AD5933在電磁層析成像硬件系統中的應用*

　　摘要： 應用阻抗數字轉換器AD5933，改進(jìn)設計了電磁層析成像(EMT)系統的硬件電路。該設計不僅提高了硬件系統集成度，而且增強了EMT激勵系統配置的靈活性和信號解調的實(shí)時(shí)性。

　　關(guān)鍵詞： 電磁層析成像;阻抗轉換器;AD5933

　　引言

　　隨著(zhù)電子信息技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)過(guò)程的自動(dòng)檢測和監控的要求越來(lái)越高?；陔姶鸥袘淼?a class="contentlabel" href="http://dyxdggzs.com/news/listbylabel/label/電磁層析成像">電磁層析成像(EMT)技術(shù)能夠以非介入、非接觸和無(wú)危害的方式對兩相流或多相流斷面成像，獲取管道截面不同物質(zhì)的空間分布信息，在石油、化工、冶金等領(lǐng)域中有著(zhù)廣泛的工業(yè)應用前景。

　　如圖1所示，EMT系統工作過(guò)程如下：在激勵線(xiàn)圈中通入交變電流，激勵線(xiàn)圈在被測空間產(chǎn)生出交變的激勵磁場(chǎng)，被測空間中具有導電性或導磁性物質(zhì)的存在將會(huì )改變激勵磁場(chǎng)的分布，從而得到一個(gè)與被測物質(zhì)空間電導率和磁導率分布相關(guān)的物場(chǎng)，分布在被測空間邊界的檢測線(xiàn)圈以電磁感應的方式獲得磁場(chǎng)的分布信息。然后通過(guò)對檢測信號的數據采集，模/數變換和信號解調，最后由定性或定量的圖像重建算法計算出物質(zhì)在被測空間中的分布狀況，即重建出被測空間中導電和導磁物質(zhì)的分布圖像。

圖1 EMT系統結構圖

　　在EMT系統的設計中，激勵信號產(chǎn)生模塊、數據采集模塊和檢測信號解調模塊是整個(gè)EMT硬件系統核心部分，傳統的EMT系統采用獨立的硬件電路分別實(shí)現這三個(gè)模塊的功能，而采用AD5933改進(jìn)設計的EMT硬件電路，同時(shí)實(shí)現了這三個(gè)模塊的功能。

　　AD5933

　　AD5933是一款高精度的阻抗數字轉換器，它解決了從阻抗到數字直接轉換的復雜信號處理難題。它采用直接數字頻率合成器(DDS)技術(shù)把模/數轉換(ADC)和數字信號處理(DSP)功能結合、提供一種精細頻率掃頻能力，允許用高達100KHz的已知頻率來(lái)激勵外部復阻抗(100Ω～10MΩ范圍)。被激勵阻抗元件的響應信號直接被片內的ADC采樣，然后用片內DSP處理器進(jìn)行離散傅立葉變換(DFT)。在掃頻情況下，DSP通過(guò)DFT算法返回每個(gè)頻點(diǎn)的實(shí)部(R)和虛部(I)數據字，從而可以根據初始校準數據很方便地計算出阻抗值。其功能模塊如圖2所示。

圖2 AD5933功能模塊

　　AD5933片上的DDS時(shí)鐘可以由兩種方式提供：一種是使用高精度、較穩定的外部時(shí)鐘信號;另一種是通過(guò)片上振蕩器產(chǎn)生一個(gè)典型的16.776MHz的內部時(shí)鐘信號。兩種方式可通過(guò)控制寄存器的狀態(tài)位來(lái)決定。AD5933提供了掃頻的功能。只要通過(guò)編程中指定三個(gè)參數：開(kāi)始頻率,頻率增益,增長(cháng)點(diǎn)就可以得到不同頻率下的正弦激勵信號,如50KHz，75KHz，100KHz的正弦信號。指定頻率的正弦激勵信號由具有27位相位累加器的DDS產(chǎn)生。掃頻正弦信號的起始頻率計算公式如下：

　　(1)

　　激勵信號通過(guò)VCCS接入傳感器，傳感器輸出的響應信號經(jīng)過(guò)片內12位1MSPS的ADC采樣，并由片內DSP處理。

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　　在掃頻過(guò)程中的每個(gè)頻點(diǎn)的解調信號都需要進(jìn)行DFT處理，計算公式如下：

　　(2)

　　其中X(f)是當頻率為f時(shí)經(jīng)過(guò)DFC處理的解調信號，x(n)是ADC的輸出信號，cos(n)和sin(n)是在頻點(diǎn)f處進(jìn)行計算以返回阻抗實(shí)部(R)和虛部(I)值。

