【实例讲解】鱼体复阻抗测量系统设计 - 基础学习

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【实例讲解】鱼体复阻抗测量系统设计

2010-03-18 18:04:18 admin 浏览:2391次【大中小】

11.2 鱼体复阻抗测量系统设计

现代智能化仪器仪表的设计，在很大程度上是软件设计。对于同一个硬件电路，配以不同的软件，实现的功能也就不同，而且有些硬件电路的功能可用软件来实现。虚拟仪器的主要特点就是体现了“软件就是仪器”这一思想，它以特定的软件取代相应的硬件电路，充分利用计算机软硬件资源，用计算机完成传统仪器硬件的部分以至于全部功能，它是传统仪器功能和外形的模块化和软件化。利用虚拟仪器可以快速组建测控系统，将原来示波器、信号发生器、电压表等人们所熟悉的常规仪器，通过模块化的功能软件，集成到一个系统中，完成特定的分析任务。

利用虚拟仪器采用“软件就是仪器”的思想，只需要开发不同功能的程序代替硬件，就可以节约大量的硬件成本。本节具体介绍鱼体复阻抗测量系统的设计过程。

11.2.1 实例内容说明

1．系统组成结构

典型的虚拟仪器测试系统的工作流程为：传感器检测到被测信号，将其转化为电量信号；信号处理电路将电量信号进行放大、滤波、检波处理后，变成标准信号；数据采集卡采集到信号处理电路的电量信号，转换为计算机所能处理的数字信号；通过驱动程序将数字信号输入计算机；基于虚拟仪器平台，调用数字信号处理程序，得到测试结果。

本节采用虚拟仪器LabVIEW来组建鱼体复阻抗测量系统，系统的示意图如图11-19所示。该测量系统主要包括基于虚拟仪器的信号发生器、信号采集模块、复阻抗信息提取模块和测量数据保存模块。

测试示意图

图11-19 鱼体复阻抗测量系统示意图

2．系统功能

该系统能快速实现鱼体复阻抗信号的采集和复阻抗特征参数的提取，并对相位角提取算法进行研究分析和自动保存文件。该测量系统能在2s内快速检测和分析单频率的鱼体复阻抗信息，在100Hz~100 kHz内采用每倍频10点扫频激励，并能在30~50s内实现鱼体复阻抗谱的测量和记录。

11.2.2 软件设计流程

本例通过NI公司的LabVIEW软件开发阻抗测量系统，软件设计流程如图11-20所示，测量系统界面如图11-21所示，

图11-20 测量系统流程图

图11-21 鱼体复阻抗测量系统界面

11.2.3 基于虚拟仪器的信号发生器

生物阻抗具有频率特性，Schwan在研究生物组织频率特性时发现生物组织内存在三个不同的频率散射，分别称为α、β和γ散射，其对应的频段为音频频段（几Hz~几十kHz）、射频频段（几十kHz~几十MHz）及微波频段（几十MHz以上），其中在音频频段和射频频段的生物组织介电特性可以同时反映出细胞内、外液体的特征，可以将这两个频段作为生物阻抗测量的激励频率范围来分析生物体特性。为了研究鱼体复阻抗的变化规律，需要在一个较宽泛的频率范围内进行研究，并且信号参数必须可调，为此开发了基于虚拟仪器的程控信号发生器，可实现自动扫频测量，以研究鱼体复阻抗特性变化规律。

1．程控信号发生器的选择和设计

为了保证信号的波形失真小，幅值稳定，可以方便调节信号的频率和幅值，并能实现快速在不同频率、幅值下研究鱼体复阻抗信息，本例采用了泰克公司的AFG 3022信号发生器，该信号发生器标准接口为USB 1.1 GPIB、LAN 10Base-T/100Base-TX、USB 1.1。本实例通过USB接口或网线与计算机相连，采用VISA可视化仪器软件结构（该软件结构可到NI和Tektronix公司网站下载），在LabVIEW平台下编写自定义的扫频程序。基于虚拟仪器的程控信号发生器前后面板如图11-22和图11-23所示，将它作为一个子VI，可集成在鱼体复阻抗测量系统中，实现输出信号可调的信号发生器。

