workbench固件示例。

若要快速进行原型设计,请使用SensorPal工具。SensorPal提供了许多可配置的参数来定义测量,还提供了快速绘图机制。

或者,打开软件开发套件中的Examples文件夹,然后依次选择AD5940_BIOZ-2WIRE > ADICUP3029 > ADICUP3029.eww 。打开 ADICUP3029.eww 文件,在 IAR Embedded Workbench中打开项目工作区。

按照下述步骤运行项目:

  1. 编译并构建项目。
  2. 启动调试器,开始执行代码。
  3. 打开RealTerm等终端程序,将波特率配置为230400。
  4. 选择EVAL-ADICUP3029连接的通信端口(COM)。

测量结果通过通用异步接收发射器(UART)流式传输,可以保存到文件中以进行分析。

要修改默认应用程序参数,请使用AD5940Main.c文件中的AD5940BIOZStructInit(void)函数。AppBIOZCfg_Type数据结构包含应用程序的可配置参数。有关固件的更多详细信息,请参阅软件开发套件doc文件夹中的AD5940_Library_ and_examples.chm文件。

图5. IAR中的BIA项目

图6. 测量结果显示在终端上

测量结果

终端上显示的测量结果如图6所示。由于2线生物阻抗测量测量的是被测阻抗、接触阻抗、限流电阻和隔离电容,因此幅度约为4162Ω。

对于图7,

equation9

其中:
RzMag 为幅度,或R1||R2 + C1。
RLIMIT1 是一个符合IEC 60601的限流电阻。
XCISO1 为 CISO1的电抗。
REC1 是接触阻抗。
R1 用于模拟生物阻抗。
R2 用于模拟生物阻抗。
REC2是接触阻抗。
XCISO2 为 CISO2的电抗。
RLIMIT2 是一个符合IEC 60601的限流电阻。

图7. 带限流电阻和隔离电容的电路

Impedance Profiling_2wireIEC.xls 工作簿提供了计算预期结果的公式,其中考虑了限流电阻、隔离电容和接触阻抗。

在EVAL-AD5940BIOZ评估板上,RLIMIT1和RLIMIT2均为1 k,CISO1为15 nF,CISO2为470 nF。假设REC1为0。将这些值输入工作簿(如图8所示),理论值非常接近测量值。误差小得益于组件的容差。

图8. Impedance Profiling_2wireIEC.xls工作簿

ECG

ECG测量理论


ECG在每个心动周期期间,测量心脏的电活动如何随着动作电位在整个心脏传播而随时间变化。ECG不直接测量心脏中的细胞去极化和复极化,而是测量在给定时间点引起其膜电位变化的细胞群的相对累积量。当这些心房和心室细胞发生去极化和复极化时,ECG显示心脏的电位差。

通常是将两个电极直接放置在皮肤上并读取电极之间的电位差来执行ECG。这种方法是可行的,因为这些信号在全身传播。检测到的波形特征不仅取决于所涉及的心脏组织的量,还取决于电极相对于心脏中偶极的方向。当从不同的电极位测量时,ECG波形看起来略有不同,并且通常是使用许多不同的电极位(例如肢体导联或心前区)或配置(如单极、双极和改进双极)获得ECG。

出于ECG需要,可将身体视为大体积导体。身体充满被导电离子流体包围的组织。心脏悬浮在这些导电介质的内部。在心动周期期间,心脏响应沿心脏腔室移动的动作电位而收缩。

图9. 典型的心电图波形与房室和半月瓣活动的时间相比,心室处于收缩期或舒张期的心动周期时段

采用AD5940和AD8233的ECG解决方案


本节介绍如何使用AD5940和AD8233进行ECG测量。将四个测量电极连接到AD5940的开关矩阵。图10突出显示了ECG测量的信号链。将电极E4直接连接到AD8233的右腿驱动(RLD)输入端。闭合AD5940开关矩阵上的内部开关,同时闭合开关P5和P6,并通过AFE2连接到AD8233 IN +输入端,从而把E1和E2连接起来。闭合内部开关N7和内部开关N1,通过AIN0和AFE3将E3连接到AD8233。将AD8233的输出连接到AD5940上的辅助输入端AIN6。