　　AD5933的控制通過(guò)I2C串行接口協(xié)議實(shí)現。其讀/寫(xiě)操作時(shí)序圖如圖3所示。

圖3 I2C串行接口時(shí)序圖

　　AD5933是作為主設備控制下的一個(gè)從設備連接到總線(xiàn)上的，當給設備供電時(shí)，默認的串行總線(xiàn)地址是0001101。當串行時(shí)鐘線(xiàn)(SCL)保持高電平，同時(shí)串行數據線(xiàn)(SDA)由高電平變到低電平時(shí)，開(kāi)始初始化數據傳輸。從設備響應開(kāi)始條件，傳輸8 位信息，其中7位是從設備地址，加上1位讀/寫(xiě)標志位(從設備中讀數據是0，寫(xiě)數據是1)。在第9個(gè)時(shí)鐘脈沖時(shí)，從設備的數據位保持低電平，作為AD5933的確認位。接下來(lái)開(kāi)始傳送數據。數據在串行總線(xiàn)上按9個(gè)時(shí)鐘脈沖傳送，其中8位為數據位，第9位為主設備或其他從設備的應答位。

　　EMT硬件系統

　　采用AD5933替代了傳統的EMT硬件系統的激勵信號產(chǎn)生模塊、數據采集模塊和檢測信號解調模塊這三部分。

　　激勵信號產(chǎn)生模塊

　　傳統的EMT系統采用獨立的DDS芯片來(lái)產(chǎn)生激勵信號，所以選擇性較強，可以采用任意的DDS芯片。由于A(yíng)D5933片內的DDS具有27位的相位累加器，可以提供小于0.1Hz的頻率分辨率，最高頻率可達100KHz，并且還提供了掃頻的功能，完全可以滿(mǎn)足EMT系統激勵信號的要求。但是，由于片內提供的時(shí)鐘信號精度和穩定性較弱，所以本設計通過(guò)外部時(shí)鐘信號引腳(MCLK)引入外部時(shí)鐘信號。

　　數據采集模塊

　　AD5933的數據采集通道包括增益放大器，低通濾波器和12位的ADC。感應線(xiàn)圈的信號只要稍加放大就可以直接接入。因此, AD5933的數據采集通道不僅滿(mǎn)足EMT系統采集信號的要求，也為設計帶來(lái)了方便。

　　檢測信號解調模塊

　　由于EMT硬件系統中的檢測線(xiàn)圈的信號解調要求同時(shí)獲得信號幅度和相位的信息，即信號的實(shí)部與虛部信息，一般的解調方法難以滿(mǎn)足這種要求。傳統的EMT系統采用正交解調的方法，不僅軟硬件設計比較復雜，而且還大大降低了信號解調的實(shí)時(shí)性。

　　而AD5933片內集成的高速1024點(diǎn)DFT單元可以直接對ADC采樣后的離散信號做DFT運算，運算后返回每個(gè)頻點(diǎn)的實(shí)部(I)和虛部(R)數據字。通過(guò)幅度計算公式(3)和如下的相位計算公式，可得到信號的幅度A和相位值：

　　(3)

　　(4)

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　　圖4為基于A(yíng)D5933的EMT硬件系統改進(jìn)設計。

圖4 基于A(yíng)D5933的EMT硬件系統結構

　　由于A(yíng)D5933的Vout端輸出的正弦信號是幅值較小的電壓信號，不能用于驅動(dòng)激勵線(xiàn)圈。本系統采用AD620儀用放大電路將原輸出信號的幅值放大。再經(jīng)過(guò)電壓控制電流源電路(VCCS)，產(chǎn)生能直接驅動(dòng)激勵線(xiàn)圈的交流正弦電流信號。多路開(kāi)關(guān)用于選擇驅動(dòng)的激勵線(xiàn)圈。

　　在解調時(shí)，檢測線(xiàn)圈感應的信號是微弱的交流正弦電壓信號，不能直接接到AD5933的Vin端。采用AD620儀用放大電路將感應信號的幅值放大，以適合AD5933的Vin端。多路開(kāi)關(guān)用于選擇需采樣的檢測線(xiàn)圈信號。

　　AD5933與LPC2148 ARM的通訊采用I2C接口。

　　在基于A(yíng)D5933的硬件平臺上，開(kāi)發(fā)了基于靈敏度的線(xiàn)性反投影圖像重建算法，進(jìn)行了圖像重建實(shí)驗。實(shí)驗管道的直徑為23mm，被測試驗銅棒的直徑為8mm，實(shí)驗方法是將試驗銅棒放置于管道內的不同位置，進(jìn)行了位置圖像重建，將算法重建的圖像與實(shí)際圖像進(jìn)行比較。圖5所示的一幅重建圖像為試驗銅棒放置于-45度靠近管道邊界時(shí)的情況。多次試驗表明，應用AD5933設計的EMT系統能夠初步重建被測物質(zhì)的分布。其中PC機圖像重建軟件采用Visual C++6.0開(kāi)發(fā)，ARM嵌入式軟件采用ADS集成編譯器開(kāi)發(fā)。

　　結語(yǔ)

　　阻抗轉換器AD5933將直接數字頻率合成器技術(shù)、模數轉換器和數字信號處理功能結合在一起，為EMT系統硬件設計提供了方便，在增強系統配置靈活性和信號解調實(shí)時(shí)性的同時(shí)，提高了EMT硬件系統的集成度，降低了硬件系統成本。

　　參考文獻：

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