CN103698607A

CN103698607A - 一种基于无线数字电极的阻抗谱测量系统

Info

Publication number: CN103698607A
Application number: CN201310700343.4A
Authority: CN
Inventors: 陈晓艳; 黄华芳; 高娜娜
Original assignee: Tianjin University of Science and Technology
Current assignee: Tianjin University of Science and Technology
Priority date: 2013-12-16
Filing date: 2013-12-16
Publication date: 2014-04-02

Abstract

本发明涉及一种基于无线数字电极的阻抗谱测量系统，由数字电极、单片机、无线模块、上位机依次连接而成，所述数字电极由电极阵列、数字开关、AD5933及其外围电路构成，所述单片机采用的是Atmel公司的ATmega16单片机，无线模块选用的是NordicVLSI公司的NRF24L01射频收发器，工作于2.4GHz-2.5GHzISM频段。本发明设计的基于无线数字电极的阻抗谱测量系统，与以往系统相比采用了集成式阻抗测量芯片AD5933并对其进行了电路扩展，设计了数字式电极，采用了无线传输，具有结构简单、集成度高、稳定性好、测量范围广、便于携带等优点。

Description

一种基于无线数字电极的阻抗谱测量系统

技术领域

本发明属于生物医学工程和工业测量领域，具体涉及边界闭合被测场域内部的阻抗谱测量，尤其是一种基于无线数字电极的阻抗谱测量系统。

背景技术

电阻抗谱测量技术（Electrical Impedance Spectroscopy，EIS）的基本原理是利用边界闭合被测场域内部的不同介质具有不同的阻抗（电阻或电导）特性，通过施加驱动电流（电压），测量边界响应电压（电流）信号，用于重建物场内部的电阻率分布及其变化的图像。EIS的基本原理是在边界闭合的被测对象表面放置一圈电极，数据采集装置输出的电压或者电流信号，首先通过1个电极施加到被测对象上，然后测量其他电极上的响应电压或者电流信号，再对测得的电压电流信号进行放大、AD转换、傅里叶变换等得到场域内部的阻抗信息，最后传至上位机实现数据分析、图像重建等。因此，阻抗谱测量具有非侵入、无损伤、体积小、成本低廉、功能性成像等优点。

但是，已有的阻抗谱测量系统通常由多个模块组成，涉及信号发生器（常用的是直接数字频率合成器DDS）、通道切换开关、可编程增益放大器（PGA）、低通滤波器（LPF）、数模转换器（ADC）以及信号解调模块等；电极与数据采集装置间采用电缆连接，其杂散电容不稳定，不仅影响系统信噪比，而且抑制了激励信号频率的提高，影响测量速度；且系统输出的数据也采用有线传输，这些使得系统结构复杂、集成度低、抗干扰能力差、不便于携带。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足之处，提供一种高集成度、抗干扰能力强、便于携带的基于无线数字电极的阻抗谱测量系统。

本发明的目的是这样实现的：

一种基于无线数字电极的阻抗谱测量系统，由数字电极、单片机、无线模块、上位机依次连接而成，所述数字电极由电极阵列、数字开关、AD5933及其外围电路构成，所述单片机采用的是Atmel公司的ATmega16单片机，无线模块选用的是NordicVLSI公司的NRF24L01射频收发器，工作于2.4GHz-2.5GHzISM频段；所述上位机根据采集到的数据可实现数据分析、绘制曲线、图像重建；ATmega16单片机首先通过I²C总线对AD5933进行配置，使其产生所需频率的激励信号，然后控制数字开关，使其中一个电极作为激励电极，其他电极作为测量电极，最后将数字电极测量得到的数据通过无线模块无线传输至上位机。

而且，所述AD5933的外围电路的结构是：在AD5933的激励端增加了隔直驱动电路，由47nF电容、两个50KΩ电阻构成；增加了电压跟随电路，选用的是AD8606双路单电源CMOS运算放大器；在测量端增加了I-V缓冲器，选用的也是AD8606。

本发明的优点和积极效果是：

本发明设计的基于无线数字电极的阻抗谱测量系统，与以往系统相比采用了集成式阻抗测量芯片AD5933并对其进行了电路扩展，设计了数字式电极，采用了无线传输，具有结构简单、集成度高、稳定性好、测量范围广、便于携带等优点。

附图说明

图1为本发明AD5933的结构框图；

图2为本发明的数字阻抗谱测量系统框图；

图3为本发明的电极结构示意图；

图4为本发明的电极工作模式电路图。

图5为本发明的AD5933外围扩展电路。

具体实施方式

下面结合附图详细叙述本发明的实施例；需要说明的是，本实施例是叙述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

