高精度相位差检测系统设计.pdf
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1、声明 所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知,除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果;也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处,本人承担一切的法律责任。 本人签名:五趣一 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定,即:研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交
2、论文的复印件,允许查阅和借阅论文;学校可以公布论文的全部或部分内 容,可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证,毕业后 结合学位论文研究课题再攥写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本人签名: 导师签名: 互超 日期z 叟 兰! 丕,j 7 日期递份、三 日期虚丝:曼9 摘要 论文来源于基于磁感应相位移谱( P S S M I ) 技术检测脑水肿项目,研究了数字电 路测相位差技术,对相位移谱进行检测,具有广泛的应用价值和发展前景。 不同频率的激励信号作用于脑组织后产生相位移谱,并且相位移谱的大小与 脑组织含水量相关,论文根据以上原理给出
3、基于D F T 法测相位差的设计方案。激 励信号与参考信号通过滤波器后在A D C 中完成模数转换。以D S P 为处理核心的 硬件电路实现相位差检测,并将相位差曲线绘制到L C D 。文中分析相位差检测的 基本原理,并对电路的相关参数进行计算和仿真,设计硬件电路,编写系统软件, 实现了相位差的高精度检测。 测试表明系统具有运行稳定、检测精度高等特点,达到要求的功能和指标。 系统已成功应用于脑水肿检测。 关键字:脑水肿相位差D F TD s P A b s 奸a c t A b s t r L C t c o m e 劬mt h ep r o j e c to fh y d r o c e p
4、 I l a l u sd e t e c t i o nb a s e do np 1 1 a s es h i f t S p e c t m s c o p yo fr 1 1 a g n e t i c 洒d u c t i o n ( P S S M I ) n et e c h l l o l o g yo fd i g i 协Ic n u i tt e s t i n g p h a s ed i 虢r e l l c ei sa p p l i e dt 0t h ep h a 蝤s h 谂s p e c t n 吼n e r ei saw i d e 删垮o f a p p
5、l i c a t i o n sa n dp r o s p e c t s E x c 胁i o ns i g m lo fd i f 瓷r e n t 矗e q u e n c i e yi sa p p l i e dt 0b r a i l lt i S s u er e s u l t i l l gp h a s e s h i RS p e c t n l I n ,卸dt h ep 1 1 a s es h i RS p e c t n J mi sa s s o c i a t e dw i t ht 1 1 ew a t e rc o n t e n to ft h e
6、t i S s u e A c c o r d i n gt ot h ea b 0 V ep r 梳i p l e ,t h ed e s i g no fp t l a s ed i 艉r e n c ed e t e c t i o nb a s e d o nD F Ti sg i V e ni I lt h ep 印e r E x c i t a t i o na n dr e f e r e n c es i g m li sp a s s e dt h r o u 曲t h e 6 I t e r 粕di sc o n v e r t e dt 0d i g 妇ls i g m
7、Ib yA D C T h eD S Ph a r d w a r ed e t e c t sp h a S e d i 疏r e n c ea n dt h ep h a 辩c u n ,ei sd r a 、no nt h eL C D 1 1 1 i sp 印e r 撇I ) ,z e st h eb a s i c p r i I l c i p l eo fp h a s ed i 疏r e n c ed e t e c t i o l l ,c a l c u l a t e sa r l ds i m u I a t st h cp a r a m e t e r so ft
