摘 要: 介紹了基于AD5933的阻抗檢測原理和軟硬件實現(xiàn)。系統(tǒng)設(shè)計采用阻抗測量芯片AD5933,以低功耗高性能處理器STC89C52單片機作為控制器。該檢測儀采用AD5933中的數(shù)字頻率合成器(DDS)產(chǎn)生激勵信號,施加在待測阻抗上,ADC采集相應(yīng)信號并送到片內(nèi)DFT模塊進行數(shù)字處理,測量結(jié)果通過I2C送至單片機,再由單片機與計算機上位機通信,計算機顯示該阻抗值。該儀器能實現(xiàn)電阻、電容、電感阻抗快速、準確地測量,經(jīng)實驗驗證,阻抗幅值和相位測量的相對誤差較小,(電阻阻抗平均偏差為0.041 1,相位平均偏差為0.152°)。葡萄糖水溶液濃度與阻抗呈線性相關(guān),相關(guān)系數(shù)大于0.99。
關(guān)鍵詞: AD5933;阻抗檢測;STC89C52單片機;上位機
目前,全世界已有3.66億糖尿病患者,國內(nèi)該病群體規(guī)模也已超過9 240萬人,所以,為了控制疾病,防止并發(fā)癥,經(jīng)常測量血糖水平是必不可少的。現(xiàn)今醫(yī)院中最常用的檢測血糖的方法是采集血樣,處理后加入相關(guān)反應(yīng)試劑,之后再用大型的生化檢測設(shè)備進行分析。這種方法雖然準確,但由于過程繁瑣、操作復(fù)雜、耗材量大、采血量又大,并不利于大多數(shù)病人的自我監(jiān)護。尋找一種新的血糖阻抗檢測方法,檢測血糖濃度,可以減少耗材,節(jié)約資源,極具實際意義。對葡萄糖水溶液阻抗檢測的研究為此作了鋪墊。為了克服傳統(tǒng)阻抗測量方法的不足,本文采用高精度阻抗測量芯片AD5933設(shè)計了新型阻抗檢測儀,簡化了電路設(shè)計,提高了系統(tǒng)抗干擾能力和測試精度[1]。
1 系統(tǒng)方案
本課題的目的是設(shè)計一種基于AD5933的阻抗檢測系統(tǒng)。本系統(tǒng)能夠滿足電阻、電容、葡萄糖水溶液的阻抗與相位的測量,主要包括以下三個方面:
?。?)獲取阻抗與相位數(shù)據(jù):采用高精度阻抗測量芯片AD5933及外圍電路,測得阻抗與相位數(shù)據(jù)[2]。(2)數(shù)據(jù)傳輸:I2C通信,通過單片機的兩個I/O口來實現(xiàn)總線接口,其中一個模擬SDA數(shù)據(jù)線的時序,另一個模擬SCL信號線的時序。(3)上位機顯示:設(shè)置起始頻率及步進頻率后,可以繪制所測得的阻抗模值及相位與頻率的關(guān)系圖。
2 硬件設(shè)計
2.1 AD5933芯片介紹及阻抗測量原理
AD5933是一個高精度的阻抗變換系統(tǒng),含有一個27位、最高輸出頻率為100 kHz、頻率分辨率<0.1 Hz的直接數(shù)字合成器件(DDS)和一個12位、1 MHz采樣率的ADC(模數(shù)轉(zhuǎn)換器)。激勵電壓輸出由直接數(shù)字合成器(DDS)產(chǎn)生,可在最高輸出頻率(100 kHz)以內(nèi)的任意指定頻率上發(fā)出激勵信號,通過可設(shè)置增益的前置放大器后激勵外部電阻,電阻上得到的響應(yīng)信號被ADC采樣,并通過片上的DSP進行1 024點的離散傅里葉運算(DFT運算)。傅里葉變換后返回在這個輸出頻率下得到的實部值和虛部值。因而也可以計算出在每個掃描頻率下被測目標的阻抗的模和相角。
2.2 阻值計算與校準
對于不同的測量頻率點,增益系數(shù)是不同的,所以在不同的頻率點上要分別計算增益系數(shù)。此外測量過程中可以通過標定電阻的測量范圍來優(yōu)化測量性能。理論上測量范圍標定得越小,測量結(jié)果越準確。表1給出了4個不同的電阻范圍標定作為參考。
2.3 相角計算與校準
