CN117116458A - 高速电阻抗成像信号采集系统及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于电阻抗成像技术领域，提供了一种高速电阻抗成像信号采集系统及其控制方法，该高速电阻抗成像信号采集系统包括：正弦信号生成模块，用于提供正弦电压信号；压控恒流源模块，用于生成电流信号；多路复用模块，用于对电流信号在目标通道进行采样得到通道信号并发送至人机接口穿戴部件，以得到多个差分电极信号；高分辨率高采样率多通道模数转换模块，用于将多个差分电极信号转换成数字信号；微控制器模块，用于获取多个通道信号，并对多个通道信号分别对应的数字信号进行基线漂移消除处理和有效值计算得到信号有效值。本发明所述方法能够提升信号采集系统的时域性能和集成度，降低了电路的功耗和开发成本。

Description

高速电阻抗成像信号采集系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及电阻抗成像技术领域，尤其涉及一种高速电阻抗成像信号采集系统及其控制方法。
背景技术
电阻抗成像技术(Electrical Impedance Tomography，EIT)是通过在人体表面放置阵列电极，施加电流激励信号，测试电压信号，从而可以提取人体生理、病态状态相关组织或器官的电特性。
相关技术中，在电阻抗成像信号采集过程中，通常使用串行采样的方式对电流激励和相应电压值进行采样，当采样通路较多时，串行采样的延时高，导致采样效率低；而通过增加电路的芯片布局，并采用并行采样对模拟信号进行处理时，又会增加电路的功耗、体积和成本，无法满足穿戴式人机接口的实际需求，且采样到的信号中存在大量噪声，进一步增加了电路芯片的运算量和功耗。
发明内容
本发明提供一种高速电阻抗成像信号采集系统及其控制方法，用以解决现有技术中使用串行采样的方式对电流激励和相应电压值进行采样的延时高，而通过增加电路芯片以使用并行采样处理模拟信号又会增加电路的功耗、体积和成本，且采样到的信号中存在大量噪声，导致电路芯片的运算量大和功耗高的缺陷，提升了信号采集系统的时域性能和集成度，降低了电路的功耗和成本。
本发明提供一种高速电阻抗成像信号采集系统，包括：
正弦信号生成模块，所述正弦信号生成模块用于提供固定频率的正弦电压信号；
压控恒流源模块，所述压控恒流源模块与所述正弦信号生成模块电连接，所述压控恒流源模块用于根据所述正弦电压信号生成电流信号，所述电流信号具备恒定的频率和电流有效值；
多路复用模块，所述压控恒流源模块与所述多路复用模块电连接，所述多路复用模块包括多个通道，所述多路复用模块采用并行的方式进行双向选通，所述多路复用模块用于对所述电流信号在目标通道进行采样，得到通道信号，所述目标通道属于所述多个通道；
所述多路复用模块还用于将所述通道信号发送至人机接口穿戴部件，所述人机接口穿戴部件用于对所述通道信号进行差分采样，得到多个差分电极信号；
高分辨率高采样率多通道模数转换模块，所述高分辨率高采样率多通道模数转换模块与所述人机接口穿戴部件电连接，所述高分辨率高采样率多通道模数转换模块用于将所述多个差分电极信号转换成数字信号，所述高分辨率高采样率多通道模数转换模块的分辨率大于或等于K，其中，K的取值基于压控恒流源输出电流峰峰值、人体待测部位阻抗实部均值和高分辨率高采样率多通道模数转换模块的采样范围确定；所述高分辨率高采样率多通道模数转换模块的采样频率不低于10倍的压控恒流源输出正弦电流信号频率，且所述高分辨率高采样率多通道模数转换模块的单个模块的同步采样信号通道数不少于N/2，N为所述人机接口穿戴部件上的电极数目；
微控制器模块，所述高分辨率高采样率多通道模数转换模块和所述多路复用模块分别与所述微控制器模块电连接，所述微控制器模块用于控制所述多路复用模块通过双向选通切换目标通道来获取多个通道信号，每个通道信号对应一组数字信号；所述微控制器模块还用于对所述多个通道信号分别对应的数字信号依次进行基线漂移消除处理和有效值计算，得到信号有效值，并将所述信号有效值采样集发送至上位机。
根据本发明提供的一种高速电阻抗成像信号采集系统，所述微控制器模块包括：
时序控制模块，所述时序控制模块用于以预设采样周期向所述高分辨率高采样率多通道模数转换模块发送控制信号，所述控制信号用于指示所述多路复用模块通过双向选通切换目标通道。
根据本发明提供的一种高速电阻抗成像信号采集系统，所述微控制器模块包括，所述微控制器模块还包括：
快速滤波模块，所述快速滤波模块用于对所述数字信号依次进行基线漂移消除处理和有效值计算，得到所述信号有效值。
根据本发明提供的一种高速电阻抗成像信号采集系统，所述系统还包括：
电源管理模块，所述电源管理模块用于为所述压控恒流源模块、所述多路复用模块和所述高分辨率高采样率多通道模数转换模块供电。
本发明还提供一种高速电阻抗成像信号采集系统的控制方法，包括：
获取正弦信号生成模块提供的固定频率的正弦电压信号；
基于压控恒流源模块根据所述正弦电压信号生成电流信号，所述电流信号具备恒定的频率和电流有效值；