图11-22 程控信号发生器的前面板

图11-23 基于AFG 3022的程控信号发生器后面板

2．扫频频率的设计

根据Cole-Cole理论模型，对生物组织的阻抗特性的研究需要在0 ~ ¥Hz的频率范围内进行，但在实际测量中，由于鱼体组织会随死亡时间的延长而发生一定变化，如僵硬、解僵、腐败等，这要求对鱼体复阻抗的一次扫频测量必须在足够短的时间内完成，因此对鱼体复阻抗特性的研究也只能在有限个频率点上进行。由于该研究项目的目的是利用鱼体的复阻抗特性的变化规律来评价鱼体新鲜度，只需要知道鱼体复阻抗与鱼体腐败评价的化学指标的关系，为此采用了对数等距扫频法和准线性扫频法来研究鱼体复阻抗特性，并将这两种方法作为子VI来控制泰克信号发生器产生指定的信号，实现自动扫频。这两种扫频方法具体实现过程如下：

（1）准线性扫频法（Quasi-linear Frequency Method），是在每十倍频程内等几何间距的原则设置N（试验时取N=10）个频率，如在10~100Hz的十倍频程内，扫频频率设为10，19，28，37，26，55，64，73，82，91Hz；在其他十倍频程内，如10kHz~100kHz，扫频频率为上述频率值乘以10ⁱ（i=1~3）。基于准线性扫频法的虚拟仪器子VI如图11-24所示。

（2）对数等间距扫频法（Logarithmic Frequency Method），是在对数频率轴上频率点等几何间距分布，如在10~100Hz的十倍频程内，扫频频率设为10，12.6，16.0，20.3，25.7，32.6，41.2，52.2， 66.1，83.8Hz；在其他十倍频程内，如10kHz~100kHz，扫频频率为上述频率值乘以10ⁱ（i=1~3），基于对数准线性扫频法的虚拟仪器子VI如图11-25所示。

图11-24 基于准线性扫频法的频率输出程序

图11-25 基于对数扫频法的频率输出程序

11.2.4 数据采集模块

图11-26所示为数据采集模块的结构。在采集数据之前，程序要对采集板卡初始化，板卡上和内存中的Buffer是数据采集存储的中间环节。需要注意的两个问题是：是否使用Buffer；是否使用外触发启动、停止或同步一个操作。

图11-26 数据采集系统结构

这里的Buffer（缓冲）指的是计算机内存的一个区域（不是数据采集卡上的FIFO缓冲），它用来临时存放数据。例如，你需要每秒采集几千个数据，而在1s内显示或图形化所有数据是困难的。但是如果将采集卡的数据送到Buffer，你就可以先将它们快速存储起来，稍后再重新读出它们而进行显示或分析。需要注意的是Buffer与采集操作的速度及容量有关。如果你的卡有DMA功能，模拟输入操作就有一个通向计算机内存的高速硬件通道，这就意味着所采集的数据可以直接送到计算机的内存。

不使用Buffer意味着对所采集的每一个数据都必须及时处理（图形化、分析等），因为没有地方可以保存那些你着手处理的数据之前的若干数据点。

下列情况需要使用Buffer I/O：

— 需要采集或产生许多样本，其速率超过了实际显示、存储到硬件，或实时分析的速度。

— 需要连续采集或产生AC数据（>10样本／秒），并且要同时分析或显示某些数据。

— 采样周期必须准确、均匀地通过数据样本。

下列情况可以不使用Buffer I/O：

— 数据组短小，例如每秒只从两个通道之一采集一个数据点。

— 需要缩减存储器的开支。

触发（Triggering）涉及初始化、终止或同步采集事件的任何方法。触发器通常是一个数字或模拟信号，其状态可确定动作的发生。软件触发最容易，你可以直接用软件，例如使用布尔面板去启动/停止数据采集。硬件触发则是由板卡上的电路管理触发器，控制采集事件的时间分配，有很高的精确度。硬件触发可进一步分为外部触发和内部触发。当某一输入通道发生一个指定的电压电平时，让板卡输出一个数字脉冲，这是内部触发。采集卡等待一个外部仪器发出的数字脉冲到来后初始化采集卡，这是外部触发。许多仪器提供数字输出（常称为“trigger out”）用于触发特定的装置或仪器，在这里，要触发的装置就是数据采集卡。

