摘  要： 介紹了基于AD5933的阻抗檢測(cè)原理和軟硬件實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用阻抗測(cè)量芯片AD5933，以低功耗高性能處理器STC89C52單片機(jī)作為控制器。該檢測(cè)儀采用AD5933中的數(shù)字頻率合成器（DDS）產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào)，施加在待測(cè)阻抗上，ADC采集相應(yīng)信號(hào)并送到片內(nèi)DFT模塊進(jìn)行數(shù)字處理，測(cè)量結(jié)果通過I2C送至單片機(jī)，再由單片機(jī)與計(jì)算機(jī)上位機(jī)通信，計(jì)算機(jī)顯示該阻抗值。該儀器能實(shí)現(xiàn)電阻、電容、電感阻抗快速、準(zhǔn)確地測(cè)量，經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，阻抗幅值和相位測(cè)量的相對(duì)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(cè)；STC89C52單片機(jī)；上位機(jī)

　　目前，全世界已有3.66億糖尿病患者，國(guó)內(nèi)該病群體規(guī)模也已超過9 240萬(wàn)人，所以，為了控制疾病，防止并發(fā)癥，經(jīng)常測(cè)量血糖水平是必不可少的?，F(xiàn)今醫(yī)院中最常用的檢測(cè)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(cè)設(shè)備進(jìn)行分析。這種方法雖然準(zhǔn)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(hù)。尋找一種新的血糖阻抗檢測(cè)方法，檢測(cè)血糖濃度，可以減少耗材，節(jié)約資源，極具實(shí)際意義。對(duì)葡萄糖水溶液阻抗檢測(cè)的研究為此作了鋪墊。為了克服傳統(tǒng)阻抗測(cè)量方法的不足，本文采用高精度阻抗測(cè)量芯片AD5933設(shè)計(jì)了新型阻抗檢測(cè)儀，簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)抗干擾能力和測(cè)試精度[1]。

　　1 系統(tǒng)方案

　　本課題的目的是設(shè)計(jì)一種基于AD5933的阻抗檢測(cè)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(cè)量，主要包括以下三個(gè)方面：

　?。?）獲取阻抗與相位數(shù)據(jù)：采用高精度阻抗測(cè)量芯片AD5933及外圍電路，測(cè)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(jī)的兩個(gè)I/O口來實(shí)現(xiàn)總線接口，其中一個(gè)模擬SDA數(shù)據(jù)線的時(shí)序，另一個(gè)模擬SCL信號(hào)線的時(shí)序。（3）上位機(jī)顯示：設(shè)置起始頻率及步進(jìn)頻率后，可以繪制所測(cè)得的阻抗模值及相位與頻率的關(guān)系圖。

　　2 硬件設(shè)計(jì)

　　2.1 AD5933芯片介紹及阻抗測(cè)量原理

　　AD5933是一個(gè)高精度的阻抗變換系統(tǒng)，含有一個(gè)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(gè)12位、1 MHz采樣率的ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換器）。激勵(lì)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(lì)信號(hào)，通過可設(shè)置增益的前置放大器后激勵(lì)外部電阻，電阻上得到的響應(yīng)信號(hào)被ADC采樣，并通過片上的DSP進(jìn)行1 024點(diǎn)的離散傅里葉運(yùn)算（DFT運(yùn)算）。傅里葉變換后返回在這個(gè)輸出頻率下得到的實(shí)部值和虛部值。因而也可以計(jì)算出在每個(gè)掃描頻率下被測(cè)目標(biāo)的阻抗的模和相角。

　　2.2 阻值計(jì)算與校準(zhǔn)

　　對(duì)于不同的測(cè)量頻率點(diǎn)，增益系數(shù)是不同的，所以在不同的頻率點(diǎn)上要分別計(jì)算增益系數(shù)。此外測(cè)量過程中可以通過標(biāo)定電阻的測(cè)量范圍來優(yōu)化測(cè)量性能。理論上測(cè)量范圍標(biāo)定得越小，測(cè)量結(jié)果越準(zhǔn)確。表1給出了4個(gè)不同的電阻范圍標(biāo)定作為參考。

　　2.3 相角計(jì)算與校準(zhǔn)

　　首先對(duì)標(biāo)定電阻進(jìn)行測(cè)量，得到標(biāo)定電阻的相角P=arctan。待測(cè)電阻的實(shí)際相角等于測(cè)量值減去標(biāo)定電阻的相角值。測(cè)量時(shí)得到的相角范圍在-90°~+90°之間，要根據(jù)實(shí)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(jì)算時(shí)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(jì)算時(shí)要把相角減去180°。

　　2.4 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

　　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(biāo)定電阻，VIN和VOUT之間接入待測(cè)電阻。測(cè)量之前預(yù)估一下待測(cè)電阻所在的范圍，選擇相應(yīng)標(biāo)定電阻，每個(gè)頻率點(diǎn)上都要首先對(duì)標(biāo)定電阻進(jìn)行測(cè)量和計(jì)算，然后再以此為標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算被測(cè)電阻[5]。單片機(jī)通過I2C和AD5933通信，讀取測(cè)量結(jié)果和實(shí)現(xiàn)控制，同時(shí)把結(jié)果送至上位機(jī)顯示。整個(gè)電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔緊湊，抗干擾能力強(qiáng)。

　　AD5933的初始化參數(shù)需寫入AD5933片內(nèi)寄存器[3]。由于單片機(jī)STC89C52內(nèi)部無I2C接口，需用單片機(jī)的兩個(gè)I/O口來實(shí)現(xiàn)總線接口，其中一個(gè)模擬SDA數(shù)據(jù)線的時(shí)序，另一個(gè)模擬SCL信號(hào)線的時(shí)序，完成與AD5933通信[4]。

　　3 軟件設(shè)計(jì)

　　上位機(jī)軟件能實(shí)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(tái)下進(jìn)行開發(fā)的。實(shí)現(xiàn)設(shè)置起始頻率及步進(jìn)頻率后，可以繪制頻率范圍內(nèi)所測(cè)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(jì)流程圖如圖1所示。

　　4 系統(tǒng)性能測(cè)試結(jié)果

　　通過測(cè)試，部分結(jié)果如表2~表4所示，此處電阻測(cè)試激勵(lì)源頻率為10 kHz，電容測(cè)試激勵(lì)源頻率為30 kHz，激勵(lì)信號(hào)幅值設(shè)定均為2 V。誤差計(jì)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(yùn)用MATLAB進(jìn)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(jìn)行測(cè)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(cè)，外圍電路簡(jiǎn)單。測(cè)試結(jié)果表明，通過單片機(jī)控制AD5933測(cè)量精度較高，穩(wěn)定性好。設(shè)計(jì)中，標(biāo)定阻抗的選取對(duì)精度有很大影響，且軟件算法對(duì)測(cè)量值的校準(zhǔn)也非常重要。該設(shè)計(jì)對(duì)葡萄糖水溶液阻抗進(jìn)行多組多次測(cè)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(cè)方法做了鋪墊。

　　參考文獻(xiàn)

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