基于多路复用模块对所述电流信号在目标通道进行采样，得到通道信号；对所述通道信号进行差分采样，得到多个差分电极信号；基于高分辨率高采样率多通道模数转换模块将所述多个差分电极信号转换成数字信号；其中，所述多路复用模块包括多个通道，所述多路复用模块采用并行的方式进行双向选通，所述目标通道属于所述多个通道，所述多路复用模块采用并行的方式进行双向选通，所述多路复用模块用于在电流输出端选通两条通路的情况下，选通所有高分辨率高采样率多通道模数转换模块读取通路，其中，选通通道数目不少于高分辨率高采样率多通道模数转换模块的单个模块的通道数；
基于微控制器模块对多个通道信号分别对应的数字信号依次进行基线漂移消除处理和有效值计算，得到信号有效值，并将所述信号有效值采样集发送至上位机；其中，所述多个通道信号基于所述微控制器模块控制所述多路复用模块通过双向选通切换目标通道得到。
根据本发明提供的一种高速电阻抗成像信号采集系统的控制方法，所述微控制器模块包括时序控制模块和快速滤波模块；
所述基于微控制器模块对多个通道信号分别对应的数字信号依次进行基线漂移消除处理和有效值计算，得到信号有效值，包括：
基于所述时序控制模块以预设采样周期向所述高分辨率高采样率多通道模数转换模块发送控制信号；
基于所述高分辨率高采样率多通道模数转换模块根据所述控制信号切换目标通道，以得到多个通道信号，每个通道信号对应一组数字信号；
基于所述快速滤波模块对所述多个通道信号分别对应的数字信号依次进行基线漂移消除处理和有效值计算，得到所述信号有效值。
根据本发明提供的一种高速电阻抗成像信号采集系统的控制方法，所述基于快速滤波模块对所述多个通道信号分别对应的数字信号依次进行基线漂移消除处理和有效值计算，得到所述信号有效值，包括：
通过应用如下公式得到所述信号有效值：
其中，为所述信号有效值，/>为每个通道信号对应的数字信号的数目，/>为第/>个数字信号，/>为第/>个计算窗的均值；/>所述基于数据窗的数据标号、个数和长度确定，数据窗的长度基于高分辨率高采样率多通道模数转换模块的采样频率和激励信号的频率之间的比值确定。
本发明还提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述任一种所述高速电阻抗成像信号采集系统的控制方法。
本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如上述任一种所述高速电阻抗成像信号采集系统的控制方法。
本发明还提供一种计算机程序产品，包括计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述任一种所述高速电阻抗成像信号采集系统的控制方法。
本发明提供的高速电阻抗成像信号采集系统及其控制方法，通过正弦信号生成模块提供的固定频率的正弦电压信号，通过压控恒流源模块根据正弦电压信号生成电流信号，通过多路复用模块对电流信号在目标通道进行采样，得到通道信号，通过人机接口穿戴部件的多个电极对通道信号进行差分采样，得到多个差分电极信号，通过高分辨率高采样率多通道模数转换模块将多个差分电极信号转换成数字信号，通过微控制器模块对多个通道信号分别对应的数字信号依次进行基线漂移消除处理和有效值计算，得到信号有效值，并将信号有效值采样集发送至上位机，能够提升信号采集系统的时域性能和集成度，降低了电路的功耗和开发成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的高速电阻抗成像信号采集系统的结构示意图；
图2是本发明提供的多路复用模块与人机接口穿戴部件连接关系示意图；
图3是本发明提供的高速电阻抗成像信号采集系统的控制方法的流程示意图之一；
图4是本发明提供的高速电阻抗成像信号采集系统的控制方法的流程示意图之二；
图5是本发明提供的电子设备的结构示意图。
附图标记：
110：正弦信号生成模块；120：压控恒流源模块；
130：多路复用模块；140：人机接口穿戴部件；
150：高分辨率高采样率多通道模数转换模块；
160：微控制器模块。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合图1-图4描述本发明的高速电阻抗成像信号采集系统及其控制方法。
图1是本发明提供的高速电阻抗成像信号采集系统的结构示意图，如图1所示，该高速电阻抗成像信号采集系统，包括正弦信号生成模块110、压控恒流源模块120、多路复用模块130、人机接口穿戴部件140、高分辨率高采样率多通道模数转换模块150和微控制器模块160。
正弦信号生成模块110用于提供固定频率的正弦电压信号。
在该实施例中，正弦电压信号的频率可根据用户需求配置。
在该实施例中，微控制器模块160与正弦信号生成模块110电连接，通过微控制器模块160向正弦信号生成模块110发送信号参数，此后，正弦信号生成模块110在通电情况下，可以根据信号参数自动、持续的生成目标频率的正弦电压信号。
在该实施例中，信号参数可以是振幅和相位等。
在该实施例中，正弦信号生成模块110可以是为振荡电路，用于产生峰峰值为320mV、频率为40kHz的正弦信号，对应的基线信号为0V。
