电阻抗成像系统设计论文
电阻抗成像系统设计论文 １系统构成 本系统采用上－下位机的结构，上位机由ＰＣ机担任，进行可视控制、图 像实时显示；下位机由单片机担任负责电极选通切换、数据采集以及与ＰＣ机进 行数据通信。这里单片机选用美国Ｃｙｇｎａｌ公司最近推出的高速Ｃ８０５１ Ｆ１２１（最高处理速度达１００ＭＩＰＳ），其片内具有１２８ＫＦｌａｓｈ、 （２５６＋８）ＫＲＡＭ以及增益可编程放大器和采样率达１００ｋｓｐｓ的１ ２位Ａ／Ｄ转换器。
图1系统设计的整体框图 ＥＩＴ数据采集系统包括恒流源激励信号发生器、电极选通与驱动单元、 可编程增益放大器、解调处理单元、Ａ／Ｄ转换（Ｃ８０５１片内１２位Ａ／Ｄ） 单元等，系统结构如图１所示。
ＰＣ机作为上位机提供一个可视界面，可设置激励源的频率、激励模式（如 相邻模式、相对模式），命令单片机进行数据采集并根据接收的反应阻抗信息的 数据来重建图像。单片机按ＰＣ机发出的要求对激励信号源进行频率选择、相位 及幅值控制；
按激励模式依次选通激励电极与测量电极；
选择可编程增益放大器 的增益；
启动Ａ／Ｄ转换并将数据存储后转发给ＰＣ机。
２激励注入与信号提取 ２．１恒流源 恒流源由信号源和电压控制电流源（ＶＣＣＳ）两部分组成。正弦信号源 采用直接数字频率合成（ＤＤＳ）技术，即以一定频率连续从ＥＰＲＯＭ中读取 正弦采样数据，经Ｄ／Ａ转换并滤波后产生ＥＩＴ所需的正弦信号。本系统采用 ＡＤ公司的ＤＤＳ集成芯片ＡＤ９８３０，其内部有两个１２位相位寄存器和两 个３２位频率寄存器。在单片机的控制下对相应的寄存器置数就可以方便地得到 ２ＭＨｚ以下的任意频率和相位的输出，其中频率精度为1/232，相位分辨率为 2π/212，输出幅度也可以在一定的范围内调节，因此能满足系统多频激励（１０ ｋＨｚ～１ＭＨｚ）的要求。
正弦信号源输出信号经１：１的隔离变压器输出到ＶＣＣＳ。ＶＣＣＳ采用的三运放转换电路，如图２所示。
当运放工作在理想状态时，则输出电流为：
输出电流Ｉｏ的大小可以由输入电压Ｖｉ和采样电阻Ｒ５来控制，其精度 取决于Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４的匹配程度。
２．２电极阵列的设计 由于本系统中使用的是峰－峰值为１～５ｍＡ的交流小信号，因此如果模 拟开关（又称多路开关）选择不当，它会成为系统中的一个显著的误差源。经比 较，选用ＭＡＸＩＭ公司的ＭＡＸ３０６，它具有下列功能：程序控制１６选１ （由４个地址端和１个选通端决定），导通电阻ＲＯＮ＜１００Ω，通道间匹配 误差＜５Ω，通道间串扰＜－９２ｄＢ，导通时对地泄漏电流＜２５ｎＡ，导通 时对地等效电容＜１４０ｐＦ，开关时间＜４００ｎｓ。
每组四个ＭＡＸ３０６并联可以完成３２选２任意的电流注入方式和电 压测量模式。图３是电压测量的原理图，驱动电流注入的原理图与图３类似。它 们之间的区别只是信号的流程相反，前者是流出开关，后者则是流入开关。设计 时为减小干扰，采用了高速光耦６Ｎ１３６进行隔离。
２．３激励注入与电压测量模式 本系统中激励源按一定的模式注入（如相邻模式或相对模式），通过ＰＣ 机发出命令，由单片机来控制开关电极阵列依次选通激励电极对和测量电极对。
当激励注入电极对转动一周时，就得到了能重建图像的一个数据组。
２．４电压测量放大与解调 ＥＩＴ系统中注入的为交流小信号，所以在测量端先进行隔直、缓冲和差 动放大，同时要滤除信号中的噪声，以使后面的测量能得到较好的效果。这就要 求选用的仪表运放具有高的ＣＭＭＲ和足够的带宽。本系统选用了ＡＤ公司的Ａ Ｄ６２０。在频率小于１００ｋＨｚ的情况下，１０倍增益时的共模抑制比可以 达到６ ０ｄＢ，它的３ｄＢ带宽达到３００ｋＨｚ。经差动运放后，信号中除激 励源频率信号外还混有噪声信号，所以还要利用相敏解调将反映阻抗大小的信号的幅度解调出来。本系统中的解调器选用ＡＤ６３０。它采用一路待解调信号和 一路载波信号作为输入，待解调信号根据载波信号的正负进行翻转。从ＡＤ６３ ０的信号源到解调端，信号有一个相位变化，这个变化是一个可以通过实验测量 得到的定值，所以在解调器前需加一个移相器，以达到信号同步的目的。
３数据采集与通讯 经解调输出的信号幅值较小，需经放大后送到Ａ／Ｄ转换器。Ｃ８０５１ Ｆ１２１片内有可编程增益放大器（ＰＧＡ）和一个１２位的采样率达１００ｋ ｓｐｓ的Ａ／Ｄ转换器，用软件设置放大增益使信号在Ａ／Ｄ转换器输入信号的 范围（０～２．４Ｖ）内。为保证数据的精度，系统对１０次采样结果做平均后 存于片内ＲＡＭ中。每次按一定模式采集完一组数据后，单片机通过串口通知Ｐ Ｃ机接收。由于ＰＣ机串口是ＲＳ２３２电平，两者之间采用了ＭＡＸ２３２芯 片进行电平转换后再进行数据通讯。
４图像重建结果 在直径为１４５ｍｍ的盐水槽中放入浓度为０.９％的盐水溶液（７５０Ω ／ｃｍ），在盐水槽的边缘上放入一根直径为２ｃｍ的木棒，采用相邻注入模式， 通入峰－峰值为２ｍＡ的电流，利用敏感系数法采用２５６个有限元进行剖分. 摘要：介绍了电阻抗成像系统，该系统以PC机作为上位机，用来进行可 视化控制、实时成像显示操作鸦下位机采用高速单片机，控制电极选通、数据采 集及预处理，并与ＰＣ机进行通讯；
采用直接数字频率合成(DDS)技术产生高精 度激励信号源，用相敏解调方法实现高质量数据获取。实验结果表明该系统能达 到电阻抗成像（EIT）的性能要求。
关键词：电阻抗成像直接数字频率合成相敏解调