CN104931901B - 一种用于磁感应成像的信号激励和数据采集装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于磁感应成像的信号激励和数据采集装置及方法，包括发线圈Tn(T1‑Tn)、收发开关T/R、多路开关MUX、功率放大器PA和低噪声放大器LNA、信号发生器、0/90移相器、分频器、模数转换器A/D、基准电压和控制器MUC，功率放大器PA连接信号发生器的输出端，本发明使用单一激励信号，将激励信号作为模数转换的采样时钟，利用模数转换器直接完成零中频混频功能，采用单路时分正交模数采样方法，完成激励信号和检测信号的相位检测。本专利通过简单的数字方法降低模数转换数据率，就是同步降频采样。

Description

一种用于磁感应成像的信号激励和数据采集装置及方法

技术领域

本发明属于电磁传感器技术领域，具体地说，是一种用于磁感应成像的信号激励和数据采集装置及方法。

背景技术

磁感应成像技术依靠测量激励信号与测量信号的相位来完成测量的。由于较高频率的激励信号可以有更高的分辨率。而较高的激励频率给数字处理造成麻烦。

中国专利201510029290.7《一种相频特性检测器及检测相频特性的方法》使用的相位检测的核心是产品AD8032，AD8032的相位测量的分辨率为1度，而用于生物磁感应成像相位测量的分辨率要小于0.02度。

中国专利94192376.2《一种相位检测设备》中的13，是一般相位检测所采用的方法。这种传统方式由于混频器14的存在，造成系统温漂增大，严重影响系统应用于磁感应成像领域。

为了降低数字处理系统的复杂度，用于磁感应成像的相位检测一般采用降频技术，分别将参考信号和测量信号下变频以后比较低频的参考信号和测量信号的相位。这样就需要两个信号源，增加的系统功耗和复杂度。

这些都是制约磁感应成像技术实用化的因素，因此迫切需要一种低复杂度、高温度稳定性、高分辨率的相位检测方法。

发明内容

为了解决现有技术中混频导致系统温漂增大，降低系统功耗及简化装置的技术目的，本发明提出了一种用于磁感应成像的信号激励和数据采集装置。

为了实现本发明的目的，本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明公开了一种用于磁感应成像的信号激励和数据采集装置，装置包括收发线圈Tn(T1-Tn)、收发开关T/R、多路开关MUX、功率放大器PA和低噪声放大器LNA、信号发生器、0/90移相器、分频器、模数转换器A/D、基准电压和控制器MUC，控制器MCU分别与多路开关MUX分别与收发线圈Tn(T1-Tn)、收发开关T/R、多路开关MUX、功率放大器PA和低噪声放大器LNA、信号发生器、0/90移相器、分频器、模数转换器A/D、基准电压控制相连，功率放大器PA连接信号发生器的输出端，多路开关MUX包括多路开关MUX1、多路开关MUX2、多路开关MUX3、多路开关MUX4，收发线圈Tn包括n个收发线圈，信号发生器是单一激励信号的信号发生器。

作为进一步地改进，本发明所述的Tn通过MUX1与功率放大器PA连接时，是激励线圈，Tn通过MUX2与低噪声放大器LNA连接时，是检测线圈。

作为进一步地改进，本发明所述的同一个Tn是激励线圈或检测线圈，Tn与MUX1之间，Tn与MUX2之间，连接有收发开关T/R。

作为进一步地改进，本发明所述的收发线圈Tn的另一端通过MUX3连接激励源地或通过MUX4连接检测地。

作为进一步地改进，本发明所述的A/D时钟输入端接入了分频器，信号发生器输出和A/D转换之间接入了0/90移相器。

作为进一步地改进，本发明所述的基准电压与模数转换器A/D相连，低噪声放大器LNA的输出端与模数转换器A/D相连。

作为进一步地改进，本发明所述的方法采用信号发生器发出的单一激励信号，将激励信号作为模数转换的采样时钟，采用单路时分正交模数采样的方法，利用模数转换器A/D直接完成零中频混频。

本发明还公开了一种用于磁感应成像的信号激励和数据采集方法，具体步骤如下：

1)、高温度稳定性、低相位抖动的单一激励信号的信号发生器，送给功率放大器PA；

2)、控制器MCU控制多路开关MUX1和收发开关T/R，将功率放大器PA输出的激励信号送给激励收发线圈T1，控制器MCU控制多路开关MUX3将激励收发线圈T1连接到激励地，同时，控制器MCU控制多路开关MUX4断开激励收发线圈T1与检测地的连接，控制多路开关MUX2断开与低噪声放大器LNA的连接；