压控恒流源模块120与正弦信号生成模块110电连接，压控恒流源模块120用于根据正弦电压信号生成电流信号，电流信号具备恒定的频率和电流有效值。
在该实施例中，压控恒流源模块120可以将正弦电压信号转换为用于进行电极激励的电流信号。
在该实施例中，在正弦电压信号保持固定频率的情况下，电流信号的频率和有效值均为固定值，即电流信号的频率和有效值也可根据用户需求进行配置。
在该实施例中，压控恒流源模块120采用了Howland电路方式，通过在电路设置多运放芯片降低元器件参数不对称性，例如，运放芯片可以为AD620B芯片和AD711芯片，能够提升电路的输出阻抗，压控恒流源模块120的控制输入为正弦电压信号，电路模块输出电流频率为40kHz，输出恒定电流有效值为0.4mA，压控恒流源模块120输出电压峰值为±9V。
压控恒流源模块120与多路复用模块130电连接，多路复用模块130包括多个通道，多路复用模块130采用并行的方式进行双向选通，多路复用模块130用于对电流信号在目标通道进行采样，得到通道信号，目标通道属于多个通道。
在该实施例中，多路复用模块130包括多路复用器，多路复用器采用并行的方式进行双向选通，例如，电流输出端选通两条通路的同时，多路复用器选通所有模数转换器ADC的读取通路，且多路复用器选通的通道数目不少于单个ADC模块的通道数，通过多路复用器进行单次电流激励、串行差分电压测量的方式，能够减少扫描次数，提升了采样效率。
图2是本发明提供的多路复用模块130与人机接口穿戴部件140连接关系示意图，在图2所示的实施例中，多路复用模块130（对应多路复用器）采用ADG726芯片，根据输入的4个二进制数据将输入A、B连接至相应编号的输出A、B引脚上，根据人机接口穿戴部件140（对应袖套）上的16个电极两两一组依次输入激励信号，在设计电路板时，将每一个编号的输出A连接至前一个编号的输出B上，再连接到袖套的相应电极上；当编号依次增加，多路复用器的输入A、B将依次被连接到袖套的对应编号的电极上。
人机接口穿戴部件140与多路复用模块130电连接，人机接口穿戴部件140包括多个电极，人机接口穿戴部件140用于以通道信号作为激励信号，并根据多个电极对激励信号进行差分采样，得到多个差分电极信号；
在该实施例中，人机接口穿戴部件140可以是穿戴设备前端，穿戴设备前端上设有多个电极，例如，采用16个柔性电路板制成的电极，将多个电极均匀缝制在穿戴设备前端内侧，靠近被测对象的皮肤。
高分辨率高采样率多通道模数转换模块150与人机接口穿戴部件140电连接，高分辨率高采样率多通道模数转换模块150用于将多个差分电极信号转换成数字信号，高分辨率高采样率多通道模数转换模块的分辨率大于或等于K，其中，K的取值基于压控恒流源输出电流峰峰值、人体待测部位阻抗实部均值和高分辨率高采样率多通道模数转换模块的采样范围确定；高分辨率高采样率多通道模数转换模块的采样频率不低于10倍的压控恒流源输出正弦电流信号频率，且高分辨率高采样率多通道模数转换模块的单个模块的同步采样信号通道数不少于N/2，N为人机接口穿戴部件上的电极数目。
在该实施例中，采用高分辨率高采样率的多通道模数转换器（Analog to DigitalConverter，ADC）将多个差分电极信号转换成数字信号。
在该实施例中，高分辨率高采样率的多通道ADC的分辨率超过K，其中，K可以应用如下公式确定：
；
其中，min{}为极小值函数，Ipp为压控恒流源输出电流峰峰值，Rh为人体待测部位阻抗实部均值，Vm为ADC的电压采样范围。
在该实施例中，高分辨率高采样率多通道ADC分辨率为16bit及以上，该ADC信号输入幅值与压控恒流源（VCCS）模块输出电压幅值保持一致。
在该实施例中，根据人体肌肉组织的电导率特性，VCCS输出正弦电流信号频率在40kHz，电流有效值不超过4mA（安全阈值），利用高分辨率高采样率多通道ADC同步采样频率不低于10倍的正弦电流信号频率；高分辨率高采样率多通道ADC单个模块同步采样信号通道数不少于N/2，N为电极数目；基于上述高分辨率高采样率多通道ADC的分辨率、单个模块同步采样信号通道数以及采样频率的设置，能够实现高速电阻抗成像信号采集系统的100Hz采样需求。
在该实施例中，高分辨率高采样率多通道ADC采用两片AD7606B芯片（AD7606B-1、AD7606B-2），芯片的采样频率800kHz，每个芯片包含8通道同步采样，通过并口总线与主控制器芯片进行通信，芯片采样分辨率为16bit，对应ADC输入电压范围为±2.5V。
微控制器模块160，高分辨率高采样率多通道模数转换模块150和多路复用模块130分别与微控制器模块160电连接，微控制器模块160用于控制多路复用模块130通过双向选通切换目标通道来获取多个通道信号，每个通道信号对应一组数字信号；微控制器模块160还用于对多个通道信号分别对应的数字信号依次进行基线漂移消除处理和有效值计算，得到信号有效值，并将信号有效值采样集发送至上位机。
在该实施例中，通过微控制器模块160对数字信号进行并行采样，比如，在每个T/N长度的时间间隔中，微控制器模块160从△t时刻后开始读取高分辨率高采样率多通道ADC数据，连续读取不少于10个正弦信号周期长度的数据，根据该ADC采样频率与VCCS输出信号频率之间的关系m≥100。
