AD5933在電磁層析成像硬件系統(tǒng)中的應用

　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(yè)應用前景。

　 　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(shù)據(jù)采集，模/數(shù)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(tǒng)結構圖

　　在EMT系統(tǒng)的設計中，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改進設計的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)字轉換器，它解決了從阻抗到數(shù)字直接轉換的復雜信號處理難題。它采用直接數(shù)字頻率合成器(DDS)技術把模/數(shù)轉換 (ADC)和數(shù)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(shù)據(jù)字，從而可以根據(jù)初始校準數(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，傳感器輸出的響應信號經(jīng)過片內12位1MSPS的ADC采樣，并由片內DSP處理。


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(jīng)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(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(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(shù)據(jù)是0，寫數(shù)據(jù)是1)。在第9個時鐘脈沖時，從設備的數(shù)據(jù)位保持低電平，作為 AD5933的確認位。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位為主設備或其他從設備的應答位。

　　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，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(tǒng)激勵信號的要求。但是，由于片內提 供的時鐘信號精度和穩(wěn)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(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，也為設計帶來了方便。