AD5933在電磁層析成像硬件系統(tǒng)中的應(yīng)用*

　　摘要： 應(yīng)用阻抗數(shù)字轉(zhuǎn)換器AD5933，改進設(shè)計了電磁層析成像(EMT)系統(tǒng)的硬件電路。該設(shè)計不僅提高了硬件系統(tǒng)集成度，而且增強了EMT激勵系統(tǒng)配置的靈活性和信號解調(diào)的實時性。

　　關(guān)鍵詞： 電磁層析成像;阻抗轉(zhuǎn)換器;AD5933

　　引言

　　隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)過程的自動檢測和監(jiān)控的要求越來越高?；陔姶鸥袘?yīng)原理的電磁層析成像(EMT)技術(shù)能夠以非介入、非接觸和無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)域中有著廣泛的工業(yè)應(yīng)用前景。

　　如圖1所示，EMT系統(tǒng)工作過程如下：在激勵線圈中通入交變電流，激勵線圈在被測空間產(chǎn)生出交變的激勵磁場，被測空間中具有導(dǎo)電性或?qū)Т判晕镔|(zhì)的存在將會改變激勵磁場的分布，從而得到一個與被測物質(zhì)空間電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率分布相關(guān)的物場，分布在被測空間邊界的檢測線圈以電磁感應(yīng)的方式獲得磁場的分布信息。然后通過對檢測信號的數(shù)據(jù)采集，模/數(shù)變換和信號解調(diào)，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(dǎo)電和導(dǎo)磁物質(zhì)的分布圖像。

圖1 EMT系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

　　在EMT系統(tǒng)的設(shè)計中，激勵信號產(chǎn)生模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和檢測信號解調(diào)模塊是整個EMT硬件系統(tǒng)核心部分，傳統(tǒng)的EMT系統(tǒng)采用獨立的硬件電路分別實現(xiàn)這三個模塊的功能，而采用AD5933改進設(shè)計的EMT硬件電路，同時實現(xiàn)了這三個模塊的功能。

　　AD5933

　　AD5933是一款高精度的阻抗數(shù)字轉(zhuǎn)換器，它解決了從阻抗到數(shù)字直接轉(zhuǎn)換的復(fù)雜信號處理難題。它采用直接數(shù)字頻率合成器(DDS)技術(shù)把模/數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)和數(shù)字信號處理(DSP)功能結(jié)合、提供一種精細頻率掃頻能力，允許用高達100KHz的已知頻率來激勵外部復(fù)阻抗(100Ω～10MΩ范圍)。被激勵阻抗元件的響應(yīng)信號直接被片內(nèi)的ADC采樣，然后用片內(nèi)DSP處理器進行離散傅立葉變換(DFT)。在掃頻情況下，DSP通過DFT算法返回每個頻點的實部(R)和虛部(I)數(shù)據(jù)字，從而可以根據(jù)初始校準(zhǔn)數(shù)據(jù)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時鐘可以由兩種方式提供：一種是使用高精度、較穩(wěn)定的外部時鐘信號;另一種是通過片上振蕩器產(chǎn)生一個典型的16.776MHz的內(nèi)部時鐘信號。兩種方式可通過控制寄存器的狀態(tài)位來決定。AD5933提供了掃頻的功能。只要通過編程中指定三個參數(shù)：開始頻率,頻率增益,增長點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VCCS接入傳感器，傳感器輸出的響應(yīng)信號經(jīng)過片內(nèi)12位1MSPS的ADC采樣，并由片內(nèi)DSP處理。

{{分頁}}

　　在掃頻過程中的每個頻點的解調(diào)信號都需要進行DFT處理，計算公式如下：

　　(2)

　　其中X(f)是當(dāng)頻率為f時經(jīng)過DFC處理的解調(diào)信號，x(n)是ADC的輸出信號，cos(n)和sin(n)是在頻點f處進行計算以返回阻抗實部(R)和虛部(I)值。

　　AD5933的控制通過I2C串行接口協(xié)議實現(xiàn)。其讀/寫操作時序圖如圖3所示。

圖3 I2C串行接口時序圖

　　AD5933是作為主設(shè)備控制下的一個從設(shè)備連接到總線上的，當(dāng)給設(shè)備供電時，默認的串行總線地址是0001101。當(dāng)串行時鐘線(SCL)保持高電平，同時串行數(shù)據(jù)線(SDA)由高電平變到低電平時，開始初始化數(shù)據(jù)傳輸。從設(shè)備響應(yīng)開始條件，傳輸8 位信息，其中7位是從設(shè)備地址，加上1位讀/寫標(biāo)志位(從設(shè)備中讀數(shù)據(jù)是0，寫數(shù)據(jù)是1)。在第9個時鐘脈沖時，從設(shè)備的數(shù)據(jù)位保持低電平，作為AD5933的確認位。接下來開始傳送數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)在串行總線上按9個時鐘脈沖傳送，其中8位為數(shù)據(jù)位，第9位為主設(shè)備或其他從設(shè)備的應(yīng)答位。