图3是本发明提供的高速电阻抗成像信号采集系统的控制方法的流程示意图之一，在图3所示的实施例中，主控制器采用STM32F767VGT6芯片，主控制器（单片机）上电后，自动执行初始化代码，并打开3个时间定时器TIM1、TIM2、TIM8、数据发送功能、启动ADC采集和DMA传输；初始化完毕后，主控制器程序并行执行两个任务：任务一为使用两个DMA将高分辨率高采样率多通道ADC数据读取至单片机内存，每一包数据完成后触发中断，并更新DMA标志位，DMA传输不占用控制器CPU计算资源，并行执行；两个任务具体执行方式为：
（1）在任务一中，每250us，每个DMA控制器把从上述ADC获得的每通道100个、共8个通道数据自动传输至单片机内存中。每250us的时间间隔内，2个DMA将会完成1600个ADC采样数据传输。每传输完成一个数据包，DMA将会触发一次DMA中断；触发一次中断后，标志位AD_flag+1，用于判断程序是否可执行任务二的计算；
（2）在任务一中，由主函数循环执行数据处理和运算。主函数循环查询DMA标志位，一旦标志位满足所设定的条件，程序将开始计算所获取数据的有效值，即均方根（RMS）值，在计算过程中消除基线漂移影响，每个时间间隔内切换多路复用器通道；切换多路复用器通道的次数用标志位p来表示，当程序测量并计算完成袖套上16个电极所有数据后，即完成一帧数据采样，单片机将向上位机发送RMS值计算所得到的数据，上位机根据接收的RMS值发送信号采集的相关控制指令。
在该实施例中，在多通道ADC所测量的16个通道的数据中有两个通道是用于注入激励信号的通道，需要舍去包含这两个通道的三组数据；则根据多路复用器标志位p，对多个通道信号分别对应的数字信号依次进行基线漂移消除处理和有效值计算的处理流程为：
（1）P为1或2，则计算通道p至通道p+13数据的RMS值，并填入结果数组的13(p-1)至13/>(p-1)+12位置；
（2）P为3至14，则计算通道p至通道16数据的RMS值，填入结果数组的13(p-1)至13/>(p-1)+14-p位置中，再计算通道1至通道p-2数据的RMS值，填入结果数组的13/>(p-1)+15-p至13/>(p-1)+12位置中；
（3）P为15或16，则计算通道p-15至通道p-2数据的RMS值，填入结果数组的13(p-1)至13/>(p-1)+12位置中。
经过上述处理流程，在多路复用器标志位p由1变化至16的过程中，所测数据的RMS值按顺序组合形成一帧数据，本实施例中16电极每帧数据共208个数据。
本发明实施例提供的高速电阻抗成像信号采集系统，通过正弦信号生成模块提供的固定频率的正弦电压信号，通过压控恒流源模块根据正弦电压信号生成电流信号，通过多路复用模块对电流信号在目标通道进行采样，得到通道信号，通过人机接口穿戴部件的多个电极对通道信号进行差分采样，得到多个差分电极信号，通过高分辨率高采样率多通道模数转换模块将多个差分电极信号转换成数字信号，通过微控制器模块对多个通道信号分别对应的数字信号依次进行基线漂移消除处理和有效值计算，得到信号有效值，并将信号有效值采样集发送至上位机，能够提升信号采集系统的时域性能和集成度，降低了电路的功耗和开发成本。
在一些实施例中，微控制器模块160包括：时序控制模块，时序控制模块用于以预设采样周期向高分辨率高采样率多通道模数转换模块150发送控制信号，控制信号用于指示多路复用模块130通过双向选通切换目标通道。
在该实施例中，时序控制模块可以控制多路复用器的选通与数据的读取，通过时序控制模块向多路复用模块130发送不同时序的控制信号，例如，电阻抗扫描时间间隔为T，电极数目为N，则共有N次电流激励，时序控制模块将每个采样间隔分为T/N个时间间隔，在每个时间间隔点，时序控制模块控制多路复用器选通至相应状态。
在一些实施例中，微控制器模块160还包括：快速滤波模块，快速滤波模块用于对数字信号依次进行基线漂移消除处理和有效值计算，得到信号有效值。
在该实施例中，快速滤波模块用于去除信号中的基线漂移，以消除噪声信号的影响。
需要说明的是，电阻抗扫描信号采集中，电流激励信号输入至人体，生物组织（肌肉、脂肪以及其他软组织）由于肌肉收缩的变化，带来电导率分布的变化，在电流激励的同时，测量其他部位的同频率正弦信号电压幅值变化，后续结合解算算法可得到电导率分布成像，在测量过程中的关键是准确提取与激励电流信号同频率的电压正弦信号的有效值变化；在多路复用器的选通过程中，电极与人体之间存在接触阻抗（一般为容性阻抗），多路复用器导通端也存在导通阻抗，同时电极导线存在杂散电容，多种因素造成快速选通过程中的信号失真，多次选通过程中基线随机漂移，且信号基线漂移幅值远大于正弦信号幅值以及正弦信号随肌肉收缩产生的幅值变化量；由于每次多路复用器切换后，信号基线漂移状态不同，整体信号为非动态宽平稳信号，现有的带通滤波器或者高通滤波器由于其运算量无法满足实时性要求。
在该实施例中，系统需要在采样时间间隔（采样周期）T内，完成所有N（N-3）个通道的信号有效值计算和基线漂移去除，每个通道采样m（≥100）个数据，通过计算各数字信号均方根RMS的方式确定信号有效值，并在计算过程中消除基线漂移的影响，以得到信号有效值。