图10. AD5940和AD8233的信号链

AD5940使用序列器存储测量命令。主微控制器(本例中为ADuCM3029)将所需命令写入命令存储器。序列器运行命令,与微控制器无关。首先运行初始化序列以配置基准电压源、开关矩阵、ADC输入源和ADC滤波器。测量序列定期运行,使用用户自定义采样频率,从AIN6引脚上的AD8233采样的ECG数据。

进行ECG测量


硬件设置

评估套件中包含的EVAL-AD5940BIOZ板无需修改硬件即可使用。AD8233引脚上连接了许多表贴电阻和电容,用于设置系统带宽。在EVAL-AD5940BIOZ板上,选择的元件用于监护带宽(0.34 Hz至38 Hz),系统增益为296。为了计算不同截止频率下的适当滤波器无源器件选取值,下载 AD8232产品页面 上列出的AD8232_Filter_Design_Tool.zip文件。

此运动带宽(7 Hz至21 Hz)适用于非临床应用,如注重ECG峰值的保健手表。对于关注ECG波形的其他方面(如P波、Q波、S波或T波)的应用,则需要监护带宽。

AD5940评估套件配有定制型的心电图电缆。这些电缆可以连接到ECG模拟器以测试硬件。将RLD电极连接到F−。将右手(RH)连接到F+和S+。将左手(LH)连接到S−,如图11所示。

图11. ECG模拟器连接到评估板

切勿将EVAL-AD5940BIOZ评估板连接到身体。

固件设置

AD5940软件开发套件有一个专门的ECG测量的示例。若要在评估硬件上执行 ECG测量,用户可以使用 ADI公司的SensorPal GUI工具或IAR Embedded Workbench固件示例。

若要快速进行原型设计,请使用SensorPal工具。SensorPal提供了许多可配置的参数来定义测量,还提供了快速绘图机制。

或者,打开软件开发套件中的Examples文件夹,然后依次选择AD5940_ECG > ADICUP3029 > ADICUP3029.eww。打开ADICUP3029.eww文件,在IAR Embedded Workbench中打开项目工作区。

按照下述步骤编译和运行项目:

  1. 编译和构建项目(请参阅AD5940用户指南维基页面)。
  2. 启动调试器,开始执行代码。
  3. 打开RealTerm等终端程序,将波特率配置为230400。
  4. 选择EVAL-ADICUP3029将连接的COM端口。

然后,通过UART流式传输测量结果,这些结果也可以保存为文件,以便进行分析并创建图形。

要修改应用程序默认参数,请使用AD5940ECGStructInit(void)函数。AppECGCfg_Type数据结构包含应用程序的可配置参数。有关固件的更多详细信息,请参阅软件开发套件doc 文件夹中的AD5940_Library_and_examples.chm文件。

图12. IAR Embedded Workbench中的ECG固件

图13. ECG ADC结果

4线BIA

4线BIA测量理论


4线BIA测量法用高精度交流电压源激励交流电压(VAC)已知的传感器。同时,在传感器上施加共模电压。若要计算阻抗,请测量从未知阻抗流过的电流(I)和未知阻抗上的电压。

用下式计算阻抗:

equation10

图14. 4线生物阻抗拓扑结构

在实际应用中,医疗设备必须符合IEC 60601标准。该标准限制了可以施加到身体的直流和交流电压的量。在图14中,用分立隔离电容(CISO1、 CISO2、 CISO3和 CISO44)确保在整个身体中不会发生直流电压。RLIMIT限制提供给传感器的电流,以达到IEC 60601标准的要求。RACCESSx表示连接到未知阻抗的电极的电阻。


采用AD5940的4线BIA解决方案


如4线BIA测量理论部分所述,4线生物阻抗解决方案需要精密交流电压源、高精度电流表和精密差分电压表。

精密交流电压源部分、高精度电流表部分和精密差分电压表部分描述了在AD5940上实现这些元件的方式。

精密交流电压源

AD5940使用高速DAC和波形发生器来产生精密交流电压。内部差分检测配置将CE0和AIN1连接回激励缓冲器,从而保证了电压源的精度。可编程开关矩阵中的开关D5将激励环路的输出端连接到与传感器相连的CE0引脚。正弦波发生器产生正弦波,并通过12位高速DAC和激励放大器输出。

