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论文研究-基于AD5934与MSP430的便携式阻抗测试系统 .pdf

发布时间：2022-05-30 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.32M 资料格式：pdf 举报 版权申诉
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    5 10 15 20 25 30 35 40 中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 基于 AD5934 与 MSP430 的便携式阻抗测试 系统# 崔朗福1,2，高爽1,2，郭星1,2，桑胜波1,2** （1. 太原理工大学 信息工程学院 微纳系统研究中心，山西 太原 030024； 2. 太原理工大学，新型传感器与智能控制教育部和山西省重点实验室，山西 太原 030024） 摘要 ：本文基于 AD5934 与 MSP430F169 设计了一款便携式阻抗测系统，该系统以 MSP430F169 作为主控芯片，通过 I²C 控制阻抗测试模块完成阻抗的测量，并通过按键控制 操作过程，测试结果通过液晶显示器显示。阻抗测试芯片 AD5934 具有高度集成化，低成本 的特点，可实现阻抗的精准测量；主控芯片 MSP430F169 具有低功耗，效率高，片内资源丰 富的优点。该系统与当前的阻抗测试仪相比具有体积小、低功耗、效率高、精度准、成本低 等优点，可应用于普通电阻电容、水电导率、生物复阻抗等的测量。通过对 LC 串并联回路 的测量实验表明：该系统能较为精确的测量出不同频率下的阻抗值，与理论值误差不大。 关键词：便携式；阻抗测量；AD5934；MSP430F169 中图分类号：TP394.1；TH691.9 Portable Detection System of Impedance Based on AD5934 and MSP430 CUI Langfu1,2, GAO Shuang1,2, GUO Xing1,2, SANG Shengbo1,2 (1. Micro-Nano System Research Center, College of Information Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China; 2. Key Laboratory of Advanced Transducers and Intelligent Control System of the Ministry of Education, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China) Abstract: In this paper, a portable measurement system of impedance based on AD5934 and MSP430F169 is presented.The system takes MSP430F169 as the control chip, completes impedance measure by the I2C controlled impedance test module.It controls operation with buttons.The test results display via the LCD. AD5934, an impedance test chip , is highly integrated and with cheap price.It can measure impedance precisly; MSP430F169 has advantages of low power consumption, high efficiency and rich on-chip resources. This system has advantages of smaller size, lower power consumption, higher efficiency, higher accuracy and lower cost compared with the current impedance meter. It can be applied to the measurements of ordinary resistors and capacitors, water conductivity, biological and other complex impedance. The test experiments of the LC series parallel circuit shows that the system can measure the impedance of different frequency accurately, and the testing error is not big. Key words: Portable; Impedance Measurement; AD5933; MSP430F169 0 引言 阻抗的测量已普遍应用于化工、生物、医学、农业等科研与生产的各个领域[1]。随着生 产与科研的不断深化，对阻抗测量的精度与效率的要求也越来越高[2]。阻抗的测量方法主要 有电桥法、谐振法、电压-电流法、阻抗频谱法等。谐振法依赖 RLC 串并联电路在共振状况 的物理行为来测量元件的阻抗，接近于元件的实际使用条件，因此测量值比较符合实际情况， 基金项目：高等学校博士学科点专项科研基金（ 20131402110013， 20111402120007）；大学生创新创业 训练计划(2013060) 作者简介：崔朗福（1992-），男，本科毕业，研究生在读，主要研究方向：嵌入式设计 通信联系人：桑胜波（1979-），男，副教授，研究方向主要为生物微机电系统(BioMEMS)、可再生能源. E-mail: sangshengbo@tyut.edu.cn - 1 -
