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)設計采用阻抗測量芯片AD5933，以低功耗高性能處理器STC89C52單片機作為控制器,。該檢測儀采用AD5933中的數(shù)字頻率合成器（DDS）產生激勵信號,，施加在待測阻抗上，ADC采集相應信號并送到片內DFT模塊進行數(shù)字處理,，測量結果通過I2C送至單片機,，再由單片機與計算機上位機通信，計算機顯示該阻抗值,。該儀器能實現(xiàn)電阻,、電容、電感阻抗快速,、準確地測量,，經實驗驗證，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,，相關系數(shù)大于0.99,。

　　關鍵詞： AD5933,；阻抗檢測；STC89C52單片機,；上位機

　　目前,，全世界已有3.66億糖尿病患者，國內該病群體規(guī)模也已超過9 240萬人,，所以,，為了控制疾病，防止并發(fā)癥,，經常測量血糖水平是必不可少的?，F(xiàn)今醫(yī)院中最常用的檢測血糖的方法是采集血樣，處理后加入相關反應試劑,，之后再用大型的生化檢測設備進行分析,。這種方法雖然準確，但由于過程繁瑣,、操作復雜,、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,。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設計了新型阻抗檢測儀,，簡化了電路設計,，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：

　?。?）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）上位機顯示：設置起始頻率及步進頻率后,，可以繪制所測得的阻抗模值及相位與頻率的關系圖。

　　2 硬件設計

　　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)轉換器）,。激勵電壓輸出由直接數(shù)字合成器（DDS）產生，可在最高輸出頻率（100 kHz）以內的任意指定頻率上發(fā)出激勵信號,，通過可設置增益的前置放大器后激勵外部電阻,，電阻上得到的響應信號被ADC采樣，并通過片上的DSP進行1 024點的離散傅里葉運算（DFT運算）,。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的阻抗的模和相角。

　　2.2 阻值計算與校準

　　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定電阻的測量范圍來優(yōu)化測量性能,。理論上測量范圍標定得越小，測量結果越準確,。表1給出了4個不同的電阻范圍標定作為參考,。

　　2.3 相角計算與校準

　　首先對標定電阻進行測量，得到標定電阻的相角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,。若R<0,，I>0，則說明在第二象限內,，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，所以計算時要把相角減去180°,。

　　2.4 系統(tǒng)整體設計

　　該電路電源部分采用5 V USB供電,，在AD5933的RFB和VIN之間接入標定電阻，VIN和VOUT之間接入待測電阻,。測量之前預估一下待測電阻所在的范圍,，選擇相應標定電阻,，每個頻率點上都要首先對標定電阻進行測量和計算，然后再以此為標準計算被測電阻[5],。單片機通過I2C和AD5933通信,，讀取測量結果和實現(xiàn)控制，同時把結果送至上位機顯示,。整個電路設計簡潔緊湊,，抗干擾能力強。

　　AD5933的初始化參數(shù)需寫入AD5933片內寄存器[3],。由于單片機STC89C52內部無I2C接口,，需用單片機的兩個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 軟件設計

　　上位機軟件能實現(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平臺下進行開發(fā)的。實現(xiàn)設置起始頻率及步進頻率后,，可以繪制頻率范圍內所測得的阻抗模值及相位與頻率的關系圖,。

　　系統(tǒng)主程序設計流程圖如圖1所示。

　　4 系統(tǒng)性能測試結果

　　通過測試,，部分結果如表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,。運用MATLAB進行線性最小二乘擬合,，得到y(tǒng)=2 692 600x+200，線性相關系數(shù)為0.999 4,。

　　在不同條件下進行測試,，葡萄糖濃度與阻抗值呈線性關系，相關系數(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,。測試結果表明,，通過單片機控制AD5933測量精度較高,，穩(wěn)定性好。設計中,，標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也非常重要。該設計對葡萄糖水溶液阻抗進行多組多次測試,，得出葡萄糖濃度與阻抗值呈線性關系,，為探尋新的血糖檢測方法做了鋪墊。

　　參考文獻

　　[1] 李靜,，陳世利．基于AD5933的阻抗分析儀的設計和實現(xiàn)[J]．現(xiàn)代科學儀器,，2009，4（2）：28-30.

　　[2] 任超世．生物電阻抗測量技術[J]．中國醫(yī)療器械信息,，2004,，10（1）：21-25.

　　[3] 崔傳金，郭志強,，趙楠,，等.用AD5933實現(xiàn)電導率測量的研究[J].機電工技術，2008,，37（4）：44-47.

　　[4] 沙占友.智能傳感器系統(tǒng)設計與應用[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，2002,，136（5）：24-25