電阻抗成像系統(tǒng)設(shè)計論文

導(dǎo)語：電阻抗成像系統(tǒng)設(shè)計論文一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

1系統(tǒng)構(gòu)成

本系統(tǒng)采用上－下位機的結(jié)構(gòu)，上位機由PC機擔(dān)任，進(jìn)行可視控制、圖像實時顯示；下位機由單片機擔(dān)任負(fù)責(zé)電極選通切換、數(shù)據(jù)采集以及與PC機進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。這里單片機選用美國Cygnal公司最近推出的高速C8051F121（最高處理速度達(dá)100MIPS），其片內(nèi)具有128KFlash、（256＋8）KRAM以及增益可編程放大器和采樣率達(dá)100ksps的12位A／D轉(zhuǎn)換器。

圖1系統(tǒng)設(shè)計的整體框圖

EIT數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括恒流源激勵信號發(fā)生器、電極選通與驅(qū)動單元、可編程增益放大器、解調(diào)處理單元、A／D轉(zhuǎn)換（C8051片內(nèi)12位A／D）單元等，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

PC機作為上位機提供一個可視界面，可設(shè)置激勵源的頻率、激勵模式（如相鄰模式、相對模式），命令單片機進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并根據(jù)接收的反應(yīng)阻抗信息的數(shù)據(jù)來重建圖像。單片機按PC機發(fā)出的要求對激勵信號源進(jìn)行頻率選擇、相位及幅值控制；按激勵模式依次選通激勵電極與測量電極；選擇可編程增益放大器的增益；啟動A／D轉(zhuǎn)換并將數(shù)據(jù)存儲后轉(zhuǎn)發(fā)給PC機。

2激勵注入與信號提取

2．1恒流源

恒流源由信號源和電壓控制電流源（VCCS）兩部分組成。正弦信號源采用直接數(shù)字頻率合成（DDS）技術(shù)，即以一定頻率連續(xù)從EPROM中讀取正弦采樣數(shù)據(jù)，經(jīng)D／A轉(zhuǎn)換并濾波后產(chǎn)生EIT所需的正弦信號。本系統(tǒng)采用AD公司的DDS集成芯片AD9830，其內(nèi)部有兩個12位相位寄存器和兩個32位頻率寄存器。在單片機的控制下對相應(yīng)的寄存器置數(shù)就可以方便地得到2MHz以下的任意頻率和相位的輸出，其中頻率精度為1/232，相位分辨率為2π/212，輸出幅度也可以在一定的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，因此能滿足系統(tǒng)多頻激勵（10kHz～1MHz）的要求。

正弦信號源輸出信號經(jīng)1：1的隔離變壓器輸出到VCCS。VCCS采用的三運放轉(zhuǎn)換電路，如圖2所示。

當(dāng)運放工作在理想狀態(tài)時，則輸出電流為：

輸出電流Io的大小可以由輸入電壓Vi和采樣電阻R5來控制，其精度取決于R1、R2、R3、R4的匹配程度。

2．2電極陣列的設(shè)計

由于本系統(tǒng)中使用的是峰－峰值為1～5mA的交流小信號，因此如果模擬開關(guān)（又稱多路開關(guān)）選擇不當(dāng)，它會成為系統(tǒng)中的一個顯著的誤差源。經(jīng)比較，選用MAXIM公司的MAX306，它具有下列功能：程序控制16選1（由4個地址端和1個選通端決定），導(dǎo)通電阻RON＜100Ω，通道間匹配誤差＜5Ω，通道間串?dāng)_＜－92dB，導(dǎo)通時對地泄漏電流＜25nA，導(dǎo)通時對地等效電容＜140pF，開關(guān)時間＜400ns。

每組四個MAX306并聯(lián)可以完成32選2任意的電流注入方式和電壓測量模式。圖3是電壓測量的原理圖，驅(qū)動電流注入的原理圖與圖3類似。它們之間的區(qū)別只是信號的流程相反，前者是流出開關(guān)，后者則是流入開關(guān)。設(shè)計時為減小干擾，采用了高速光耦6N136進(jìn)行隔離。

2．3激勵注入與電壓測量模式

本系統(tǒng)中激勵源按一定的模式注入（如相鄰模式或相對模式），通過PC機發(fā)出命令，由單片機來控制開關(guān)電極陣列依次選通激勵電極對和測量電極對。當(dāng)激勵注入電極對轉(zhuǎn)動一周時，就得到了能重建圖像的一個數(shù)據(jù)組。

2．4電壓測量放大與解調(diào)

EIT系統(tǒng)中注入的為交流小信號，所以在測量端先進(jìn)行隔直、緩沖和差動放大，同時要濾除信號中的噪聲，以使后面的測量能得到較好的效果。這就要求選用的儀表運放具有高的CMMR和足夠的帶寬。本系統(tǒng)選用了AD公司的AD620。在頻率小于100kHz的情況下，10倍增益時的共模抑制比可以達(dá)到6

0dB，它的3dB帶寬達(dá)到300kHz。經(jīng)差動運放后，信號中除激勵源頻率信號外還混有噪聲信號，所以還要利用相敏解調(diào)將反映阻抗大小的信號的幅度解調(diào)出來。本系統(tǒng)中的解調(diào)器選用AD630。它采用一路待解調(diào)信號和一路載波信號作為輸入，待解調(diào)信號根據(jù)載波信號的正負(fù)進(jìn)行翻轉(zhuǎn)。從AD630的信號源到解調(diào)端，信號有一個相位變化，這個變化是一個可以通過實驗測量得到的定值，所以在解調(diào)器前需加一個移相器，以達(dá)到信號同步的目的。

3數(shù)據(jù)采集與通訊

經(jīng)解調(diào)輸出的信號幅值較小，需經(jīng)放大后送到A／D轉(zhuǎn)換器。C8051F121片內(nèi)有可編程增益放大器（PGA）和一個12位的采樣率達(dá)100ksps的A／D轉(zhuǎn)換器，用軟件設(shè)置放大增益使信號在A／D轉(zhuǎn)換器輸入信號的范圍（0～2．4V）內(nèi)。為保證數(shù)據(jù)的精度，系統(tǒng)對10次采樣結(jié)果做平均后存于片內(nèi)RAM中。每次按一定模式采集完一組數(shù)據(jù)后，單片機通過串口通知PC機接收。由于PC機串口是RS232電平，兩者之間采用了MAX232芯片進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換后再進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。

4圖像重建結(jié)果

在直徑為145mm的鹽水槽中放入濃度為0.9％的鹽水溶液（750Ω／cm），在鹽水槽的邊緣上放入一根直徑為2cm的木棒，采用相鄰注入模式，通入峰－峰值為2mA的電流，利用敏感系數(shù)法采用256個有限元進(jìn)行剖分.

摘要：介紹了電阻抗成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)以PC機作為上位機，用來進(jìn)行可視化控制、實時成像顯示操作?鴉下位機采用高速單片機，控制電極選通、數(shù)據(jù)采集及預(yù)處理，并與PC機進(jìn)行通訊；采用直接數(shù)字頻率合成(DDS)技術(shù)產(chǎn)生高精度激勵信號源，用相敏解調(diào)方法實現(xiàn)高質(zhì)量數(shù)據(jù)獲取。實驗結(jié)果表明該系統(tǒng)能達(dá)到電阻抗成像（EIT）的性能要求。

關(guān)鍵詞：電阻抗成像直接數(shù)字頻率合成相敏解調(diào)