一種基于無(wú)線數(shù)字電極的阻抗譜測(cè)量系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于無(wú)線數(shù)字電極的阻抗譜測(cè)量系統(tǒng)，由數(shù)字電極、單片機(jī)、無(wú)線模塊、上位機(jī)依次連接而成，所述數(shù)字電極由電極陣列、數(shù)字開(kāi)關(guān)、AD5933及其外圍電路構(gòu)成，所述單片機(jī)采用的是Atmel公司的ATmega16單片機(jī)，無(wú)線模塊選用的是NordicVLSI公司的NRF24L01射頻收發(fā)器，工作于2.4GHz-2.5GHzISM頻段。本發(fā)明設(shè)計(jì)的基于無(wú)線數(shù)字電極的阻抗譜測(cè)量系統(tǒng)，與以往系統(tǒng)相比采用了集成式阻抗測(cè)量芯片AD5933并對(duì)其進(jìn)行了電路擴(kuò)展，設(shè)計(jì)了數(shù)字式電極，采用了無(wú)線傳輸，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、集成度高、穩(wěn)定性好、測(cè)量范圍廣、便于攜帶等優(yōu)點(diǎn)。
【專利說(shuō)明】—種基于無(wú)線數(shù)字電極的阻抗譜測(cè)量系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于生物醫(yī)學(xué)工程和工業(yè)測(cè)量領(lǐng)域，具體涉及邊界閉合被測(cè)場(chǎng)域內(nèi)部的阻抗譜測(cè)量，尤其是一種基于無(wú)線數(shù)字電極的阻抗譜測(cè)量系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]電阻抗譜測(cè)量技術(shù)(Electrical Impedance Spectroscopy, EIS)的基本原理是利用邊界閉合被測(cè)場(chǎng)域內(nèi)部的不同介質(zhì)具有不同的阻抗(電阻或電導(dǎo))特性，通過(guò)施加驅(qū)動(dòng)電流(電壓)，測(cè)量邊界響應(yīng)電壓(電流)信號(hào)，用于重建物場(chǎng)內(nèi)部的電阻率分布及其變化的圖像。EIS的基本原理是在邊界閉合的被測(cè)對(duì)象表面放置一圈電極，數(shù)據(jù)采集裝置輸出的電壓或者電流信號(hào)，首先通過(guò)I個(gè)電極施加到被測(cè)對(duì)象上，然后測(cè)量其他電極上的響應(yīng)電壓或者電流信號(hào)，再對(duì)測(cè)得的電壓電流信號(hào)進(jìn)行放大、AD轉(zhuǎn)換、傅里葉變換等得到場(chǎng)域內(nèi)部的阻抗信息，最后傳至上位機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分析、圖像重建等。因此，阻抗譜測(cè)量具有非侵入、無(wú)損傷、體積小、成本低廉、功能性成像等優(yōu)點(diǎn)。
[0003]但是，已有的阻抗譜測(cè)量系統(tǒng)通常由多個(gè)模塊組成，涉及信號(hào)發(fā)生器(常用的是直接數(shù)字頻率合成器DDS)、通道切換開(kāi)關(guān)、可編程增益放大器(PGA)、低通濾波器(LPF)、數(shù)模轉(zhuǎn)換器(ADC)以及信號(hào)解調(diào)模塊等；電極與數(shù)據(jù)采集裝置間采用電纜連接，其雜散電容不穩(wěn)定，不僅影響系統(tǒng)信噪比，而且抑制了激勵(lì)信號(hào)頻率的提高，影響測(cè)量速度；且系統(tǒng)輸出的數(shù)據(jù)也采用有線傳輸，這些使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、集成度低、抗干擾能力差、不便于攜帶。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，提供一種高集成度、抗干擾能力強(qiáng)、便于攜帶的基于無(wú)線數(shù)字電極的阻抗譜測(cè)量系統(tǒng)。
[0005]本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的:
[0006]一種基于無(wú)線數(shù)字電極的阻抗譜測(cè)量系統(tǒng)，由數(shù)字電極、單片機(jī)、無(wú)線模塊、上位機(jī)依次連接而成，所述數(shù)字電極由電極陣列、數(shù)字開(kāi)關(guān)、AD5933及其外圍電路構(gòu)成，所述單片機(jī)采用的是Atmel公司的ATmegal6單片機(jī),無(wú)線模塊選用的是NordicVLSI公司的NRF24L01射頻收發(fā)器，工作于2.4GHz-2.5GHzISM頻段；所述上位機(jī)根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分析、繪制曲線、圖像重建；ATmegal6單片機(jī)首先通過(guò)I2C總線對(duì)AD5933進(jìn)行配置，使其產(chǎn)生所需頻率的激勵(lì)信號(hào)，然后控制數(shù)字開(kāi)關(guān)，使其中一個(gè)電極作為激勵(lì)電極，其他電極作為測(cè)量電極，最后將數(shù)字電極測(cè)量得到的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線模塊無(wú)線傳輸至上位機(jī)。
