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(jìn)設(shè)計(jì)了電磁層析成像(EMT)系統(tǒng)的硬件電路。該設(shè)計(jì)不僅提高了硬件系統(tǒng)集成度，而且增強(qiáng)了EMT激勵(lì)系統(tǒng)配置的靈活性和信號(hào)解調(diào)的實(shí)時(shí)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(guò)程的自動(dòng)檢測(cè)和監(jiān)控的要求越來(lái)越高。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(wú)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(guò)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(guò)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(lái)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(guò)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(guò)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(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(shù)：開(kāi)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(guò)VCCS接入傳感器，傳感器輸出的響應(yīng)信號(hào)經(jīng)過(guò)片內(nèi)12位1MSPS的ADC采樣，并由片內(nèi)DSP處理。

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　　在掃頻過(guò)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(guò)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(guò)I2C串行接口協(xié)議實(shí)現(xiàn)。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(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(kāi)始初始化數(shù)據(jù)傳輸。從設(shè)備響應(yīng)開(kāi)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(xiě)標(biāo)志位(從設(shè)備中讀數(shù)據(jù)是0，寫(xiě)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(lái)開(kāi)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(lái)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(guò)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(lái)了方便。

　　檢測(cè)信號(hào)解調(diào)模塊

　　由于EMT硬件系統(tǒng)中的檢測(cè)線圈的信號(hào)解調(diào)要求同時(shí)獲得信號(hào)幅度和相位的信息，即信號(hào)的實(shí)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(jì)比較復(fù)雜，而且還大大降低了信號(hào)解調(diào)的實(shí)時(shí)性。

　　而AD5933片內(nèi)集成的高速1024點(diǎn)DFT單元可以直接對(duì)ADC采樣后的離散信號(hào)做DFT運(yùn)算，運(yùn)算后返回每個(gè)頻點(diǎn)的實(shí)部(I)和虛部(R)數(shù)據(jù)字。通過(guò)幅度計(jì)算公式(3)和如下的相位計(jì)算公式，可得到信號(hào)的幅度A和相位值：

　　(3)

　　(4)

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　　圖4為基于AD5933的EMT硬件系統(tǒng)改進(jìn)設(shè)計(jì)。

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(hào)是幅值較小的電壓信號(hào)，不能用于驅(qū)動(dòng)激勵(lì)線圈。本系統(tǒng)采用AD620儀用放大電路將原輸出信號(hào)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(qū)動(dòng)激勵(lì)線圈的交流正弦電流信號(hào)。多路開(kāi)關(guān)用于選擇驅(qū)動(dòng)的激勵(lì)線圈。

　　在解調(diào)時(shí)，檢測(cè)線圈感應(yīng)的信號(hào)是微弱的交流正弦電壓信號(hào)，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(hào)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(cè)線圈信號(hào)。

　　AD5933與LPC2148 ARM的通訊采用I2C接口。

　　在基于AD5933的硬件平臺(tái)上，開(kāi)發(fā)了基于靈敏度的線性反投影圖像重建算法，進(jìn)行了圖像重建實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)管道的直徑為23mm，被測(cè)試驗(yàn)銅棒的直徑為8mm，實(shí)驗(yàn)方法是將試驗(yàn)銅棒放置于管道內(nèi)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(yàn)銅棒放置于-45度靠近管道邊界時(shí)的情況。多次試驗(yàn)表明，應(yīng)用AD5933設(shè)計(jì)的EMT系統(tǒng)能夠初步重建被測(cè)物質(zhì)的分布。其中PC機(jī)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(jié)語(yǔ)

　　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(hào)處理功能結(jié)合在一起，為EMT系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)提供了方便，在增強(qiáng)系統(tǒng)配置靈活性和信號(hào)解調(diào)實(shí)時(shí)性的同時(shí)，提高了EMT硬件系統(tǒng)的集成度，降低了硬件系統(tǒng)成本。

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