本发明实施例提供的高速电阻抗成像信号采集系统，通过时序控制模块以预设采样周期向高分辨率高采样率多通道模数转换模块发送控制信号，以指示多路复用模块通过双向选通切换目标通道，通过快速滤波模块对数字信号依次进行基线漂移消除处理和有效值计算，能够减少采样信号中基线漂移的影响，从而减少电路功耗和芯片的运算量。
在一些实施例中，该系统还包括：电源管理模块，电源管理模块用于为压控恒流源模块120、多路复用模块130和高分辨率高采样率多通道模数转换模块150供电。
在该实施例中，高速电阻抗成像信号采集系统的电源管理模块输入为9V电压，通过电源管理模块输出包括±9V直流电压、±5V直流电压和3.3V直流电压，其中，±9V直流电压为电路系统中的压控恒流源模块120VCCS供电，±5V直流电压为电路系统中的多通道ADC和多路复用模块130供电。
本发明实施例提供的高速电阻抗成像信号采集系统，通过设置电源管理模块分别为压控恒流源模块、多路复用模块和高分辨率高采样率多通道模数转换模块提供不同的输入电压，以保证电路各模块的正常工作。
下面对本发明提供的高速电阻抗成像信号采集系统的控制方法进行描述，下文描述的高速电阻抗成像信号采集系统的控制方法与上文描述的高速电阻抗成像信号采集系统可相互对应参照。
图4是本发明提供的高速电阻抗成像信号采集系统的控制方法的流程示意图之二，如图4所述，该高速电阻抗成像信号采集系统的控制方法包括如下步骤：
步骤410、获取正弦信号生成模块提供的固定频率的正弦电压信号。
在该步骤中，正弦电压信号的频率可根据用户需求配置。
在该实施例中，微控制器模块与正弦信号生成模块电连接，通过微控制器模块向正弦信号生成模块发送信号参数，此后，正弦信号生成模块在通电情况下，可以根据信号参数自动、持续的生成目标频率的正弦电压信号。
在该实施例中，信号参数可以是振幅和相位等。
在该实施例中，正弦信号生成模块可以为振荡电路，用于产生峰峰值为320mV、频率为40kHz的正弦信号，对应的基线信号为0V。
步骤420、基于压控恒流源模块根据正弦电压信号生成电流信号，电流信号具备恒定的频率和电流有效值。
在该步骤中，压控恒流源模块与正弦信号生成模块电连接，压控恒流源模块可以将正弦电压信号转换为用于进行电极激励的电流信号。
在该实施例中，在正弦电压信号保持固定频率的情况下，电流信号的频率和有效值均为固定值，即流信号的频率和有效值也可根据用户需求进行配置。
在该实施例中，压控恒流源模块采用了Howland电路方式，通过在电路设置多运放芯片降低元器件参数不对称性，例如，运放芯片可以为AD620B芯片和AD711芯片，能够提升电路的输出阻抗，压控恒流源模块的控制输入为正弦电压信号，电路模块输出电流频率为40kHz，输出恒定电流有效值为0.4mA，压控恒流源模块输出电压峰值为±9V。
步骤430、基于多路复用模块对电流信号在目标通道进行采样，得到通道信号；对通道信号进行差分采样，得到多个差分电极信号；基于高分辨率高采样率多通道模数转换模块将多个差分电极信号转换成数字信号；其中，多路复用模块包括多个通道，目标通道属于多个通道；多路复用模块采用并行的方式进行双向选通，多路复用模块用于在电流输出端选通两条通路的情况下，选通所有高分辨率高采样率多通道模数转换模块读取通路，其中，选通通道数目不少于高分辨率高采样率多通道模数转换模块的单个模块的通道数。
在该步骤中，多路复用模块包括多路复用器，电流输出端选通两条通路的同时，多路复用器选通所有模数转换器（ADC）的读取通路，且多路复用器选通的通道数目不少于单个ADC模块的通道数，这种用过多路复用器进行单次电流激励、串行差分电压测量的方式，减少了扫描次数，提升了采样效率。
在该实施例中，人机接口穿戴部件与多路复用模块电连接，人机接口穿戴部件包括多个电极，人机接口穿戴部件以通道信号作为激励信号，并根据多个电极对激励信号进行差分采样，得到多个差分电极信号。
在该实施例中，高分辨率高采样率多通道模数转换模块与人机接口穿戴部件电连接，高分辨率高采样率多通道模数转换模块用于将多个差分电极信号转换成数字信号，例如，高分辨率高采样率多通道ADC分辨率为16bit及以上，ADC信号输入幅值与压控恒流源（VCCS）模块输出电压幅值保持一致。
在该实施例中，高分辨率高采样率多通道ADC采用两片AD7606B芯片（AD7606B-1、AD7606B-2），芯片的采样频率800kHz，每个芯片包含8通道同步采样，通过并口总线与主控制器芯片进行通信，芯片采样分辨率为16bit，ADC输入电压范围为。
步骤440、基于微控制器模块对多个通道信号分别对应的数字信号依次进行基线漂移消除处理和有效值计算，得到信号有效值，并将信号有效值采样集发送至上位机；其中，多个通道信号基于微控制器模块控制多路复用模块通过双向选通切换目标通道得到。
在该步骤中，高分辨率高采样率多通道模数转换模块和多路复用模块分别与微控制器模块电连接，微控制器模块用于控制多路复用模块通过双向选通切换目标通道来获取多个通道信号，每个通道信号对应一组数字信号。