[0007]而且，所述AD5933的外圍電路的結(jié)構(gòu)是:在AD5933的激勵(lì)端增加了隔直驅(qū)動(dòng)電路，由47nF電容、兩個(gè)50ΚΩ電阻構(gòu)成；增加了電壓跟隨電路，選用的是AD8606雙路單電源CMOS運(yùn)算放大器；在測(cè)量端增加了 1-V緩沖器，選用的也是AD8606。
[0008]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和積極效果是:
[0009]本發(fā)明設(shè)計(jì)的基于無(wú)線數(shù)字電極的阻抗譜測(cè)量系統(tǒng)，與以往系統(tǒng)相比采用了集成式阻抗測(cè)量芯片AD5933并對(duì)其進(jìn)行了電路擴(kuò)展，設(shè)計(jì)了數(shù)字式電極，采用了無(wú)線傳輸，具 有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、集成度高、穩(wěn)定性好、測(cè)量范圍廣、便于攜帶等優(yōu)點(diǎn)。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0010]圖1為本發(fā)明AD5933的結(jié)構(gòu)框圖；
[0011]圖2為本發(fā)明的數(shù)字阻抗譜測(cè)量系統(tǒng)框圖；
[0012]圖3為本發(fā)明的電極結(jié)構(gòu)示意圖；
[0013]圖4為本發(fā)明的電極工作模式電路圖。
[0014]圖5為本發(fā)明的AD5933外圍擴(kuò)展電路。
【具體實(shí)施方式】
[0015]下面結(jié)合附圖詳細(xì)敘述本發(fā)明的實(shí)施例；需要說(shuō)明的是，本實(shí)施例是敘述性的，不是限定性的，不能以此限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0016]一種基于無(wú)線數(shù)字電極的阻抗譜測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)由數(shù)字電極、單片機(jī)、無(wú)線模塊、上位機(jī)組成，圖2中方框里的部分為數(shù)字電極框圖，其結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，包括電極陣列、數(shù)字開(kāi)關(guān)、AD5933及其外圍電路構(gòu)成，本實(shí)施例將電極與AD5933及其外圍電路集成了一體，通過(guò)數(shù)字開(kāi)關(guān)選擇電極是與AD5933激勵(lì)端(VIN端)還是測(cè)量端(VOUT端)相連，從而決定該電極是作為激勵(lì)電極還是測(cè)量電極。圖4為電極的工作模式選擇電路圖，數(shù)字開(kāi)關(guān)選用的是ADI公司的ADG711芯片，當(dāng)Kl閉合，K2、K3斷開(kāi)時(shí)，電極作為激勵(lì)電極，當(dāng)Kl斷開(kāi)，K2、K3閉合時(shí)，該電極作為測(cè)量電極，且K2將激勵(lì)電源引入大地，排除了右邊電路對(duì)測(cè)量信息的干擾，在本系統(tǒng)中采用了八組該數(shù)字式電極。
[0017]控制器采用的是Atmel公司的ATmegal6單片機(jī)，ATmegal6單片機(jī)首先通過(guò)I2C總線對(duì)八片AD5933進(jìn)行配置，使其產(chǎn)生所需頻率的激勵(lì)信號(hào)，然后控制數(shù)字切換開(kāi)關(guān)，使電極陣列的I號(hào)電極作為激勵(lì)電極，2-8號(hào)電極作為測(cè)量電極，最后將2-8號(hào)數(shù)字電極測(cè)量得到的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線模塊，無(wú)線傳輸至計(jì)算機(jī)。無(wú)線模塊選用的是NordicVLSI公司的NRF24L01射頻收發(fā)器，工作于2.4GHz-2.5GHzISM頻段。計(jì)算機(jī)根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分析、繪制曲線、圖像重建等功能。
[0018]本系統(tǒng)對(duì)AD5933進(jìn)行了電路擴(kuò)展，如圖5所示。在AD5933的激勵(lì)端(V0UT端)增加了隔直驅(qū)動(dòng)電路，由圖5中47nF電容、兩個(gè)50ΚΩ電阻構(gòu)成，消除了 AD5933激勵(lì)端與測(cè)量端存在的電位差，從而避免了被測(cè)阻抗產(chǎn)生極化引起的測(cè)量誤差；此外，還增加了電壓跟隨電路，如圖5中的Al，Al選的是AD8606雙路單電源CMOS運(yùn)算放大器，該電路可以消除AD5933輸出阻抗對(duì)被測(cè)阻抗的影響，從而將AD5933的測(cè)量范圍從1ΚΩ-10ΜΩ擴(kuò)大到100 Ω-1OMΩ，同時(shí)增大了驅(qū)動(dòng)能力。在測(cè)量端(VIN端)增加了 1-V緩沖器，如圖5中A2電路，A2選用的也是AD8606，該電路可以消除AD5933內(nèi)部1-V放大器帶來(lái)的偏置電流、失調(diào)電壓和CMRR影響，提高電流-電壓放大器的轉(zhuǎn)換精度。