高精度电流表

AD5940采用高速、高精度TIA,将来自传感器的电流转换为电流,由ADC进行测量(见图15)。TIA通道测量响应电流,并由内部1.11 V源精确偏置。使用开关矩阵将T通道和N通道连接在一起,以便在测量的电流上实现精确的检测能力。图15显示了AD5940的传感器、高速TIA和ADC之间的连接。在图15中,HSTIA_P是从高速TIA到ADC多路复用器的复用信号。ADC以800 kSPS的速率转换电流测量结果。对数据执行DFT。在AD5940上实施了DFT。DFT点的数量最多可配置为16,384个。AD5940计算实部和虚部,主微控制器计算传感器的未知阻抗。

图15. 生物阻抗信号路径

精密差分电压表

AD5940使用低功耗DAC和低功耗TIA,通过AIN4/LPF0引脚设置AIN2和AIN3/BUF_VREF1V8之间的共模电压。将低功耗DAC的VBIAS输出端连接到低功耗TIA正输入端。低功耗DAC配置为输出精确的1.1 V。连接低功耗TIA输出端的内部RFILTER电阻。将共模电压(VCM)连接到AIN4/LPF0,后者有一个接地电容,可形成低通滤波器。

计算BIA的分立式组件


系统中需要许多分立式组件以确保安全性和准确性。本节介绍用于选择合适的隔离电容、面向高速TIA的增益电阻和限流电阻的各种计算。

限流电阻

为达到IEC 60601标准的要求,要限制进入身体的交流电量。最大允许交流电流为:50 kHz时为500μA,60 kHz时为600μA。计算RLIMIT电阻值时,AD5940的最大输出电压为1.2 V pp (0.4243 V rms)。将最大允许交流电流设为最大值的80%或400μA rms。下式是这些值的结果:

equation10

这样,选择了一个1 kΩ RLIMIT,并将其连接到在AD5940的CE0引脚上。这里的计算忽略了CISOx,因其太小。

隔离电容

为达到IEC 60601标准,允许进入身体的最大直流电流为10μA。在此应用中,由于增加了隔离电容,可保证直流电流为零。为隔离电容选择的值为0.47μF,因为0.47μF电容足够大,有适用于可穿戴电子设备的小型封装可选。将CE0上的隔离电容CISO1修改为15 nF,如此,该电容就可用于EDA和BIA测量。有关计算细节,请参阅EDA部分。

高速TIA增益电阻

为了计算高速TIA的增益电阻RTIA,首先要计算高速TIA的最小阻抗和最大电流。在下面的等式中,RACCESS1MIN和RACCESS2MIN表示连接传感器的引脚的电阻,假设为0Ω。求解该式可得: ZMIN =1.2kΩ。

equation11

其中:
ZUNKNOWNMIN 在本式中假定为200Ω。
XCISO1MINXCISO2MIN 在50 kHz时为67.73Ω。

最大电压为600 mV峰值。进入TIA的最大电流 = 600 mV,进入ZMIN =500μA。TIA输出端的峰值电压= 900 mV峰值,在ADC范围内。故,RTIA = 900 mV 峰值(500 μA峰值)= 1.8 kΩ。无1.8kΩ。AD5940上的RTIA选项。故选择1kΩ选项。

计算 ZUNKNOWN

AD5940用序列器存储命令。主微控制器将所需命令写入命令存储器,AD5940自动执行命令。序列器运行命令并使用DFT实部和虚部结果填充数据FIFO,用于电压和电流测量(总共四个数据点)。

主微控制器读取数据FIFO并使用实部和虚部DFT结果,计算未知阻抗。使用以下各式计算传感器的阻抗:

equation12

若要计算阻抗,请使用欧姆定律,将电压幅度除以电流幅度。使用RTIA将电流测量值转换为电压。必须考虑该增益。因此,用于确定未知阻抗的等式如下:

equation13

进行BIA测量


硬件设置

执行BIA测量需要EVAL-ADICUP3029、EVAL-AD5940BIOZ和AD5940 Z测试板。按图1所示方式把板堆叠起来。

EVAL-AD5940BIOZ板上的跳线对BIA测量没有任何影响,可以保持默认位置。

在AD5940 Z测试板上有五个开关组S1至S5。S2、S3、S4和S5用于模拟接触阻抗和引脚阻抗。S1用于模拟身体阻抗。要测试测量精度,请将S2至S4上的所有开关设置为开启位置,这会将接触阻抗和引脚阻抗设为零。打开S1上的开关组9,将未知阻抗值设为2kΩ,如图16所示。

