电阻抗成像硬件系统的模块化设计

摘要

电阻抗成像技术（Electrical Impedance Tomography，简称EIT）是西方发达国家从二十世纪七十年代末开展并迅速发展起来的一门新兴技术，目前主要有两大应用领域：工业过程电阻抗成像和医学电阻抗成像。EIT技术是一种可视化、非侵入、低成本、无辐射的检测技术，已成为工业检测和医学检测领域的研究热点。本文初步探讨了EIT系统应用于蔗糖厂煮糖罐内糖液浓度变化可视化检测。
　　 电阻抗成像系统主要包括成像传感器、电子测量电路和图像重建算法等。本文在前人研究工作的基础上，对电阻抗成像硬件系统各个模块进行了研究，主要完成了以下工作：
　　 1．介绍了电阻抗成像硬件系统的性能需求和发展趋势。在对比分析了EIT硬件系统的结构、传感器电极的激励与测量模式、DSP处理器以及电极数目等多种方案的基础上，给出了电阻抗成像硬件系统的总体框架，并对系统核心器件选型作了详细的分析。
　　 2．本文根据模块化思想设计并实现了一种基于DSP的多频电阻抗成像系统的硬件结构，并且对各核心模块及关键电路的设计进行了深入的分析。对系统的稳定性进行了评估实验；同时，设计了一种适用于电阻抗成像系统的传感器阵列，并讨论了设计和安装的过程。
　　 3．设计了一套基于DSP的多频电阻抗成像系统的数据采集方案，并且编写了电阻抗成像系统的数据采集软件，这套软件可以实现与计算机的通讯。
　　 4．对电阻抗成像硬件系统的各个功能模块进行了集成调试，一系列的实际硬件调试结果和实验结果表明，所设计的系统是可行的。

目录

文摘

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第一章绪论

1.1电阻抗成像技术概述

1.1.1电阻抗成像技术的基本原理

1.1.2电阻抗成像的技术难点

1.2课题研究的背景和意义

1.3课题的国内外研究现状

1.4课题的研究内容和文章结构安排

1.4.1课题的研究内容

1.4.2文章的结构安排

第二章电阻抗成像硬件系统的总体设计方案研究

2.1 EIT硬件系统设计方案选择

2.1.1 EIT硬件系统结构选择

2.1.2电极激励与测量模式的选择

2.1.3处理器选型

2.1.4电极数目的选择

2.2系统设计要求及总体设计思想

2.2.1系统设计要求

2.2.2系统总体设计思想

2.3系统的总体框架

2.4本章小结

第三章电阻抗成像系统的硬件电路分析与设计

3.1传感器的设计与制作

3.1.1传感器结构的分析

3.1.2传感器结构的设计

3.1.3传感器的安装

3.2多频恒流源模块设计

3.2.1正弦波信号源

3.2.2 V/I转换电路

3.3电极选通模块的设计

3.3.1电流注入模块

3.3.2电压测量模块

3.4信号处理模块设计

3.4.1前置差分放大电路设计

3.4.2信号解调电路设计

3.4.3滤波电路设计

3.5数据采集与通信模块设计

3.5.1控制采集方案设计

3.5.2 A/D转换设计

3.5.3系统与PC机的通信设计

3.6印刷电路板设计中的抗干扰考虑

3.7本章小结

第四章电阻抗成像系统信号处理软件编程

4.1正弦波信号源的软件设计

4.1.1正弦波信号源主程序设计

4.1.2正弦波信号子程序设计

4.1.3键盘子程序设计

4.1.4液晶子程序设计

4.2电阻抗成像系统信号采集软件设计

4.2.1系统软件主程序设计

4.2.2电极选通模块程序设计

4.2.3 A/D转换子程序设计

4.2.4 SCI串口数据发送子程序设计

4.3本章小结

第五章电阻抗成像硬件系统的实验结果与分析

5.1电阻抗成像系统实验装置构成描述

5.2软硬件联合调试

5.3多频恒流源模块测试结果

5.3.1七阶椭圆低通滤波器的滤波效果

5.3.2正弦波信号源的测试

5.3.3 V/I转换电路测试

5.3.4电流信号输出效果

5.3.5多频恒流源总体性能指标

5.4信号处理模块测试

5.5数据采集与通信模块测试

5.6电阻抗成像硬件系统整机测试结果

5.6.1系统采集速度的估算

5.6.2系统分辨率的估算

5.7监测煮糖浓度的实验研究

5.7.1糖溶液电特性分析

5.7.2模拟糖溶液部分区域结晶的可视化监测

5.8两相流成像实验研究

5.9系统误差来源分析

5.10本章小结

第六章总结与展望

6.1工作总结

6.2未来工作展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间已发表、录用论文及参与科研项目情况