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：在激勵線圈中通入交變電流，激勵線圈在被測空間產(chǎn)生出交變的激勵磁場，被測空間中具有導(dǎo)電性或?qū)Т判晕镔|(zhì)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(zhì)空間電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率分布相關(guān)的物場，分布在被測空間邊界的檢測線圈以電磁感應(yīng)的方式獲得磁場的分布信息。然 后通過對檢測信號的數(shù)據(jù)采集，模/數(shù)變換和信號解調(diào)，最后由定性或定量的圖像重建算法計算出物質(zhì)在被測空間中的分布狀況，即重建出被測空間中導(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)計中，激勵信號產(chǎn)生模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和檢測信號解調(diào)模塊是整個EMT硬件系統(tǒng)核心部分，傳統(tǒng)的EMT系統(tǒng)采用獨立的硬件電路分別實現(xiàn)這三個模塊的功能，而采用AD5933改進(jìn)設(shè)計的EMT硬件電路，同時實現(xiàn)了這三個模塊的功能。

　　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的已知頻率來激勵外部復(fù)阻抗(100Ω～10MΩ范 圍)。被激勵阻抗元件的響應(yīng)信號直接被片內(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 每個頻點的實部(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(wěn)定的外部時鐘信號;另一種是通過片上振蕩器產(chǎn)生一個典型的16.776MHz 的內(nèi)部時鐘信號。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參數(shù)：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(chǎn)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(yīng)信號經(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頻點的解調(diào)信號都需要進(jìn)行DFT處理，計算公式如下：

　

(2)

　其中X(f)是當(dāng)頻率為f時經(jīng)過DFC處理的解調(diào)信號，x(n)是ADC的輸出信號，cos(n)和sin(n)是在頻點f處進(jìn)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(xié)議實現(xiàn)。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(shè)備控制下的一個從設(shè)備連接到總線上的，當(dāng)給設(shè)備供電時，默認(rèn)的串行總線地址是0001101。當(dāng)串行時鐘線(SCL)保持高電 平，同時串行數(shù)據(jù)線(SDA)由高電平變到低電平時，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個時鐘脈沖時，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個時鐘脈沖傳送，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)的激勵信號產(chǎn)生模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和檢測信號解調(diào)模塊這三部分。

　　激勵信號產(chǎn)生模塊

　 　傳統(tǒng)的EMT系統(tǒng)采用獨立的DDS芯片來產(chǎn)生激勵信號，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)激勵信號的要求。但是，由于片內(nèi)提 供的時鐘信號精度和穩(wěn)定性較弱，所以本設(shè)計通過外部時鐘信號引腳(MCLK)引入外部時鐘信號。

　　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)采集信號的要求，也為設(shè)計帶來了方便。