首先對標定電阻進行測量,得到標定電阻的相角P=arctan。待測電阻的實際相角等于測量值減去標定電阻的相角值。測量時得到的相角范圍在-90°~+90°之間,要根據(jù)實部值R和虛部值I所確定的象限把相角變換到所在的象限內(nèi)。若R<0,I>0,則說明在第二象限內(nèi),所以計算時要把相角加上180°;同理,若R<0,I<0,則在第2象限內(nèi),所以計算時要把相角減去180°。
2.4 系統(tǒng)整體設(shè)計
該電路電源部分采用5 V USB供電,在AD5933的RFB和VIN之間接入標定電阻,VIN和VOUT之間接入待測電阻。測量之前預(yù)估一下待測電阻所在的范圍,選擇相應(yīng)標定電阻,每個頻率點上都要首先對標定電阻進行測量和計算,然后再以此為標準計算被測電阻[5]。單片機通過I2C和AD5933通信,讀取測量結(jié)果和實現(xiàn)控制,同時把結(jié)果送至上位機顯示。整個電路設(shè)計簡潔緊湊,抗干擾能力強。
AD5933的初始化參數(shù)需寫入AD5933片內(nèi)寄存器[3]。由于單片機STC89C52內(nèi)部無I2C接口,需用單片機的兩個I/O口來實現(xiàn)總線接口,其中一個模擬SDA數(shù)據(jù)線的時序,另一個模擬SCL信號線的時序,完成與AD5933通信[4]。
3 軟件設(shè)計
上位機軟件能實現(xiàn)串口通信,來傳輸阻抗數(shù)據(jù)文件。軟件是在Microsoft Visual Basic 6.0平臺下進行開發(fā)的。實現(xiàn)設(shè)置起始頻率及步進頻率后,可以繪制頻率范圍內(nèi)所測得的阻抗模值及相位與頻率的關(guān)系圖。
系統(tǒng)主程序設(shè)計流程圖如圖1所示。
4 系統(tǒng)性能測試結(jié)果
通過測試,部分結(jié)果如表2~表4所示,此處電阻測試激勵源頻率為10 kHz,電容測試激勵源頻率為30 kHz,激勵信號幅值設(shè)定均為2 V。誤差計算公式為:
電阻阻值平均誤差為0.041 1,電阻相位平均誤差為0.152;電容阻抗平均誤差為0.072 1,電容相位平均誤差為0.152。
不同濃度葡萄糖溶液阻抗如圖2~圖4所示。運用MATLAB進行線性最小二乘擬合,得到y(tǒng)=2 692 600x+200,線性相關(guān)系數(shù)為0.999 4。
在不同條件下進行測試,葡萄糖濃度與阻抗值呈線性關(guān)系,相關(guān)系數(shù)分別為0.997 8、0.998 2。
基于AD5933的血流儀的生物阻抗檢測,外圍電路簡單。測試結(jié)果表明,通過單片機控制AD5933測量精度較高,穩(wěn)定性好。設(shè)計中,標定阻抗的選取對精度有很大影響,且軟件算法對測量值的校準也非常重要。該設(shè)計對葡萄糖水溶液阻抗進行多組多次測試,得出葡萄糖濃度與阻抗值呈線性關(guān)系,為探尋新的血糖檢測方法做了鋪墊。
參考文獻
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[2] 任超世.生物電阻抗測量技術(shù)[J].中國醫(yī)療器械信息,2004,10(1):21-25.
[3] 崔傳金,郭志強,趙楠,等.用AD5933實現(xiàn)電導(dǎo)率測量的研究[J].機電工技術(shù),2008,37(4):44-47.
[4] 沙占友.智能傳感器系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社,2004
[5] 董艷陽.自動阻抗測量儀工作原理及阻抗測量方法[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2002,136(5):24-25