3)、控制器MCU控制多路开关MUX2和多路开关MUX4顺序将除收发线圈T1以外的T2、T3、T4…Tn连接的收发开关T/R连通到多路开关MUX2端，通过多路开关MUX2连接到低噪声放大器LNA，低噪声放大器LNA将放大的信号送给模数转换器A/D；

4)、控制器MCU首先控制0/90移相器工作在0相位状态，并设定时钟信号的分频参数，假设分频参数设定为1，装置将激励频率作为模数转换器A/D变换的时钟数字化测量信号；

5)、然后控制器MCU控制0/90移相器工作在90度相位状态，即将原采集信号时钟移相90度，再次采集检测信号，并对检测信号做数字化转换；

6)、完成此轮检测以后，控制器MCU控制多路开关MUX1和收发开关T/R，将功率放大器PA输出的激励信号送给激励收发线圈T2，控制器MCU控制多路开关MUX3将激励收发线圈T2连接到激励地，同时，控制器MCU控制多路开关MUX4断开激励收发线圈T2与检测地的连接，控制多路开关MUX2断开与低噪声放大器LNA的连接；

7)、控制器MCU控制多路开关MUX2和多路开关MUX4顺序将除收发线圈T2以外的T3、T4…Tn、T1连接的收发开关T/R连通到多路开关MUX2端，通过多路开关MUX2连接到低噪声放大器LNA，低噪声放大器LNA将放大的信号送给模数转换器A/D；

8)、再重复步骤4)和5)完成T2这轮检测以后，控制器MCU控制多路开关MUX1和收发开关T/R，将功率放大器PA输出的激励信号送给收发线圈T3，以此循环重复，直到所有Tn都作为激励线圈测量一遍为止。

作为进一步地改进，本发明所述的分频器用于在MCU的控制之下，实现对激励信号的整数分频，以降低AD变换器的成本和电路的复杂性。

作为进一步地改进，本发明所述的0/90移相器用于在MCU控制下，首先用0相位作为时钟驱动A/D做模拟数字转换，然后再用移相90相位的信号作为时钟驱动A/D做模拟数字转换，再通过反正切运算或者符号运算确定相位测量值。

本发明的有益技术效果如下：

1)、本发明使用单一激励信号，将激励信号作为模数转换的采样时钟，利用模数转换器直接完成零中频混频功能。

2)、本发明采用单路时分正交模数采样方法，完成激励信号和检测信号的相位检测。单路时分正交采样时，由控制器控制整形后的激励信号是否移相90度。

3)、本专利的一个关键技术点，就是将接受到的检测信号直接进入模拟数字转换器做数字转换。这将大大简化模拟信号处理的过程，减低温度漂移和噪声的影响。以往的技术为了降低采集的数据率，采用模拟变频的方法，模拟变频技术使用的混频器和滤波器都回增加温度漂移和系统复杂性。

4)、本专利通过简单的数字方法降低模数转换数据率，就是同步降频采样。就是采用信号频率的整倍数分频/N实现。调整N的数值，还可以实现降低AD转换的时钟频率，采样的数据越多，经过平均运算可以滤除噪声.。

5)、本专利通过使用外部基准电压，可以进一步提高测量精度和温度稳定性。使用一个受MCU控制的高精度的基准电压源，作为A/D的基准电压。

6)、本发明可以利用激励信号的整数分频信号进行模数转换，进一步降低功耗，降低系统成本。

7)、本专利采用欠采样技术，就是用激励频率，或者激励频率的整数分频信号，作为模拟数字转换的时钟信号。这样省去通常使用的容易受温度影响的混频器和防混叠滤波器。因此在激励信号和A/D时钟输入端接入了整数分频器，分频器可以在MCU的控制之下，实现对激励信号的整数分频，以保证相位的同步。

附图说明

图1为本发明用于磁感应成像的信号激励和数据采集装置的连接结构示意图；

具体实施方式

本发明公开了一种用于磁感应成像的信号激励和数据采集装置，图1为本发明用于磁感应成像的信号激励和数据采集装置的连接结构示意图；装置包括收发线圈Tn(T1-Tn)、收发开关T/R、多路开关MUX、功率放大器PA和低噪声放大器LNA、信号发生器、0/90移相器、分频器、模数转换器A/D、基准电压和控制器MUC，控制器MCU分别与多路开关MUX分别与收发线圈Tn(T1-Tn)、收发开关T/R、多路开关MUX、功率放大器PA和低噪声放大器LNA、信号发生器、0/90移相器、分频器、模数转换器A/D、基准电压控制相连，功率放大器PA连接信号发生器的输出端。