    45 50 55 60 65 70 中国科技论文在线 本系统采用谐振法测量阻抗[3]。 http://www.paper.edu.cn 传统的阻抗测试系统体积大，价格昂贵，操作复杂，如安捷伦公司的阻抗/网络分析仪。 随着科技的进步，电子、物理和材料等领域的研究进展使片上系统技术成为可能[4]，ADI 公 司生产的阻抗测试芯片 AD5934 具有高度集成化，低成本的特点[5][6]，其内部集成了 DDS、 DAC、抗混叠滤波器、ADC、DSP、I-V 转换器，从而使阻抗测量能够在单片系统上完成。 因此设计一款便携式、高精度、低功耗、低价格的阻抗测试系统成为了可能。本文介绍一种 便携式的主抗测试系统，该系统统以 MSP430F169 单片机为主控芯片，利用 AD5934 芯片构 成阻抗测试模块，既可以实现对阻抗的高精度测量，同时又能满足低功耗、便携式、价格低 的要求。 1 系统硬件设计 系统的硬件结构如图 1，整个系统可分为电源模块（ADP3303）、控制器 MSP430F169 模块、阻抗测量 AD5934 模块、液晶显示模块（LCD12864）、按键控制模块、串口通信模 块(MAX232)。 图 1 系统硬件结构图 Fig. 1 The system block diagram 键盘控制 MSP430F169 通过 总线[7]将控制指令写入 AD5934 的控制寄存器，控制寄存 器决定 AD5934 的工作状态。AD5934 产生特定频率的正弦信号以激励待测复阻抗，外部复 阻抗的响应信号由片上 A/D 转换器 ADC 进行采样，然后片上集成的 DSP 对 ADC 采回的数 据进行离散时间傅里叶变换（DFT）处理，得出被测物的实部和虚部。当扫频结束后再将测 量阻抗的实部和虚部数据通过 总线发送至单片机。单片机采用异步串行通讯，通过 URXD1、 UTXD1 端口利用 MAX232 芯片与上位机 USB 接口通信，将数据发送至上位机便于用户处 理[8]。同时单片机内部会对数据进行处理，通过其它部分 I/O 端口与 LCD12864 液晶连接通 信，最终将测量结果在液晶上显示出来[9]。 1.1 阻抗测量模块 如图 2，阻抗测试模块以 AD5934 为核心。AD5934 是一款高精度的阻抗测量芯片, 它 在片上集成了数字频率（DDS）波形发生器；12 位，250KSPS 用于测量响应的数模转换器 （DAC）；以及可对 ADC 采样的数据进行 1024 点离散时间傅里叶变换(DFT)的 DSP。频率 合成器 DDS 根据需要产生特定频率的正弦信号以激励待测复阻抗，外部复阻抗可以呈阻性、 感性、容性或它们的组合，外部复阻抗的响应信号由片上 A/D 转换器 ADC 进行采样，为了 保证系统的线性特性，同时避免响应信号超过 ADC 的量程，因此在测量时需要外接反馈电 - 2 -
    75 80 85 90 95 100 中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 阻，反馈电阻的选择根据测量阻抗的范围计算得出，然后片上集成的 DSP 对 ADC 采回的数 据进行离散时间傅里叶变换（DFT）处理。DFT 算法在每个频率上返回一个实部（R）数据 字和一个虚部（I）数据字。校正后，可以计算扫描轨迹上的每个频点的阻抗幅值和阻抗的 相对相位，计算方法如下 Magnitude R y )(  RI Phase Y )( arctan( /  Magnitude(Y)表示模值,Phase(Y)表示相位,R、I 分别表示实部和虚部。模值是待测物阻 抗在该频率信号激励下的复数阻抗值，一个频率点的测量完成之后，根据频率增量的设置， I )  2 2 , 改变激励信号频率（频率增加），测量下一个频率点，循环上述步骤，直至达到设定频率的 上限，最终可以得到不同频率下的模值以及相应的频率与阻抗的关系曲线，从而实现阻抗谱 的测量。 由于 AD5934 在输出正弦信号时会产生直流分量，同时四种幅值正弦交流电压对应四种 输出阻抗( )，这显然会影响小阻抗测量的精度，因此需要在外围采用信号调理电路来消除直 流分量及输出阻抗对测量的影响[10]。信号调理电路模块采用低噪声、轨道轨输入输出、双 路 CMOS 运算放大器 AD8606[11]优化信号路径从而消除 AD5934 的输出阻抗对阻抗测量的 影响。同时反馈电阻 RFB 根据不同的测量范围选择不同的阻值，芯片时钟由外部晶振提供。 图 2 AD5934 芯片及外围电路图 Fig. 2 Circuit of AD5934 chip 1.2 单片机控制模块 MSP430F169 单片机及外围电路组成整个系统的控制模块。MSP430 系列单片机是美国 TI 公司生产的 16 位超低功耗单片机，其片上集成了丰富的片内外设，片内资源有看门狗 （WDT）、模拟比较器 A、定时器 A0、定时器 A1、定时器 B0、UART、SPI、I2C、硬件 乘法器、液晶驱动器、10 位/12 位 ADC、16 位 Σ-Δ ADC、DMA、I/O 端口、基本定时器、 实时时钟（RTC）和 USB 控制器等。同时较低的电源电压和灵活而可控的运行时钟方面的 设计使其可实现低功耗。MSP430F169 单片机片上集成了 64KB 的 FLASH ROM 和 2KB 的 RAM，电源电压为 1.8~3.6V,16 位 RISC 结构，125ns 指令周期，6 个 8 位并行端口，超低功 耗，5 种节电模式，硬件乘法器，具有丰富的片内资源从而无需扩展 RAM，片内具有双通 道的串行数据接口（USART 模块），可以实现 UART，SPI 和 I2C 三种通信模式。丰富的片 - 3 -