一种基于无线数字电极的阻抗谱测量系统，该系统由数字电极、单片机、无线模块、上位机组成，图2中方框里的部分为数字电极框图，其结构图如图3所示，包括电极阵列、数字开关、AD5933及其外围电路构成，本实施例将电极与AD5933及其外围电路集成了一体，通过数字开关选择电极是与AD5933激励端（VIN端）还是测量端（VOUT端）相连，从而决定该电极是作为激励电极还是测量电极。图4为电极的工作模式选择电路图，数字开关选用的是ADI公司的ADG711芯片，当K1闭合，K2、K3断开时，电极作为激励电极，当K1断开，K2、K3闭合时，该电极作为测量电极，且K2将激励电源引入大地，排除了右边电路对测量信息的干扰，在本系统中采用了八组该数字式电极。

控制器采用的是Atmel公司的ATmega16单片机，ATmega16单片机首先通过I2C总线对八片AD5933进行配置，使其产生所需频率的激励信号，然后控制数字切换开关，使电极阵列的1号电极作为激励电极，2-8号电极作为测量电极，最后将2-8号数字电极测量得到的数据通过无线模块，无线传输至计算机。无线模块选用的是NordicVLSI公司的NRF24L01射频收发器，工作于2.4GHz-2.5GHzISM频段。计算机根据采集到的数据可实现数据分析、绘制曲线、图像重建等功能。

本系统对AD5933进行了电路扩展，如图5所示。在AD5933的激励端（VOUT端）增加了隔直驱动电路，由图5中47nF电容、两个50KΩ电阻构成，消除了AD5933激励端与测量端存在的电位差，从而避免了被测阻抗产生极化引起的测量误差；此外，还增加了电压跟随电路，如图5中的A1，A1选的是AD8606双路单电源CMOS运算放大器，该电路可以消除AD5933输出阻抗对被测阻抗的影响，从而将AD5933的测量范围从1KΩ-10MΩ扩大到100Ω-10MΩ，同时增大了驱动能力。在测量端（VIN端）增加了I-V缓冲器，如图5中A2电路，A2选用的也是AD8606，该电路可以消除AD5933内部I-V放大器带来的偏置电流、失调电压和CMRR影响，提高电流-电压放大器的转换精度。

需要注意的是，虽然AD5933通过I2C总线进行通信，但由于AD5933的ID号都一样，故8片AD5933不能串行挂载，使用同一个I2C总线，而是与ATmega16并行连接，且为了使8片AD5933可以同步起测，在本系统中8片AD5933使用同一个有源晶振，如图2所示。

本发明的工作原理是：

本测量系统采用了AnalogDevices公司推出的集成式阻抗测量芯片AD5933，其将DDS、ADC、DSP微处理器内核等单元集成在一起，可直接输出待测阻抗的实部和虚部等信息，从而降低了系统的复杂度，提高了系统的集成度；AD5933内部的DDS可以产生特定的频率来激励外部电阻，电阻上得到的响应信号被ADC采样，并通过片上的DSP进行离散的傅立叶变换（DFT），变换后返回在这个输出频率下得到的实部值和虚部值，根据初始校准数据很方便地计算出所需的阻抗值，且AD5933通过I2C总线（SCL、SDA接口）与外部通信。

本测量系统采用了八片AD5933，可以实现同时7个通道（7组电极）的同时测量，而以往的系统只能同时处理一路通道，从而提高测量速度；且本系统设计了数字式电极，即将AD5933集成在电极上，电极与信号测量装置（AD5933及外围电路）直接相连，缩短了交流弱信号的传输距离，消除了外界干扰，避免了波反射现象，提高了系统的抗干扰能力。

本系统输出的数字信号采用无线通信，无线传输至计算机，用于下一步的图像重建，无线传输避免了有线电缆的束缚，便于携带，具有集成度高、准确度高、高干扰能力强、功耗低、成本低、无线传输、便于携带等优点，应用前景广阔。

Claims

1.一种基于无线数字电极的阻抗谱测量系统，其特征在于：由数字电极、单片机、无线模块、上位机依次连接而成，所述数字电极由电极阵列、数字开关、AD5933及其外围电路构成，所述单片机采用的是Atmel公司的ATmega16单片机，无线模块选用的是NordicVLSI公司的NRF24L01射频收发器，工作于2.4GHz-2.5GHzISM频段；所述上位机根据采集到的数据可实现数据分析、绘制曲线、图像重建；ATmega16单片机首先通过I²C总线对AD5933进行配置，使其产生所需频率的激励信号，然后控制数字开关，使其中一个电极作为激励电极，其他电极作为测量电极，最后将数字电极测量得到的数据通过无线模块无线传输至上位机。

2.根据权利要求1所述的基于无线数字电极的阻抗谱测量系统，其特征在于：所述AD5933的外围电路的结构是：在AD5933的激励端增加了隔直驱动电路，由47nF电容、两个50KΩ电阻构成；增加了电压跟随电路，选用的是AD8606双路单电源CMOS运算放大器；在测量端增加了I-V缓冲器，选用的也是AD8606。