多路开关MUX包括多路开关MUX1、多路开关MUX2、多路开关MUX3、多路开关MUX4，收发线圈Tn包括n个收发线圈，n是8或者是16，信号发生器是单一激励信号的信号发生器，Tn通过MUX1与功率放大器PA连接时，是激励线圈。Tn通过MUX2与低噪声放大器LNA连接时，是检测线圈，同一个Tn是激励线圈或检测线圈，Tn与MUX1之间，Tn与MUX2之间，连接有收发开关T/R。收发线圈Tn的另一端通过MUX3连接激励源地或通过MUX4连接检测地。

A/D时钟输入端接入了分频器，分频器可以在MCU的控制之下，实现对激励信号的整数分频，以保证相位的同步，信号发生器输出和A/D转换之间接入了0/90移相器，基准电压与模数转换器A/D相连，所述的低噪声放大器LNA的输出端与模数转换器A/D相连。

下面通过具体实施例子对本发明技术方案作进一步的阐述。

装置一般由n(n＝2,3,4,5,6,…)个T组成，通常n＝8，n＝16。该实施例以n＝8为例描述。8个线圈Tn由MCU控制器控制，通过多路确定其当作激励(发射)线圈还是当作检测(接收)线圈使用。线圈Tn一端通过MUX3在MCU的控制下连接激励源地，或通过MUX4在MCU的控制下连接检测地，避免大功率的激励信号对检测的影响。

由于同一个线圈Tn当通过MUX1与PA连接的时候就作为激励线圈，而当通过MUX2与LNA连接的时候，就作为检测线圈。为了把激励和检测深度隔离，Tn的另一端连接了一个收发隔离开关T/R，T/R被MCU控制。

当按照MCU的指令MUX1和MUX3的第n个开关闭合的时候，相应的MUX2和MUX4的第n个开关断开，同时T/R开关将Tn与MUX1连接，线圈T就连接到了功率放大器PA，PA连接信号发生器，把信号发生器的信号发送给线圈T。

当按照MCU的指令MUX2和MUX4的第n个开关闭合，相应的MUX1和MUX3的第n个开关断开。同时T/R开关将Tn与MUX2连接，线圈T就连接到了低噪声放大器LNA输入，LNA输出连接到数字模拟转换器A/D，数字模拟转换器A/D将检测信号数字化送给处理器MCU。由MCU计算出检测结果。

本专利采用欠采样技术，就是用激励频率，或者激励频率的整数分频信号，作为模拟数字转换的时钟信号。这样省去通常使用的容易受温度影响的混频器和防混叠滤波器。因此在激励信号和A/D时钟输入端接入了整数分频器，分频器可以在MCU的控制之下，实现对激励信号的整数分频，以保证相位的同步。

本方法采用正弦信号作为激励源，因此同频率或者整倍数分频采样的数据是一个幅度值，由于需要测量相位，幅度值存在二异性，必须通过使用与测量时钟正交的时钟重新采集数据，才能确定检测信号的相位。因此，在信号源输出和A/D转换时钟路径接入了受MCU控制的0度/90度移相器，在MCU控制下，首先用0相位作为时钟驱动A/D做模拟数字转换，然后再用移相90相位的信号作为时钟驱动A/D做模拟数字转换。然后通过反正切运算或者符号运算确定相位测量值。

具体步骤如下：

1、为了获得高相位稳定度的激励信号，本方法使用高温度稳定性、低相位抖动的信号发生器，送给功率放大器PA。

2、MCU控制多路开关MUX1和激励/检测切换开关T/R，将功率放大器PA输出的激励信号送给激励线圈T1。MCU控制MUX3将T1连接到激励地。同时MCU控制MUX4断开T1与检测地的连接，控制MUX2断开与低噪声放大器LNA的连接。

3、MCU控制MUX2和MUX4顺序将除T1以外的T2、T3、T4…Tn连接的T/R开关连通到MUX2端，通过MUX2连接到LNA。经过LNA将放大的信号送给A/D模拟数字转换器。

