AD5933在電磁層析成像硬件系統(tǒng)中的應(yīng)用

　基于電磁感應(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(duì)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(lì)線圈中通入交變電流，激勵(lì)線圈在被測(cè)空間產(chǎn)生出交變的激勵(lì)磁場(chǎng)，被測(cè)空間中具有導(dǎo)電性或?qū)Т判晕镔|(zhì)的存在將 會(huì)改變激勵(lì)磁場(chǎng)的分布，從而得到一個(gè)與被測(cè)物質(zhì)空間電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率分布相關(guān)的物場(chǎng)，分布在被測(cè)空間邊界的檢測(cè)線圈以電磁感應(yīng)的方式獲得磁場(chǎng)的分布信息。然 后通過對(duì)檢測(cè)信號(hào)的數(shù)據(jù)采集，模/數(shù)變換和信號(hào)解調(diào)，最后由定性或定量的圖像重建算法計(jì)算出物質(zhì)在被測(cè)空間中的分布狀況，即重建出被測(cè)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(jì)中，激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和檢測(cè)信號(hào)解調(diào)模塊是整個(gè)EMT硬件系統(tǒng)核心部分，傳統(tǒng)的EMT系統(tǒng)采用獨(dú)立的硬件電路分別實(shí)現(xiàn)這三個(gè)模塊的功能，而采用AD5933改進(jìn)設(shè)計(jì)的EMT硬件電路，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了這三個(gè)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(hào)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(hào)處理(DSP)功能結(jié)合、提供一種精細(xì)頻率掃頻能力，允許用高達(dá)100KHz的已知頻率來激勵(lì)外部復(fù)阻抗(100Ω～10MΩ范 圍)。被激勵(lì)阻抗元件的響應(yīng)信號(hào)直接被片內(nèi)的ADC采樣，然后用片內(nèi)DSP處理器進(jìn)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(gè)頻點(diǎn)的實(shí)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(jì)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(wěn)定的外部時(shí)鐘信號(hào);另一種是通過片上振蕩器產(chǎn)生一個(gè)典型的16.776MHz 的內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)。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(gè)參數(shù)：開始頻率,頻率增益,增長(zhǎng)點(diǎn)就可 以得到不同頻率下的正弦激勵(lì)信號(hào),如50KHz，75KHz，100KHz的正弦信號(hào)。指定頻率的正弦激勵(lì)信號(hào)由具有27位相位累加器的DDS產(chǎn)生。掃頻 正弦信號(hào)的起始頻率計(jì)算公式如下：

　

(1)

　　激勵(lì)信號(hào)通過VCCS接入傳感器，傳感器輸出的響應(yīng)信號(hào)經(jīng)過片內(nèi)12位1MSPS的ADC采樣，并由片內(nèi)DSP處理。


在掃頻過程中的每個(gè)頻點(diǎn)的解調(diào)信號(hào)都需要進(jìn)行DFT處理，計(jì)算公式如下：

　

(2)

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

　　AD5933的控制通過I2C串行接口協(xié)議實(shí)現(xiàn)。其讀/寫操作時(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(shè)備控制下的一個(gè)從設(shè)備連接到總線上的，當(dāng)給設(shè)備供電時(shí)，默認(rèn)的串行總線地址是0001101。當(dāng)串行時(shí)鐘線(SCL)保持高電 平，同時(shí)串行數(shù)據(jù)線(SDA)由高電平變到低電平時(shí)，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(gè)時(shí)鐘脈沖時(shí)，從設(shè)備的數(shù)據(jù)位保持低電平，作為 AD5933的確認(rèn)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(gè)時(shí)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(lì)信號(hào)產(chǎn)生模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和檢測(cè)信號(hào)解調(diào)模塊這三部分。

　　激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生模塊

　 　傳統(tǒng)的EMT系統(tǒng)采用獨(dú)立的DDS芯片來產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào)，所以選擇性較強(qiáng)，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(dá)100KHz，并且還提供了掃頻的功能，完全可以滿足EMT系統(tǒng)激勵(lì)信號(hào)的要求。但是，由于片內(nèi)提 供的時(shí)鐘信號(hào)精度和穩(wěn)定性較弱，所以本設(shè)計(jì)通過外部時(shí)鐘信號(hào)引腳(MCLK)引入外部時(shí)鐘信號(hào)。

　　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(hào)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(hào)的要求，也為設(shè)計(jì)帶來了方便。