在该实施例中，通过微控制器模块对数字信号进行并行采样，比如，在每个T/N长度的时间间隔中，微控制器模块从△t时刻后开始读取ADC数据，连续读取不少于10个正弦信号周期长度的数据，根据ADC采样频率与VCCS输出信号频率之间的关系m≥100。
在该实施例中，在多通道ADC所测量的16个通道的数据中有两个通道是用于注入激励信号的通道，需要舍去包含这两个通道的三组数据；则根据多路复用器标志位p，对多个通道信号分别对应的数字信号依次进行基线漂移消除处理和有效值计算的处理流程为：
（1）P为1或2，则计算通道p至通道p+13数据的RMS值，并填入结果数组的13(p-1)至13/>(p-1)+12位置中；
（2）P为3至14，则计算通道p至通道16数据的RMS值，填入结果数组的13(p-1)至13/>(p-1)+14-p位置中，再计算通道1至通道p-2数据的RMS值，填入结果数组的13/>(p-1)+15-p至13/>(p-1)+12位置中；
（3）P为15或16，则计算通道p-15至通道p-2数据的RMS值，填入结果数组的13(p-1)至13/>(p-1)+12位置中。
经过上述处理流程，在多路复用器标志位p由1变化至16的过程中，所测数据的RMS值按顺序组合形成一帧数据，本实施例中16电极每帧数据共208个数据。
本发明实施例提供的高速电阻抗成像信号采集系统的控制方法，通过正弦信号生成模块提供的固定频率的正弦电压信号，通过压控恒流源模块根据正弦电压信号生成电流信号，通过多路复用模块对电流信号在目标通道进行采样，得到通道信号，通过对通道信号进行差分采样，得到多个差分电极信号，通过高分辨率高采样率多通道模数转换模块将多个差分电极信号转换成数字信号，通过微控制器模块对多个通道信号分别对应的数字信号依次进行基线漂移消除处理和有效值计算，得到信号有效值，并将信号有效值采样集发送至上位机，能够提升信号采集系统的时域性能和集成度，降低了电路的功耗和开发成本。
在一些实施例中，微控制器模块包括时序控制模块和快速滤波模块；基于微控制器模块对多个通道信号分别对应的数字信号依次进行基线漂移消除处理和有效值计算，得到信号有效值，包括：基于时序控制模块以预设采样周期向高分辨率高采样率多通道模数转换模块发送控制信号；基于高分辨率高采样率多通道模数转换模块根据控制信号切换目标通道，以得到多个通道信号，每个通道信号对应一组数字信号；基于快速滤波模块对多个通道信号分别对应的数字信号依次进行基线漂移消除处理和有效值计算，得到信号有效值。
在该实施例中，时序控制模块可以控制多路复用器的选通与数据的读取，通过时序控制模块向多路复用模块发送不同时序的控制信号，例如，电阻抗扫描时间间隔为T，电极数目为N，则共有N次电流激励，时序控制模块将每个采样间隔分为T/N个时间间隔，在每个时间间隔点，时序控制模块控制多路复用器选通至相应状态。
在该实施例中，在每个时间间隔中，微控制器模块控制多个通道的ADC数据进行模数转换，并读取完成转换后的ADC缓存中的连续m个数据；在每个T/N长度的时间间隔中，从△t时刻后开始读取ADC数据，连续读取不少于M个正弦信号周期长度的数据。
在该实施例中，m=100，电极N=16，采样时间间隔T=10ms，△t=125us。
在该实施例中，快速滤波模块用于去除信号中的基线漂移，以消除噪声信号的影响。
在该实施例中，系统需要在采样时间间隔（采样周期）T内，完成所有N（N-3）个通道的信号有效值计算和基线漂移去除，每个通道采样m（≥100）个数据，通过计算各数字信号均方根RMS的方式确定信号有效值，并在计算过程中消除基线漂移的影响，以得到信号有效值。
本发明实施例提供的高速电阻抗成像信号采集系统的控制方法，通过时序控制模块以预设采样周期向高分辨率高采样率多通道模数转换模块发送控制信号，以指示多路复用模块通过双向选通切换目标通道，通过快速滤波模块对数字信号依次进行基线漂移消除处理和有效值计算，能够减少采样信号中基线漂移的影响，从而减少电路功耗和芯片的运算量。
在一些实施例中，基于快速滤波模块对多个通道信号分别对应的数字信号依次进行基线漂移消除处理和有效值计算，得到信号有效值，包括：通过应用如下公式得到信号有效值：
；
其中，为信号有效值，/>为每个通道信号对应的数字信号的数目，/>为第/>个数字信号，/>为第/>个计算窗的均值；/>基于数据窗的数据标号、个数和长度确定，数据窗的长度基于高分辨率高采样率多通道模数转换模块的采样频率和激励信号的频率之间的比值确定。
在该实施例中，计算窗的均值通过下式得到：
；
其中，为m个采样数据中第/>个数据窗的数据标号，K为数据窗个数，m/K为每个数据窗的长度，每个数据窗长度为一个正弦信号周期中采样点的个数，即ADC采样频率与电流激励信号频率的比值。
在该实施例中，系统需要在采样时间间隔T内，完成所有N（N-3）个通道的信号有效值计算和基线漂移去除，每个通道采样m（≥100）个数据。
本发明实施例提供的高速电阻抗成像信号采集系统的控制方法，通过每个通道信号对应的数字信号及其数目、每个数字信号的计算窗的均值计算对应的信号有效值，并在计算过程中消除基线漂移影响，减少了多通道硬件滤波芯片的使用数量，降低系统成本与体积，满足穿戴式人机接口的实际技术需求。