[0019]需要注意的是，雖然AD5933通過(guò)I2C總線進(jìn)行通信，但由于AD5933的ID號(hào)都一樣，故8片AD5933不能串行掛載，使用同一個(gè)I2C總線，而是與ATmegal6并行連接，且為了使8片AD5933可以同步起測(cè)，在本系統(tǒng)中8片AD5933使用同一個(gè)有源晶振，如圖2所示。
[0020]本發(fā)明的工作原理是:
[0021]本測(cè)量系統(tǒng)采用了 AnalogDevices公司推出的集成式阻抗測(cè)量芯片AD5933，其將DDS、ADC、DSP微處理器內(nèi)核等單元集成在一起，可直接輸出待測(cè)阻抗的實(shí)部和虛部等信息，從而降低了系統(tǒng)的復(fù)雜度，提高了系統(tǒng)的集成度；AD5933內(nèi)部的DDS可以產(chǎn)生特定的頻率來(lái)激勵(lì)外部電阻，電阻上得到的響應(yīng)信號(hào)被ADC采樣，并通過(guò)片上的DSP進(jìn)行離散的傅立葉變換(DFT)，變換后返回在這個(gè)輸出頻率下得到的實(shí)部值和虛部值，根據(jù)初始校準(zhǔn)數(shù)據(jù)很方便地計(jì)算出所需的阻抗值，且AD5933通過(guò)I2C總線(SCL、SDA接口)與外部通信。
[0022]本測(cè)量系統(tǒng)采用了八片AD5933，可以實(shí)現(xiàn)同時(shí)7個(gè)通道(7組電極)的同時(shí)測(cè)量，而以往的系統(tǒng)只能同時(shí)處理一路通道，從而提高測(cè)量速度；且本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了數(shù)字式電極，即將AD5933集成在電極上，電極與信號(hào)測(cè)量裝置(AD5933及外圍電路)直接相連，縮短了交流弱信號(hào)的傳輸距離，消除了外界干擾，避免了波反射現(xiàn)象，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。
[0023]本系統(tǒng)輸出的數(shù)字信號(hào)采用無(wú)線通信，無(wú)線傳輸至計(jì)算機(jī)，用于下一步的圖像重建，無(wú)線傳輸避免了有線電纜的束縛，便于攜帶，具有集成度高、準(zhǔn)確度高、高干擾能力強(qiáng)、功耗低、成本低、無(wú)線傳輸、便于攜帶等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用前景廣闊。
【權(quán)利要求】
1.一種基于無(wú)線數(shù)字電極的阻抗譜測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于:由數(shù)字電極、單片機(jī)、無(wú)線模塊、上位機(jī)依次連接而成，所述數(shù)字電極由電極陣列、數(shù)字開(kāi)關(guān)、AD5933及其外圍電路構(gòu)成，所述單片機(jī)采用的是Atmel公司的ATmegal6單片機(jī),無(wú)線模塊選用的是NordicVLSI公司的NRF24L01射頻收發(fā)器，工作于2.4GHz-2.5GHzISM頻段；所述上位機(jī)根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分析、繪制曲線、圖像重建；ATmegal6單片機(jī)首先通過(guò)I2C總線對(duì)AD5933進(jìn)行配置，使其產(chǎn)生所需頻率的激勵(lì)信號(hào)，然后控制數(shù)字開(kāi)關(guān)，使其中一個(gè)電極作為激勵(lì)電極，其他電極作為測(cè)量電極，最后將數(shù)字電極測(cè)量得到的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線模塊無(wú)線傳輸至上位機(jī)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于無(wú)線數(shù)字電極的阻抗譜測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于:所述AD5933的外圍電路的結(jié)構(gòu)是:在AD5933的激勵(lì)端增加了隔直驅(qū)動(dòng)電路，由47nF電容、兩個(gè)50ΚΩ電阻構(gòu)成；增加了電壓跟隨電路，選用的是AD8606雙路單電源CMOS運(yùn)算放大器；在測(cè)量端增加了 1-V緩沖器，選用的也是AD8606。
【文檔編號(hào)】G01R27/02GK103698607SQ201310700343
【公開(kāi)日】2014年4月2日 申請(qǐng)日期:2013年12月16日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月16日
【發(fā)明者】陳曉艷, 黃華芳, 高娜娜 申請(qǐng)人:天津科技大學(xué)