8、h e c i r c u i t ,d e s i g n sl l a r d 、v a r ec i r c u i t s ,、r i t e ss o f t 、a r e ,卸da c h i e V e sh i g h - p r e c i s 0 np h a s e d i 丘b r I e n c ed e t e c t i o n T h i ss y S t e ms u c c e s s 如l l y 陀a c h e sa l lt h ed e s i 陀d 血n c t i o 璐锄di 1 1 d i c a t 0 嚣A f t e r t e S
9、t i l l g ,i tI l a sb e e na p p l i e d t 0t h ep r o j e c to f t h eH y d r o c e p h a l u sd e t e c t i o n K q w o r d s : P h a s eD i 仃e n n D S PF P G A 目录 1 3 第二章 2 1 2 2 第三章 3 1 3 2 3 3 3 4 3 5 3 6 3 7 3 8 目录 1 意义。l :2 论文的工作和内容2 相位差检测系统原理5 相位差检测原理5 2 1 1 相位差定义5 2 1 2 A D C 采样6 2 1 3相位差检
10、测算法8 系统设计方案。9 2 2 1 F P G A 技术一l O 2 2 2 D S P 技术1 l 相位差检测系统的硬件设计1 3 硬件电路总体架构13 预滤波电路1 4 3 2 1 无源滤波器一1 4 3 2 2 继电器一1 6 3 2 3 继电器驱动器1 6 增益调理电路1 7 3 3 1 数字控制可变增益放大器17 3 3 2 射频变压器1 9 A D C 采集电路1 9 F P G A 电路2 l 3 5 1 F P G A 配置与时钟电路2 l 3 5 2F P G A 接口电路2 3 D S P 电路:一2 3 3 6 1A D S P B F 5 3 2 与存储器接口电路2
11、 4 3 6 2A D S P B F 5 3 2 外设接口电路2 6 3 6 3 A D S P - B F 5 3 2 时钟、调试与复位电路2 7 芯片稳压电路2 8 P C B 布局布线设计2 9 第四章相位差检测系统的软件设计3 5 4 1F P G A 逻辑设计。3 5 4 1 1时钟产生逻辑3 5 4 1 2A D C 采集逻辑3 7 4 1 3S P I 控制逻辑。3 8 4 2D S P 程序设计:3 9 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究背景及意义 课题来源于基于磁感应相位移谱技术检测脑水肿项目,磁感应相位移谱 ( p h a s es h ms p e c t r o
12、 s c o p yo fm a g n e t i ci n d u c t i o n ,P S S M I ) 技术是根据生物组织和细 胞的介电特性具有频率依赖性,采用一定频率范围的激励磁场作用于生物组织, 由于电磁感应的作用,使激励磁场与感应磁场之间产生相位移谱,该相位移谱又 与生物组织的生理病理状态和组织含水量相关,可以反映早期脑水肿、脑水肿的 程度和脑水肿的类型的相位移特征,获得更为丰富的脑水肿生理病理信息。 从1 9 2 3 年神经外科术后重症监护( m t e n s i v ec a r eu n i t ,I C U ) 在美国开展以来,随 着生命科学和工程技术的发展,促进
13、了各种监护技术和设备的涌现,然而,对于 临床神经外科经常出现的脑水肿症状的监护,缺少具有早期检测、无创伤和非接 触连续监护的技术,极大地限制治疗水平的进一步提高。 脑电图( E E G ) 、颅多普勒( T C D ) 、脑阻抗( I C G ) 等技术可以对脑水肿进行监护, 但存在接触式测量、安装电极多、不能早期和定量检测、及创伤性等问题需要解 决,因此,发展一种具有早期检测、无创伤和非接触连续监护的技术,弥补现有 检查手段的不足,对于及时确定病情指导治疗、降低各类脑疾病死亡率是十分必 要的。并且在事故急救现场,军事冲突现场,车、船和飞机等救护装备上以及边 远的乡镇医院,不可能装备大型、先进
14、的成像设备进行脑损伤的检查,也不可能 给出详细和精确的诊断。而是需要小型的检查和监护仪器,及时发现脑水肿的发 生,确定脑损伤是否存在,提示急诊医生采取急救措施控制病情的恶化,迅速转 运到大型医院。因此,发展一种小型的脑水肿监护技术,对于急救现场的救治十 分必要。 针对现有脑水肿检查手段的不足和临床脑疾病诊疗与急救现场脑创伤救治的 需要,基于生物组织与细胞的介电特性、脑水肿的病理学机制和电磁感应原理, 提出检测和监护脑水肿的P S S M I 技术研究。脑水肿模拟检测系统如图1 1 所示, 包括激励源,脑水肿物理模型,高精度相位差检测仪三部分。激励源输出一路激 励电流信号激励线圈产生磁场,当磁场
15、通过脑水肿物理模型后产生感应磁场,这 两个磁场经检测线圈产生感应电压信号。相位差检测仪测量感应电压信号和参考 信号的相位差,此相位差反映了脑水肿模拟溶液的信息。可见本文所设计的高精 度相位差检测系统是脑水肿检测中最为重要的一个环节,对于推进P S S M I 技术的 发展具有重要意义。 2 高精度相位差检测系统设计 图1 1 脑水肿模拟检测系统 1 2 国内外研究现状 目前相位测量技术及理论已趋于完善,测量方法及理论也较成熟,相位测量 仪器已系列化和商品化,在军用和民用领域有着广泛的应用,如:航空航天、军 事、机械制造、电力和电气自动化、移动通信、生物医学、地质勘探、海底资源 探测等领域。相位