图5是本发明提供的电子设备的结构示意图，如图5所示，该电子设备可以包括：处理器(processor)510、通信接口(Communications Interface)520、存储器(memory)530和通信总线540，其中，处理器510，通信接口520，存储器530通过通信总线540完成相互间的通信。处理器510可以调用存储器530中的逻辑指令，以执行高速电阻抗成像信号采集系统的控制方法，该方法包括：获取正弦信号生成模块提供的固定频率的正弦电压信号；基于压控恒流源模块根据正弦电压信号生成电流信号，电流信号具备恒定的频率和电流有效值；基于多路复用模块对电流信号在目标通道进行采样，得到通道信号；对通道信号进行差分采样，得到多个差分电极信号；基于高分辨率高采样率多通道模数转换模块将多个差分电极信号转换成数字信号；其中，多路复用模块包括多个通道，目标通道属于多个通道；多路复用模块采用并行的方式进行双向选通，多路复用模块用于在电流输出端选通两条通路的情况下，选通所有高分辨率高采样率多通道模数转换模块读取通路，其中，选通通道数目不少于高分辨率高采样率多通道模数转换模块的单个模块的通道数；基于微控制器模块对多个通道信号分别对应的数字信号依次进行基线漂移消除处理和有效值计算，得到信号有效值，并将信号有效值采样集发送至上位机；其中，多个通道信号基于微控制器模块控制多路复用模块通过双向选通切换目标通道得到。
此外，上述的存储器530中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等）执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器（ROM，Read-Only Memory）、随机存取存储器（RAM，Random Access Memory）、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
另一方面，本发明还提供一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括计算机程序，计算机程序可存储在非暂态计算机可读存储介质上，所述计算机程序被处理器执行时，计算机能够执行上述各方法所提供的高速电阻抗成像信号采集系统的控制方法，该方法包括：获取正弦信号生成模块提供的固定频率的正弦电压信号；基于压控恒流源模块根据正弦电压信号生成电流信号，电流信号具备恒定的频率和电流有效值；基于多路复用模块对电流信号在目标通道进行采样，得到通道信号；对通道信号进行差分采样，得到多个差分电极信号；基于高分辨率高采样率多通道模数转换模块将多个差分电极信号转换成数字信号；其中，多路复用模块包括多个通道，目标通道属于多个通道；多路复用模块采用并行的方式进行双向选通，多路复用模块用于在电流输出端选通两条通路的情况下，选通所有高分辨率高采样率多通道模数转换模块读取通路，其中，选通通道数目不少于高分辨率高采样率多通道模数转换模块的单个模块的通道数；基于微控制器模块对多个通道信号分别对应的数字信号依次进行基线漂移消除处理和有效值计算，得到信号有效值，并将信号有效值采样集发送至上位机；其中，多个通道信号基于微控制器模块控制多路复用模块通过双向选通切换目标通道得到。
又一方面，本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以执行上述各方法提供的高速电阻抗成像信号采集系统的控制方法，该方法包括：获取正弦信号生成模块提供的固定频率的正弦电压信号；基于压控恒流源模块根据正弦电压信号生成电流信号，电流信号具备恒定的频率和电流有效值；基于多路复用模块对电流信号在目标通道进行采样，得到通道信号；对通道信号进行差分采样，得到多个差分电极信号；基于高分辨率高采样率多通道模数转换模块将多个差分电极信号转换成数字信号；其中，多路复用模块包括多个通道，目标通道属于多个通道；多路复用模块采用并行的方式进行双向选通，多路复用模块用于在电流输出端选通两条通路的情况下，选通所有高分辨率高采样率多通道模数转换模块读取通路，其中，选通通道数目不少于高分辨率高采样率多通道模数转换模块的单个模块的通道数；基于微控制器模块对多个通道信号分别对应的数字信号依次进行基线漂移消除处理和有效值计算，得到信号有效值，并将信号有效值采样集发送至上位机；其中，多个通道信号基于微控制器模块控制多路复用模块通过双向选通切换目标通道得到。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等）执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种高速电阻抗成像信号采集系统，其特征在于，包括：
正弦信号生成模块，所述正弦信号生成模块用于提供固定频率的正弦电压信号；
压控恒流源模块，所述压控恒流源模块与所述正弦信号生成模块电连接，所述压控恒流源模块用于根据所述正弦电压信号生成电流信号，所述电流信号具备恒定的频率和电流有效值；