    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 内外设及低功耗的特点，是整个系统具有低功耗，功能强，效率高的特点。 2 系统软件设计 105 依据 AD5934 的工作原理设计单片机控制程序，完成频率扫描和阻抗分析的工作，然后 将测量结果通过 I2C 总线发送至 MSP430F169 单片机，单片机对发回的测量结果进行分析处 理后显示在液晶上，或传至上位机。程序流程如图 3 所示。 110 115 图 3 系统软件设计流程图 Fig. 3 The program flow chart of the software 3 实验结果及分析 利用该系统分别用其对具有代表性的 LC 串联和并联电路进行测试，该电路模型亦可模 拟生物复阻抗[12]。如图 4 电路的等效模型，电感 L、电容 C 串联后加在 VOUT 与 VIN 引脚 上，其电阻 R 由 L、C 本身的特性产生，测试 A、B 两端的阻抗。 图 4 RLC 串联电路图 Fig. 4 Circuit of series RLC 则 LjRZ  (   120 阻抗的值最小，此时 f  | , Z |  )1 C   2   2 R  (   L 2 )1 C  。当 L   1 C  ，即  LC 时， 1 LC [13]。而当阻抗的值最小时，对应的频率为谐振频 2 率，或者说当电路的频率达到电路的谐振频率时，电路的阻抗值最小。实验时回路中串联， 100μH 电感，10μF 电容，此时根据 f  测量结果如表 1。  2   2 1 LC ，当频率为 50329Hz 时阻抗值最小， - 4 -
    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 125 表 1 测试结果 Tab. 1 Test results 激励频率/kHz 10 15 20 25 30 35 40 45 阻抗值/Ω 123.57 118.25 113.36 109.07 105.33 101.71 98.28 94.05 激励频率/kHz 50 55 60 65 70 75 80 85 阻抗值/Ω 90.16 90.42 96.50 104.12 111.67 119.22 126.83 134.21 频率与阻抗的对应曲线如图 5 所示。 130 135 Fig. 5 LC series circuit impedance and the characteristic of frequency variation 图 5 LC 串联回路阻抗与频率变化特性 由图及测量数据可知当激励信号频率为 50350Hz 时，对应阻抗的最低点，即谐振频率 点频率绝对误差为 21HZ，相对误差为 0.04%。 4 结论 本文设计了一款将低功耗，效率高，片内资源丰富的 MSP430F169 芯片与低成本、高度 集成化的阻抗测试芯片 AD5934 相结合的便携式阻抗测试系统。不仅可以测量待测物的阻 抗值，而且可以测量其共振频率，反应频率与阻抗的变化关系。其中共振频率测量相对误差 。 该系统可应用于普通的未知阻抗的测量，也可通过生物复阻抗模型测量生物复阻抗，应用广 泛，整个系统体积小，功能较为完善，设计制作成本低，智能化程度高，测量结果比较精准， 充分体现了系统设计的优越性。 140 [参考文献] (References) J.Ferreira,F.Seoane,A. Ansede, etal. AD5933-Based Spectrometer [1] 产品信息.阻抗分析仪的阻抗测量和作用[J].广播电视技术，2001(2)：137-138 [2] 郭兴明，彭承林，唐敏.生物阻抗测量系统的研究[J].电子技术应用,1995,(11):13-15 [3] 李静，陈世利，靳世久.基于 AD33 的阻抗分析仪的设计和实现[J].现代科学仪器，2009,(4):28-29 [4] Applications[J].Journal of physis:conference series,2010,224:1742-6569. [5] Jerzy Hoja,Grzegorz Lentka. Interface circuit for impedance sensors using two specialized single-chip microsystems[J].Journal of Sensors and Actuators A: Phsical,2010,163:191-197 [6] Lin Yan,Liu Wen Ding. Low-power Design of MSP430F149[A].IEEE International Coference on CASE[C].2011,1:252-254 [7] 苏建志，王冰峰.I2C 总线及其应用[J].现代电子技术，2004, 27(22):22-24 [8] 佟宁，王彦华.MSP430 系列单片机的异步串行通讯应用[J].微处理机，2004，(2):44-46 [9] 邹江峰，刘涤尘.MSP430 在液晶显示上的应用[J],液晶与显示，2005, 20(2):159-163 [10] 温 新 华 ， 颜 小 飞 ， 安 东 . 基 于 AD5933 的 便 携 式 阻 抗 仪 研 制 [J], 智 能 仪 表 与 传 感 器 技 术 ， 2013,21(4):1090-1092 Impendance Measurement System Based on for Electrical Bioimpedance 145 150 155 - 5 -
    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn [11] Analog Devices，Inc[Z] .ADN2850，Data Sheet,2002. [12] 刘俊霞.基于虚拟仪器的生物阻抗测量平台[D].天津：天津大学，2005. [13] 张宁宁.RLC 串/并联谐振电路的特性分析及应用[J]，价值工程.2012, 31(14):36-37 - 6 -
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