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時性。

　　關鍵詞： 電磁層析成像;阻抗轉換器;AD5933

　　引言

　　隨著電子信息技術的發展，工業過程的自動檢測和監控的要求越來越高。基于電磁感應原理的電磁層析成像(EMT)技術能夠以非介入、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的空間分布信息，在石油、化工、冶金等領域中有著廣泛的工業應用前景。

　　如圖1所示，EMT系統工作過程如下：在激勵線圈中通入交變電流，激勵線圈在被測空間產生出交變的激勵磁場，被測空間中具有導電性或導磁性物質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空間電導率和磁導率分布相關的物場，分布在被測空間邊界的檢測線圈以電磁感應的方式獲得磁場的分布信息。然后通過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，激勵信號產生模塊、數據采集模塊和檢測信號解調模塊是整個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現這三個模塊的功能，而采用AD5933改進設計的EMT硬件電路，同時實現了這三個模塊的功能。

　　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、較穩定的外部時鐘信號;另一種是通過片上振蕩器產生一個典型的16.776MHz的內部時鐘信號。兩種方式可通過控制寄存器的狀態位來決定。AD5933提供了掃頻的功能。只要通過編程中指定三個參數：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，傳感器輸出的響應信號經過片內12位1MSPS的ADC采樣，并由片內DSP處理。

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　　在掃頻過程中的每個頻點的解調信號都需要進行DFT處理，計算公式如下：

　　(2)

　　其中X(f)是當頻率為f時經過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串行接口協議實現。其讀/寫操作時序圖如圖3所示。

圖3 I2C串行接口時序圖

　　AD5933是作為主設備控制下的一個從設備連接到總線上的，當給設備供電時，默認的串行總線地址是0001101。當串行時鐘線(SCL)保持高電平，同時串行數據線(SDA)由高電平變到低電平時，開始初始化數據傳輸。從設備響應開始條件，傳輸8 位信息，其中7位是從設備地址，加上1位讀/寫標志位(從設備中讀數據是0，寫數據是1)。在第9個時鐘脈沖時，從設備的數據位保持低電平，作為AD5933的確認位。接下來開始傳送數據。數據在串行總線上按9個時鐘脈沖傳送，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。

　　激勵信號產生模塊

　　傳統的EMT系統采用獨立的DDS芯片來產生激勵信號，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系統激勵信號的要求。但是，由于片內提供的時鐘信號精度和穩定性較弱，所以本設計通過外部時鐘信號引腳(MCLK)引入外部時鐘信號。

　　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足EMT系統采集信號的要求，也為設計帶來了方便。

　　檢測信號解調模塊

　　由于EMT硬件系統中的檢測線圈的信號解調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，一般的解調方法難以滿足這種要求。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時性。

　　而AD5933片內集成的高速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)數據字。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)

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　　圖4為基于AD5933的EMT硬件系統改進設計。

圖4 基于AD5933的EMT硬件系統結構

　　由于AD5933的Vout端輸出的正弦信號是幅值較小的電壓信號，不能用于驅動激勵線圈。本系統采用AD620儀用放大電路將原輸出信號的幅值放大。再經過電壓控制電流源電路(VCCS)，產生能直接驅動激勵線圈的交流正弦電流信號。多路開關用于選擇驅動的激勵線圈。

　　在解調時，檢測線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。多路開關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，應用AD5933設計的EMT系統能夠初步重建被測物質的分布。其中PC機圖像重建軟件采用Visual C++6.0開發，ARM嵌入式軟件采用ADS集成編譯器開發。

　　結語

　　阻抗轉換器AD5933將直接數字頻率合成器技術、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時性的同時，提高了EMT硬件系統的集成度，降低了硬件系統成本。

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