AD5933在电磁层析成像硬件系统中的应用 - 工业/测控 - 电子

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基于电磁感应原理的电磁层析成像(EMT)技术能够以非介入、非接触和无危害的方式 对两相流或多相流断面成像，获取管道截面不同物质的空间分布信息，在石油、化工、冶金等领域中有着广泛的工业应用前景。

如图1所示，EMT系统工作过程如下：在激励线圈中通入交变电流，激励线圈在被测空间产生出交变的激励磁场，被测空间中具有导电性或导磁性物质的存在将 会改变激励磁场的分布，从而得到一个与被测物质空间电导率和磁导率分布相关的物场，分布在被测空间边界的检测线圈以电磁感应的方式获得磁场的分布信息。然 后通过对检测信号的数据采集，模/数变换和信号解调，最后由定性或定量的图像重建算法计算出物质在被测空间中的分布状况，即重建出被测空间中导电和导磁物 质的分布图像。


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图1 EMT系统结构图

在EMT系统的设计中，激励信号产生模块、数据采集模块和检测信号解调模块是整个EMT硬件系统核心部分，传统的EMT系统采用独立的硬件电路分别实现这三个模块的功能，而采用AD5933改进设计的EMT硬件电路，同时实现了这三个模块的功能。

<strong>AD5933</strong>

AD5933是一款高精度的阻抗数字转换器，它解决了从阻抗到数字直接转换的复杂信号处理难题。它采用直接数字频率合成器(DDS)技术把模/数转换 (ADC)和数字信号处理(DSP)功能结合、提供一种精细频率扫频能力，允许用高达100KHz的已知频率来激励外部复阻抗(100Ω～10MΩ范 围)。被激励阻抗元件的响应信号直接被片内的ADC采样，然后用片内DSP处理器进行离散傅立叶变换(DFT)。在扫频情况下，DSP通过DFT算法返回 每个频点的实部(R)和虚部(I)数据字，从而可以根据初始校准数据很方便地计算出阻抗值。其功能模块如图2所示。


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图2 AD5933功能模块

AD5933片上的DDS时钟可以由两种方式提供：一种是使用高精度、较稳定的外部时钟信号;另一种是通过片上振荡器产生一个典型的16.776MHz 的内部时钟信号。两种方式可通过控制寄存器的状态位来决定。AD5933提供了扫频的功能。只要通过编程中指定三个参数：开始频率,频率增益,增长点就可 以得到不同频率下的正弦激励信号,如50KHz，75KHz，100KHz的正弦信号。指定频率的正弦激励信号由具有27位相位累加器的DDS产生。扫频 正弦信号的起始频率计算公式如下：


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(1)

激励信号通过VCCS接入传感器，传感器输出的响应信号经过片内12位1MSPS的ADC采样，并由片内DSP处理。

在扫频过程中的每个频点的解调信号都需要进行DFT处理，计算公式如下：
　

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   (2)

其中X(f)是当频率为f时经过DFC处理的解调信号，x(n)是ADC的输出信号，cos(n)和 sin(n)是在频点f处进行计算以返回阻抗实部(R)和虚部(I)值。

AD5933的控制通过I2C串行接口协议实现。其读/写操作时序图如图3所示。


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图3 I2C串行接口时序图

AD5933是作为主设备控制下的一个从设备连接到总线上的，当给设备供电时，默认的串行总线地址是0001101。当串行时钟线(SCL)保持高电 平，同时串行数据线(SDA)由高电平变到低电平时，开始初始化数据传输。从设备响应开始条件，传输8 位信息，其中7位是从设备地址，加上1位读/写标志位(从设备中读数据是0，写数据是1)。在第9个时钟脉冲时，从设备的数据位保持低电平，作为 AD5933的确认位。接下来开始传送数据。数据在串行总线上按9个时钟脉冲传送，其中8位为数据位，第9位为主设备或其他从设备的应答位。

<strong>EMT硬件系统</strong>

采用AD5933替代了传统的EMT硬件系统的激励信号产生模块、数据采集模块和检测信号解调模块这三部分。

激励信号产生模块

传统的EMT系统采用独立的DDS芯片来产生激励信号，所以选择性较强，可以采用任意的DDS芯片。由于AD5933片内的DDS具有27位的相位累加 器，可以提供小于0.1Hz的频率分辨率，最高频率可达100KHz，并且还提供了扫频的功能，完全可以满足EMT系统激励信号的要求。但是，由于片内提 供的时钟信号精度和稳定性较弱，所以本设计通过外部时钟信号引脚(MCLK)引入外部时钟信号。

数据采集模块

AD5933的数据采集通道包括增益放大器，低通滤波器和12位的ADC。感应线圈的信号只要稍加放大就可以直接接入。因此, AD5933的数据采集通道不仅满足EMT系统采集信号的要求，也为设计带来了方便。

检测信号解调模块

由于 EMT硬件系统中的检测线圈的信号解调要求同时获得信号幅度和相位的信息，即信号的实部与虚部信息，一般的解调方法难以满足这种要求。传统的EMT系统采用正交解调的方法，不仅软硬件设计比较复杂，而且还大大降低了信号解调的实时性。

而AD5933片内集成的高速1024点DFT单元可以直接对ADC采样后的离散信号做DFT运算，运算后返回每个频点的实部(I)和虚部(R)数据字。通过幅度计算公式(3)和如下的相位计算公式，可得到信号的幅度A和相位值：


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(3)

　

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(4)

图4为基于AD5933的EMT硬件系统改进设计。


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图4 基于AD5933的EMT硬件系统结构

由于AD5933的Vout端输出的正弦信号是幅值较小的电压信号，不能用于驱动激励线圈。本系统采用AD620仪用放大电路将原输出信号的幅值放大。 再经过电压控制电流源电路(VCCS)，产生能直接驱动激励线圈的交流正弦电流信号。多路开关用于选择驱动的激励线圈。

在解调时，检测线圈感应的信号是微弱的交流正弦电压信号，不能直接接到AD5933的Vin端。采用AD620仪用放大电路将感应信号的幅值放大，以适合 AD5933的Vin端。多路开关用于选择需采样的检测线圈信号。

AD5933与LPC2148 ARM的通讯采用I2C接口。

在基于AD5933的硬件平台上，开发了基于灵敏度的线性反投影图像重建算法，进行了图像重建实验。实验管道的直径为23mm，被测试验铜棒的直径为 8mm，实验方法是将试验铜棒放置于管道内的不同位置，进行了位置图像重建，将算法重建的图像与实际图像进行比较。图5所示的一幅重建图像为试验铜棒放置 于-45度靠近管道边界时的情况。多次试验表明，应用AD5933设计的EMT系统能够初步重建被测物质的分布。其中PC机图像重建软件采用Visual C++6.0开发，ARM嵌入式软件采用ADS集成编译器开发。


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图5 实验重建图象

<strong>结语</strong>

阻抗转换器AD5933将直接数字频率合成器技术、模数转换器和数字信号处理功能结合在一起，为EMT系统硬件设计提供了方便，在增强系统配置灵活性和信号解调实时性的同时，提高了EMT硬件系统的集成度，降低了硬件系统成本。

参考文献：

1He 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

作者：雷彦 刘泽 徐志明 (北京交通大学先进控制研究所) 王志清 (厦门市威通控制系统开发有限公司) 来源：  电子产品世界 2007 (11)