在以下情况下使用软件触发：

— 用户需要对所有采集操作有明确的控制，并且事件定时不需要非常准确。

下列情况使用硬件触发：

— 采集事件定时需要非常准确。

— 用户需要削减软件开支。

— 采集事件需要与外部装置同步。

1．差分测量系统（DEF）

鱼体复阻抗特征参数（阻抗幅值和相位）的准确提取，需要同步采集参考电阻与鱼体电压电极上的信号，这样才能准确测量鱼体复阻抗特征参数。为了抑制共模信号，采用差动输入接法，如图11-27所示。

一个理想的差分测量系统仅能测出（+）和（-）输入端口之间的电位差，完全不会测量到共模电压。然而，实际应用的板卡却限制了差分测量系统抵抗共模电压的能力，数据采集卡的共模电压的范围限制了相对于测量系统地的输入电压的波动范围。共模电压的范围关系到一个数据采集卡的性能，因此必须采用一些方法来消除共模电压的影响。如果系统共模电压超过允许范围，需要限制信号地与数据采集卡的地之间的浮地电压，以避免测量数据错误。

2．参考地单端测量系统（RSE）

一个RSE测量系统，也叫做接地测量系统，被测信号的一端接模拟输入通道，另一端接系统地AIGND。图11-28描绘了一个16通道的RSE测量系统。

图11-27 差分测量系统图11-28 参考地单端测量系统

3．无参考地单端测量系统（NRSE）

在NRSE测量系统中，信号的一端接模拟输入通道，另一端接一个公用参考端，但这个参考端电压相对于测量系统的地来说是不断变化的。图11-29说明了一个NRSE测量系统，其中AISENSE是测量系统的公共参考端，AIGND是系统的地。

图11-29 无参考地单端测量系统

4．选择合适的测量系统

两种信号源和三种测量系统一共可以组成六种连接方式：

	^接地信号	^浮动信号
^差分	^*	^*
^RSE		^**
^NRSE	^*	^*

其中，不带*号的方式不推荐使用。一般说来，浮动信号和差动连接方式可能较好。但实际测量时还要看情况而定。

（1）测量接地信号

测量接地信号最好采用差分或NRSE测量系统。如果采用RSE测量系统，将会给测量结果带来较大的误差。图11-30展示了用一个RSE测量系统去测量一个接地信号源的弊端。在本例中，测量电压Vm是测量信号电压Vs和电位差DVg之和，其中DVg是信号地和测量地之间的电位差，这个电位差来自于接地回路电阻上的压降，可能会造成数据错误。接地回路通常会在测量数据中引入频率为电源频率的交流和偏置直流干扰。一种避免接地回路形成的办法就是在测量信号前使用隔离方法，测量隔离之后的信号。

如果信号电压很高，并且信号源和数据采集卡之间的连接阻抗很小，也可以采用RSE系统，因为此时接地回路电压相对于信号电压来说很小，信号源电压的测量值受接地回路的影响可以忽略。

（2）测量浮动信号

浮动信号可以用差分、RSE、NRSE方式测量。在差分测量系统中，应该保证相对于测量地的信号的共模电压在测量系统设备允许的范围之内。如果采用差分或NRSE测量系统，放大器输入偏置电流会导致浮动信号电压偏离数据采集卡的有效范围。为了稳住信号电压，需要在每个测量端与测量地之间连接偏置电阻，如图11-31所示。这样就为放大器输入到放大器的地提供了一个直流通路。这些偏置电阻的阻值应该足够大，使得信号源可以相对于测量地浮动。对低阻抗信号源来说，10kW到100kW的电阻比较合适。

如果输入是直流信号，就只需要用一个电阻将“-”端与测量系统的地连接起来。然而如果信号源的阻抗相对较高，从免除干扰的角度而言，这种连接方式会导致系统不平衡。在信号源的阻抗足够高的时候，应该选取两个等值电阻，一个连接信号高电平（+）到地，一个连接信号低电平（-）到地。如果输入是交流信号，就需要两个偏置电阻，以达到放大器的直流偏置通路的要求。

总的来说，不论测量接地还是测量浮动信号，差分测量系统是很好的选择，因为它不但避免了接地回路干扰，还避免了环境干扰。相反的，RSE系统却允许两种干扰的存在，在所有输入信号都满足以下指标时，可以采用RSE测量方式：输入信号是高电平（一般要超过1V）；连线比较短（一般小于5m）并且环境干扰很小或屏蔽良好；所有输入信号都与信号源共地。当有一项不满足要求时，就要考虑使用差分测量方式。