图16. AD5940 Z测试板配置

固件设置

AD5940软件开发套件有一个专门的BIA测量示例。若要在评估硬件上执行BIA测量,用户可以使用ADI公司的SensorPal GUI工具或IAR Embedded Workbench固件示例。

若要快速进行原型设计,请使用SensorPal工具。SensorPal提供了许多可配置的参数来定义测量,还提供了快速绘图机制。

或者,打开软件开发套件中的Examples文件夹,然后依次选择AD5940_BIA > ADICUP3029 > ADICUP3029.eww。打开 ADICUP3029.eww文件,在IAR Embedded Workbench中打开项目工作区。

按照下述步骤行动项目:

  1. 编译并构建项目。
  2. 启动调试器,开始执行代码。
  3. 打开RealTerm等终端程序,将波特率配置为230400。
  4. 选择EVAL-ADICUP3029将连接的COM端口。

测量结果通过UART流式传输,可以保存到文件中以进行分析。

要修改应用程序默认参数,请使用AD5940BIAStructInit(void)函数。AppECGCfg_Type数据结构包含应用程序的可配置参数。有关固件的更多详细信息,请参阅软件开发套件doc文件夹中的AD5940_Library_and_examples.chm文件。

图17. IAR中的BIA项目

图18. 测量结果显示在终端上

EDA

EDA测量理论


EDA是伏安测量值。若要测量未知阻抗,要将一个交流激励信号施加于未知阻抗上。测量未知阻抗两端的电压。然后,测量流过未知阻抗的电流。通过TIA将电流转换为由ADC测量的电压。对ADC数据执行DFT以获得电流值和电压值。使用实部和虚部,计算幅度,求出 VZUNKNOWN 和 IZUNKNOWN.

使用以下公式计算传感器的未知阻抗大小:

equation14

图19. EDA测量图

使用AD5940的EDA解决方案


本节介绍用于执行EDA阻抗测量的AD5940的模块。如EDA测量理论部分所述,EDA测量需要激励电压、测量VZUNKNOWN和测量ZUNKNOWN电流。

激励信号

AD5940使用其波形发生器和低功耗DAC,产生低频正弦波(≈100 Hz)。正弦波通过连接到CE0引脚的恒电位器放大器施加到传感器上(如图21所示)。

测量电压

连接CE0引脚和SE0引脚之间的未知阻抗。将SE0连接到低功耗TIA的反相输入端。将高精度基准电压源连接到TIA以维持共模。若要测量ZUNKNOWN两端的电压,测量CE0上的电压,选择CE0引脚上的电压(VCE0)作为ADC的输入。然后启动测量序列,并对测量数据执行DFT。

测量 ZUNKNOWN 电流

要测量ZUNKNOWN电流,请使用与电压测量时相同的设置。但是,此时电流是通过TIA测量的。选择低通滤波器输出(LPTIA_LPF0)作为ADC的输入。重新运行测量序列,然后对ADC数据执行DFT。实部和虚部存储在数据FIFO中,并由主控制器读取。

计算 ZUKNOWN

AD5940用序列器存储命令。主微控制器(在本例中为EVAL-ADICUP3029)将所需命令写入序列器。这些命令设置DAC、ADC和TIA以进行测量。序列器自动执行命令,与微控制器无关。首先执行电压测量。数据FIFO已满时会产生中断。然后微控制器读取FIFO并存储DFT结果的实部和虚部。然后,配置ADC多路复用器为将低功耗TIA、低通滤波器输出连接到ADC以测量电流。重新运行以上序列,AD5940在数据FIFO已满时产生中断,提醒主控制器读取数据。