　　EMT硬件系統(tǒng)

　　采用AD5933替代了傳統(tǒng)的EMT硬件系統(tǒng)的激勵信號產(chǎn)生模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和檢測信號解調(diào)模塊這三部分。

　　激勵信號產(chǎn)生模塊

　　傳統(tǒng)的EMT系統(tǒng)采用獨立的DDS芯片來產(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AD5933片內(nèi)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，完全可以滿足EMT系統(tǒng)激勵信號的要求。但是，由于片內(nèi)提供的時鐘信號精度和穩(wěn)定性較弱，所以本設(shè)計通過外部時鐘信號引腳(MCLK)引入外部時鐘信號。

　　數(shù)據(jù)采集模塊

　　AD5933的數(shù)據(jù)采集通道包括增益放大器，低通濾波器和12位的ADC。感應(yīng)線圈的信號只要稍加放大就可以直接接入。因此, AD5933的數(shù)據(jù)采集通道不僅滿足EMT系統(tǒng)采集信號的要求，也為設(shè)計帶來了方便。

　　檢測信號解調(diào)模塊

　　由于EMT硬件系統(tǒng)中的檢測線圈的信號解調(diào)要求同時獲得信號幅度和相位的信息，即信號的實部與虛部信息，一般的解調(diào)方法難以滿足這種要求。傳統(tǒng)的EMT系統(tǒng)采用正交解調(diào)的方法，不僅軟硬件設(shè)計比較復(fù)雜，而且還大大降低了信號解調(diào)的實時性。

　　而AD5933片內(nèi)集成的高速1024點DFT單元可以直接對ADC采樣后的離散信號做DFT運算，運算后返回每個頻點的實部(I)和虛部(R)數(shù)據(jù)字。通過幅度計算公式(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)

{{分頁}}

　　圖4為基于AD5933的EMT硬件系統(tǒng)改進設(shè)計。

圖4 基于AD5933的EMT硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　由于AD5933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(qū)動激勵線圈。本系統(tǒng)采用AD620儀用放大電路將原輸出信號的幅值放大。再經(jīng)過電壓控制電流源電路(VCCS)，產(chǎn)生能直接驅(qū)動激勵線圈的交流正弦電流信號。多路開關(guān)用于選擇驅(qū)動的激勵線圈。

　　在解調(diào)時，檢測線圈感應(yīng)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(yīng)信號的幅值放大，以適合AD5933的Vin端。多路開關(guān)用于選擇需采樣的檢測線圈信號。

　　AD5933與LPC2148 ARM的通訊采用I2C接口。

　　在基于AD5933的硬件平臺上，開發(fā)了基于靈敏度的線性反投影圖像重建算法，進行了圖像重建實驗。實驗管道的直徑為23mm，被測試驗銅棒的直徑為8mm，實驗方法是將試驗銅棒放置于管道內(nèi)的不同位置，進行了位置圖像重建，將算法重建的圖像與實際圖像進行比較。圖5所示的一幅重建圖像為試驗銅棒放置于-45度靠近管道邊界時的情況。多次試驗表明，應(yīng)用AD5933設(shè)計的EMT系統(tǒng)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開發(fā)，ARM嵌入式軟件采用ADS集成編譯器開發(fā)。

　　結(jié)語

　　阻抗轉(zhuǎn)換器AD5933將直接數(shù)字頻率合成器技術(shù)、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)字信號處理功能結(jié)合在一起，為EMT系統(tǒng)硬件設(shè)計提供了方便，在增強系統(tǒng)配置靈活性和信號解調(diào)實時性的同時，提高了EMT硬件系統(tǒng)的集成度，降低了硬件系統(tǒng)成本。

　　參考文獻：

　　1 Ze Liu, He M, Xiong HL, Simulation study of the sensing field in electromagnetic tomography for two-phase flow measurement, IOP: Flow Measurement and Instrumentation [J], v16(2-3), 2005.4, p199-204

　　2 Z.Z.Yu, G.M.Lyon, S. Al-Ziebak, A J Peyton, M.S Beck, Innovation in Instrumentation for Electrical Tomography, IEE Colloquium, 1995.9

　　3 X.Ma, A.J.Peyton, M.Soleimani, W.R.B.Lionheart, Hardware and software design for an electromagnetic induction tomography (EMT) system for high contrast metal process applications, Measurement Science and Technology [J], v17, 2006.1, p111-118

　　4 X.Ma, A.J.Peyton, M.Soleimani, W.R.B.Lionheart, Imaging internal structure with electromagnetic induction tomography, Instrumentation and Measurement Technology Conference, 2006.9