本例采用NI公司的PCI-6133S型数据采集卡以便于系统的集成，该数据采集卡具有8路模拟同步差分输入功能，可以从硬件上保证计算精度，其主要技术指标如表11-1所示。数据采集卡与信号之间的接口采用NI公司的SCB-68、SCB-68是具有屏蔽作用的I/O接线盒，具有较好的抗干扰能力。

表11-1 PCI-6133s的主要技术指标

^模拟输入	^{最高采样率}^/Hz	^{输入分辨率}^/^位	^{输入电压范围}^/V	^数字^I/O/^位
⁸^路同步	^3M	¹⁴	^-10~+10	⁸

5．数据采集系统电路接线图

差分输入具有抑制共模信号、环境抗干扰能力强的优点，为此测量电压电极采集信号和参考电阻的信号都采用差分输入，鱼体复阻抗数据采集系统的电路接线图如图11-32所示。

图11-32 鱼体复阻抗数据采集系统的接线图

6．数据采集程序的设计

采用虚拟仪器构建测控平台，其最方便之处是数据采集程序简单，它提供了硬件标准的程序接口，囊括了PCI、GPIB、PXI、VXI、RS232/485、USB等各种仪器通信总线标准的所有功能函数，使得不懂得总线标准的开发者也能够驱动不同总线标准接口设备与仪器，工程师不需要懂得太多的编程技巧也可完成任务。由于虚拟仪器数据采集驱动已经发展到第三代，数据采集系统直接采用DAQmx驱动，更能缩短开发时间。

数据采集设置模块主要由DAQmx Create Virtual Channel、DAQmx Timing、DAQmx Start Task、DAQmx Read、DAQmx Clear Task这五个VI组成，简单的数据采集程序如图11-33所示，需要配置数据采集卡模拟通道、测量电压范围、采样频率和采样点。

图11-33 数据采集程序

尽管基于虚拟仪器的信号发生器已经产生了较精确的信号，但为了能更准确地提取鱼体复阻抗的信息，需要实现信号的精确整周期采样，就必须预采样一次以获取信号更精确的频率。本例使用LabVIEW自带的信号分析工具Tone Measurement提取频率，参数配置如图11-34所示，根据此频率调整采样率，实际使用的数据采集系统流程图如图11-35所示。

图11-34 Tone Measurement的参数配置

图11-35 数据采集流程图

11.2.5 信号分析模块

生物阻抗是一个复阻抗特性，可以表示成形式。信号幅值可以利用Tone Measurement.vi获取；求取相位角的方法比较多，前面的数字解调算法是一种比较常规的生物阻抗提取方法，很多学者还提出了很多其他数字解调算法，利用LabVIEW中的公式节点实现算法，而其内部使用C语言实现。

研究鱼体阻抗的相位角变化规律与鱼体贮藏品质的关系，需要准确获取相位角，因此本例除了采用前面介绍的数字解调方式获得相位差（程序中称为加标准正弦和余弦法，方法a），还根据自相关和互相关函数能求信号相位差特点采用了两种方法：利用阻抗信号和参考电阻直接求相位差（程序中称为直接相关法，方法b）和对测量信号乘以标准同频正弦信号进行相关求相位差（程序中称为加标准正弦法，方法c），还采用了LabVIEW自带的函数Tone Measurement.vi求相位角（程序中称为LabVIEW自带相位角法，方法d）以及利用Fourier级数将信号展开求基波系数来求相位差（程序中称为FFT法，方法e），各算法求相位差的程序框图如图11-36所示。

（a）加标准正弦和余弦法程序框图

（b）直接相关法程序框图

图11-36 相位差求取方法

（c）加标准正弦法程序框图

（d）LabVIEW自带相位角法程序框图

（e） FFT法程序框图

图11-36 相位差求取方法（续）

11.2.6 文件保存模块

根据Cole-Cole理论，需要扫频测量才能研究生物体的电特性，如果从10Hz~100kHz每十倍频扫频10点，则每次测量将产生40个文件，为了方便进行离线数据处理和分析，测量文件必须按照一定格式自动存储，我们研究设计了自动文件保存模块，可根据试验参数、试验次数、测量频率、测量时间自动为文件命名并生成通用的Excel文档，实现智能化检测，以原始数据保存为例，其LabVIEW程序如图11-37所示。