多路复用模块，所述压控恒流源模块与所述多路复用模块电连接，所述多路复用模块包括多个通道，所述多路复用模块采用并行的方式进行双向选通，所述多路复用模块用于对所述电流信号在目标通道进行采样，得到通道信号，所述目标通道属于所述多个通道；
所述多路复用模块还用于将所述通道信号发送至人机接口穿戴部件，所述人机接口穿戴部件用于对所述通道信号进行差分采样，得到多个差分电极信号；
高分辨率高采样率多通道模数转换模块，所述高分辨率高采样率多通道模数转换模块与所述人机接口穿戴部件电连接，所述高分辨率高采样率多通道模数转换模块用于将所述多个差分电极信号转换成数字信号，所述高分辨率高采样率多通道模数转换模块的分辨率大于或等于K，其中，K的取值基于压控恒流源输出电流峰峰值、人体待测部位阻抗实部均值和高分辨率高采样率多通道模数转换模块的采样范围确定；所述高分辨率高采样率多通道模数转换模块的采样频率不低于10倍的压控恒流源输出正弦电流信号频率，且所述高分辨率高采样率多通道模数转换模块的单个模块的同步采样信号通道数不少于N/2，N为所述人机接口穿戴部件上的电极数目；
微控制器模块，所述高分辨率高采样率多通道模数转换模块和所述多路复用模块分别与所述微控制器模块电连接，所述微控制器模块用于控制所述多路复用模块通过双向选通切换目标通道来获取多个通道信号，每个通道信号对应一组数字信号；所述微控制器模块还用于对所述多个通道信号分别对应的数字信号依次进行基线漂移消除处理和有效值计算，得到信号有效值，并将所述信号有效值采样集发送至上位机。
2.根据权利要求1所述的高速电阻抗成像信号采集系统，其特征在于，所述微控制器模块包括：
时序控制模块，所述时序控制模块用于以预设采样周期向所述高分辨率高采样率多通道模数转换模块发送控制信号，所述控制信号用于指示所述多路复用模块通过双向选通切换目标通道。
3.根据权利要求1所述的高速电阻抗成像信号采集系统，其特征在于，所述微控制器模块还包括：
快速滤波模块，所述快速滤波模块用于对所述数字信号依次进行基线漂移消除处理和有效值计算，得到所述信号有效值。
4.根据权利要求1所述的高速电阻抗成像信号采集系统，其特征在于，所述系统还包括：
电源管理模块，所述电源管理模块用于为所述压控恒流源模块、所述多路复用模块和所述高分辨率高采样率多通道模数转换模块供电。
5.一种高速电阻抗成像信号采集系统的控制方法，其特征在于，包括：
获取正弦信号生成模块提供的固定频率的正弦电压信号；
基于压控恒流源模块根据所述正弦电压信号生成电流信号，所述电流信号具备恒定的频率和电流有效值；
基于多路复用模块对所述电流信号在目标通道进行采样，得到通道信号；对所述通道信号进行差分采样，得到多个差分电极信号；基于高分辨率高采样率多通道模数转换模块将所述多个差分电极信号转换成数字信号；其中，所述多路复用模块包括多个通道，所述多路复用模块采用并行的方式进行双向选通，所述目标通道属于所述多个通道；所述多路复用模块采用并行的方式进行双向选通，所述多路复用模块用于在电流输出端选通两条通路的情况下，选通所有高分辨率高采样率多通道模数转换模块读取通路，其中，选通通道数目不少于高分辨率高采样率多通道模数转换模块的单个模块的通道数；
基于微控制器模块对多个通道信号分别对应的数字信号依次进行基线漂移消除处理和有效值计算，得到信号有效值，并将所述信号有效值采样集发送至上位机；其中，所述多个通道信号基于所述微控制器模块控制所述多路复用模块通过双向选通切换目标通道得到。
6.根据权利要求5所述的高速电阻抗成像信号采集系统的控制方法，其特征在于，所述微控制器模块包括时序控制模块和快速滤波模块；
所述基于微控制器模块对多个通道信号分别对应的数字信号依次进行基线漂移消除处理和有效值计算，得到信号有效值，包括：
基于所述时序控制模块以预设采样周期向所述高分辨率高采样率多通道模数转换模块发送控制信号；
基于所述高分辨率高采样率多通道模数转换模块根据所述控制信号切换目标通道，以得到多个通道信号，每个通道信号对应一组数字信号；
基于所述快速滤波模块对所述多个通道信号分别对应的数字信号依次进行基线漂移消除处理和有效值计算，得到所述信号有效值。
7.根据权利要求6所述的高速电阻抗成像信号采集系统的控制方法，其特征在于，所述基于所述快速滤波模块对所述多个通道信号分别对应的数字信号依次进行基线漂移消除处理和有效值计算，得到所述信号有效值，包括：
通过应用如下公式得到所述信号有效值：
；
其中，为所述信号有效值，/>为每个通道信号对应的数字信号的数目，/>为第个数字信号，/>为第/>个计算窗的均值；/>基于数据窗的数据标号、个数和长度确定，数据窗的长度基于高分辨率高采样率多通道模数转换模块的采样频率和激励信号的频率之间的比值确定。
8.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求5至7任一项所述高速电阻抗成像信号采集系统的控制方法。
9.一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求5至7任一项所述高速电阻抗成像信号采集系统的控制方法。
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