通过下式确定 ZUNKNOWN

equation15

其中ri分别为电流和电压DFT测量值的实部和虚部。

计算EDA的分立式组件


系统中需要许多分立式组件以确保安全性和准确性。本节介绍用于选择合适的限流电阻和隔离电容的各种计算。

计算限流电阻

用一个1kΩ RLIMIT进行BIA测量。由于两种测量共用同一电极,因此EDA的RLIMIT也为1kΩ。

隔离电容

CISO2是EDA回路上的电容,为0.47μA,与BIA测量值相匹配。选择合适的CISO1值,确保在最坏的情况下身体中的交流电流均不会超过10μA。

有关最坏情况,请参见图20,其中,电阻体=0Ω且电容体短路。在这些条件下,电路中流过的电流最大。使用以下等式计算EDA应用的合适隔离值。

equation16

其中:
IACRMSLIMIT 是人体内允许的最大交流电流。
IEXCRMS = 1.1 VPEAK/√2,其中,1.1 V是低功耗DAC的最大范围。
fEXC 为 100 Hz.

要查找CISO1的最大值,请重新分配前两个等式,如下所示:

equation17

考虑电阻和电容在最差情况下的容差,如下所示:

  • 1% 为 RLIMIT
  • 5% 为 CISO2
  • 20% 为 CISO1
  • 10% 为 fEXC

使用这些值,计算CISO1的等式如下:

equation18

其中, CISO1 < 14 nF。

图20. EDA等效电路

图21. EDA信号路径

较大限度地降低永远开启应用的功耗


EDA应用案例利用了AD5940的一项关键省电特性。AD5940有这样一项特性,其中,低功耗回路可以在32kHz时钟下运行。从休眠状态唤醒后,AD5940系统时钟切换到32 kHz振荡器(LPMODECLKSEL位0 = 0x1)。波形发生器、低功耗DAC、ADC和DFT引擎在32 kHz振荡器上运行。在此模式下捕获所有数据和DFT结果,较大限度地降低AD5940的功耗。在测量序列结束时,AD5940切换回16 MHz时钟,禁用所有模块,然后返回休眠状态。AD5940的采样率为4 Hz,DFT数为16,总平均功耗为 66μA。

读回数据

当AD5940基于32 kHz振荡器上运行时,无法通过SPI接口与器件通信。确保SPI事务在正确的时间发生。图22显示了采样率为4 Hz时,EDA测量的时间线。测量完成后,主微控制器可以在200 ms窗口内回读数据。确保不违反此限值。

图22. EDA测量时间线

进行EDA测量


硬件设置

执行EDA测量,需要EVAL-ADICUP3029、EVAL-AD5940ARDZ、EVAL-AD5940BIOZ和AD5940 Z测试板。

EVAL-AD5940BIOZ上的默认跳线设置与EDA测量无关,可以保留原样。

在AD5940 Z测试板上,S2和S3用于EDA测量。取下P1跳线,然后闭合S9。

图23. 用于EDA的AD5940 Z测试板设置

固件设置

AD5940软件开发套件有一个专用的EDA测量示例。若要在评估硬件上执行EDA测量,用户可以使用SensorPal GUI工具或IAR Embedded Workbench固件示例。

若要快速进行原型设计,请使用SensorPal工具。SensorPal提供了许多可配置的参数来定义测量,还提供了快速绘图机制。

或者,打开软件开发套件中的Examples文件夹,然后依次选择AD5940_EDA > ADICUP3029 > ADICUP3029.eww。打开 ADICUP3029.eww文件,在IAR Embedded Workbench中打开项目工作区。

按照下述步骤行动项目:

  1. 编译并构建项目。
  2. 启动调试器,开始执行代码。
  3. 打开RealTerm等终端程序,将波特率配置为230400。
  4. 选择EVAL-ADICUP3029所连接的COM端口。

测量结果通过UART流式传输,可以保存到文件中以进行分析。

要修改应用程序默认参数,请使用AD5940EDAStructInit (void)函数。AppEDACfg_Type数据结构包含应用程序的可配置参数。有关固件的更多详细信息,请参阅软件开发套件doc文件夹中的AD5940_Library_and_examples.chm文件。

图24. IAR中的EDA可配置参数

图25. EDA测量结果