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(jī)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(jìn)行數(shù)字處理，測量結(jié)果通過I2C送至單片機(jī)，再由單片機(jī)與計算機(jī)上位機(jī)通信，計算機(jī)顯示該阻抗值。該儀器能實現(xiàn)電阻、電容、電感阻抗快速、準(zhǔn)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(jī)；上位機(jī)
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(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：
（1）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(jī)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(jī)顯示：設(shè)置起始頻率及步進(jìn)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(jìn)行1 024點的離散傅里葉運(yùn)算（DFT運(yùn)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(biāo)的阻抗的模和相角。
2.2 阻值計算與校準(zhǔn)
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(biāo)定電阻的測量范圍來優(yōu)化測量性能。理論上測量范圍標(biāo)定得越小，測量結(jié)果越準(zhǔn)確。表1給出了4個不同的電阻范圍標(biāo)定作為參考。
2.3 相角計算與校準(zhǔn)
首先對標(biāo)定電阻進(jìn)行測量，得到標(biāo)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(biāo)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(biāo)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(biāo)定電阻，每個頻率點上都要首先對標(biāo)定電阻進(jìn)行測量和計算，然后再以此為標(biāo)準(zhǔn)計算被測電阻[5]。單片機(jī)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(jī)顯示。整個電路設(shè)計簡潔緊湊，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(jī)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(jìn)行開發(fā)的。實現(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(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(jī)控制AD5933測量精度較高，穩(wěn)定性好。設(shè)計中，標(biāo)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(zhǔn)也非常重要。該設(shè)計對葡萄糖水溶液阻抗進(jìn)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(xiàn)
[1] 李靜，陳世利．基于AD5933的阻抗分析儀的設(shè)計和實現(xiàn)[J]．現(xiàn)代科學(xué)儀器，2009，4（2）：28-30.
[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(qiáng)，趙楠，等.用AD5933實現(xiàn)電導(dǎo)率測量的研究[J].機(jī)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