16、差测量技术的发展可分为两个方向【2 】:第一是采用数字专用电路、 微处理器等来构成测试系统,使测量精度得以大大提高;第二是采用计算机及智 能化测量技术,从而大大简化设计程序,增强功能,使得相应的产品精度更高、 功能更全。同时,各种新的算法、测量手段和新的设计方法及器件也随之出现。 随着集成电路和软件技术的不断发展和解决复杂问题能力的不断提高,D S P ( 数字信号处理器) 和F P G A ( 现场可编程门阵列) 技术的出现和发展使得相位差 测量系统结构清晰,流程简洁,性能和精度得以不断的提高,功能越来越强大。 目前国内外均采用的相位测量的方法有:采用D S P 微处理器专用数字处理芯片,
17、利用傅立叶变换等方法来计算相位差,可大大提高测量精度;采用F P G A 可编程 门阵列专用数字电路来提高相位检测的运算速度、精度以及工作频率范围。 在民用上,我国的相位测量技术与国外仍有较大的差距,主要体现在产品种 类较少,配套产品少;产品测试功能单一;仪器精度、数字化和自动化程度不高。 只有不断的学习国外先进技术和自我创新,采用新技术和新方法,才能使相位的 测量技术从性能、功能和精度上得到不断地提高,逐步减小与国外的差距【3 】。 1 3 论文的工作和内容 论文为基于磁感应相位移谱技术检测脑水肿这一课题设计了高精度相位差检 为处理核心的数字电路中完成相位差的检测。进行软硬件调试后,最后完成
18、的系 统通过测试可以应用于脑水肿检测项目。 围绕论文,主要做了以下几个方面的工作: l 、 完成系统的方案设计,硬件原理图和P C B 设计。 2 、 将P C B 投板,完成硬件电路板的调试。 3 、编写底层驱动程序,包括F P G A 的逻辑设计,D S P 控制程序。 4 、 根据相位差检测算法完成D S P 的数字信号处理程序。 5 、 搭建测试平台,对相位差检测精度指标进行测试。 11 6 、 配合协作单位完成相位差检测系统的联调及计量工作。 论文的章节安排如下: 第一章介绍了论文的研究背景和意义以及高精度相位差检测的研究现状。 第二章介绍了相位差检测系统的信号处理流程,提出设计方案
19、。 第三章介绍了相位差检测系统的硬件电路设计与实现。 鼻 第四章介绍了相位差检测系统的软件设计,包括F P G A 逻辑设计,D S P 程序 设计。 第五章介绍了相位差检测系统的调试与整机测试。 最后总结了研究的工作,指出现有系统需要完善的地方,并提出改进方法。 4 高精度相位差检测系统设计 第二章相位差检测系统原理 第二章相位差检测系统原理 差策略可分为硬件法和软件法两大类。硬件法通过模拟器件将 信息转换为时间差信息,在处理器中将得到的时间差变换为相 理器件的限制,这种方法测得的相位差精度不高,不能满足系 计的高精度相位差检测系统采用软件数字信号处理算法,通过 数字专用集成电路和微控制器组
20、成测试系统,将模拟信号通过模数转换器转换成 数字信号,然后在处理器中采用数字信号处理算法计算出相位差,这样得到相位 差的精度高,可以满足脑水肿检测需求。 2 1 相位差检测原理 。,。:。,。,。,。;7i!i x 1 ( k ) 阚= 叫粼) 滤波器 。I l ( n ) = s 1 ( n ) + n 1 D n 一伽。1 “h 。盐l j L H 纂卜t 丑匿哥 相位差检测算法害位差 。:出。砣。譬i兰重i一 啦:m 止巡 夕 蕉蘧墨V1 2 螋) 啦( D X 2 ( k ) 。L ,枷Z 啦卅譬l j L H 纂卜 图2 1 相位差检测原理图 相位差检测系统处理流程如图2 1 。系统
21、输入信号有l M 比、l O 7 M H z 和 2 1 4 M H z 三个点频信号,由于输入信号的信噪比对相位检测的精度有较大的影响, 所以在数据采集前需要对输入信号进行预滤波。根据输入信号的频率,如果是 l M 让输入信号通过一个低通滤波器,如果是1 0 7 z 和2 1 4 z 让其分别通 过各自频点的带通滤波器,从而提高输入信号的信噪比。由A D C 对两路信号进行 同步采集,将外部模拟信号转换为数字信号,对于输入l M H z 的信号采用低通采 样的方法,输入l O 7 z 和2 1 4 瑚z 的信号属于窄带信号,所以可以采用带通采 样的方法对数据进行采集。然后对该频率点用D F
22、T 算法求出该频率点的频谱信息, 用反正切函数计算出每一路的相位信息,将两路信号的相位相减便得到相位差数 据,对所得到的数据进行存储并实时显示。 2 1 1 相位差定义 正弦信号是频率成分最为单一的一种信号,在工程上也称为点频信号,一个 。一 时刻作为信号的初始相位。 2 1 2A D C 采样 采用数字信号算法计算相位差的前提是要得到采样量化后的数字信号,当对 某一时间连续信号进行采样时,如何确定采样频率,才能由这些采样值准确表示 原始信号,不至于产生信号的混叠和失真,成为人们首要关心的问题。 采样定理【9 】论述了在一定的条件下,一个连续时间信号厂( f ) 完全可以用该信号 在等时间间隔
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