4、MCU首先控制移相器工作在0相位状态，并设定时钟信号的分频参数，假设分频参数设定为1，装置将激励频率作为A/D变换的时钟数字化测量信号。

5、然后MCU控制移相器工作在90度相位状态，就是将原采集信号时钟移相90度，再次采集检测信号，并最检测信号做数字化转换。

6、完成此轮检测以后，控制器MCU控制多路开关MUX1和收发开关T/R，将功率放大器PA输出的激励信号送给激励收发线圈T2，控制器MCU控制多路开关MUX3将激励收发线圈T2连接到激励地，同时，控制器MCU控制多路开关MUX4断开激励收发线圈T2与检测地的连接，控制多路开关MUX2断开与低噪声放大器LNA的连接；

7、控制器MCU控制多路开关MUX2和多路开关MUX4顺序将除收发线圈T2以外的T3、T4…Tn、T1连接的收发开关T/R连通到多路开关MUX2端，通过多路开关MUX2连接到低噪声放大器LNA，低噪声放大器LNA将放大的信号送给模数转换器A/D；

8、再重复步骤4)和5)完成T2这轮检测以后，控制器MCU控制多路开关MUX1和收发开关T/R，将功率放大器PA输出的激励信号送给收发线圈T3，以此循环重复，直到所有Tn都作为激励线圈测量一遍为止。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，本发明并不限于以上实施例，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种用于磁感应成像的信号激励和数据采集方法，其特征在于，所述的方法采用信号发生器发出的单一激励信号，将激励信号作为模数转换的采样时钟，采用单路时分正交模数采样的方法，利用模数转换器A/D直接完成零中频混，具体步骤如下：

1)、高温度稳定性、低相位抖动的单一激励信号的信号发生器，送给功率放大器PA；

2)、控制器MCU控制多路开关MUX1和收发开关T/R，将功率放大器PA输出的激励信号送给激励收发线圈T1，控制器MCU控制多路开关MUX3将激励收发线圈T1连接到激励地，同时，控制器MCU控制多路开关MUX4断开激励收发线圈T1与检测地的连接，控制多路开关MUX2断开与低噪声放大器LNA的连接；

3)、控制器MCU控制多路开关MUX2和多路开关MUX4顺序将除收发线圈T1以外的T2、T3、T4…Tn连接的收发开关T/R连通到多路开关MUX2端，通过多路开关MUX2连接到低噪声放大器LNA，低噪声放大器LNA将放大的信号送给模数转换器A/D；

4)、控制器MCU首先控制0/90移相器工作在0相位状态，并设定时钟信号的分频参数，假设分频参数设定为1，装置将激励频率作为模数转换器A/D变换的时钟数字化测量信号；

5)、然后控制器MCU控制0/90移相器工作在90度相位状态，即将原采集信号时钟移相90度，再次采集检测信号，并对检测信号做数字化转换；

6)、完成此轮检测以后，控制器MCU控制多路开关MUX1和收发开关T/R，将功率放大器PA输出的激励信号送给激励收发线圈T2，控制器MCU控制多路开关MUX3将激励收发线圈T2连接到激励地，同时，控制器MCU控制多路开关MUX4断开激励收发线圈T2与检测地的连接，控制多路开关MUX2断开与低噪声放大器LNA的连接；

7)、控制器MCU控制多路开关MUX2和多路开关MUX4顺序将除收发线圈T2以外的T3、T4…Tn、T1连接的收发开关T/R连通到多路开关MUX2端，通过多路开关MUX2连接到低噪声放大器LNA，低噪声放大器LNA将放大的信号送给模数转换器A/D；

8)、再重复步骤4)和5)完成T2这轮检测以后，控制器MCU控制多路开关MUX1和收发开关T/R，将功率放大器PA输出的激励信号送给收发线圈T3，以此循环重复，直到所有Tn都作为激励线圈测量一遍为止。

2.根据权利要求1所述的用于磁感应成像的信号激励和数据采集方法，其特征在于，所述的分频器用于在MCU的控制之下，实现对激励信号的整数分频，以保证相位的同步。

3.根据权利要求1或2所述的用于磁感应成像的信号激励和数据采集方法，其特征在于，所述的0/90移相器用于在MCU控制下，首先用0相位作为时钟驱动A/D做模拟数字转换，然后再用移相90相位的信号作为时钟驱动A/D做模拟数字转换，再通过反正切运算或者符号运算确定相位测量值。