文獻標(biāo)識碼: A
文章編號: 0258-7998(2014)01-0072-03
航空發(fā)動機結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工作環(huán)境惡劣。對其準(zhǔn)確快速檢測一直是航空公司面臨的重大技術(shù)難題。
航空發(fā)動機排出的尾氣主要是大量的排放氣體、未完全燃燒液滴以及機械磨損產(chǎn)生的金屬屑等混合多相流體。通過檢測、分析這些顆粒物特性,能夠?qū)崟r地反映發(fā)動機工作狀態(tài),為發(fā)動機視情維修提供依據(jù)[1]。
電容層析成像技術(shù)ECT(Electrical Capacitance Tomography)具有非侵入、可視化、響應(yīng)速度快等優(yōu)點,使其在中低速多相流體過程參數(shù)檢測中擁有顯著的優(yōu)勢[2]。目前,已有ECT系統(tǒng)在稀相煤粉氣固兩相流檢測中應(yīng)用的報道[3]。相關(guān)文獻未見ECT系統(tǒng)對高溫、高速的航空發(fā)動機尾氣這種特殊氣固兩相流檢測的報道。數(shù)據(jù)采集速度是制約ECT系統(tǒng)在航空發(fā)動機尾氣檢測應(yīng)用中的瓶頸之一。針對這一問題,本文設(shè)計了一種新型高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),在保證一定精度的同時顯著提高了數(shù)據(jù)采集的速度。主要包括以下兩方面的工作:
(1)硬件改進:應(yīng)用DDR2存儲技術(shù)和PCI總線技術(shù)提高數(shù)據(jù)的吞吐率。
(2)軟件改進:應(yīng)用卡爾曼濾波器替代傳統(tǒng)的FIR濾波器,因為不需要時域和頻域之間的轉(zhuǎn)換,在保證一定信噪比的同時,可提高濾波效率。
圖1為ECT系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖,主要由三部分組成:陣列式電容傳感器、數(shù)據(jù)采集與信號處理單元以及圖像重建與分析顯示單元[4]。
1 系統(tǒng)總體方案
基于ECT的航空發(fā)動機氣路檢測系統(tǒng)總體設(shè)計框圖如圖2所示。
本系統(tǒng)采用兩片FPGA芯片作為核心處理器。一片選用Xilinx公司的Spartan-6系列XC6SLX16-2CSG324,用于控制12 bit高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD9224直接對C/V轉(zhuǎn)換電路輸出VO(t)進行采樣,并將A/D轉(zhuǎn)換后的信號存儲到DDR2中。另一片選用了Altera公司的CycloneII系列EP2C5Q208C8N芯片,實現(xiàn)存儲數(shù)據(jù)的濾波與相敏解調(diào),并以DMA的方式將處理后的數(shù)據(jù)通過PCI總線傳送給上位機以完成圖像重建。
2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計
數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由A/D轉(zhuǎn)換、信號處理和PCI總線數(shù)據(jù)傳輸三大部分組成。
2.1 A/D轉(zhuǎn)換設(shè)計
由于ECT系統(tǒng)采集到的信號微弱,因此,A/D轉(zhuǎn)換電路的精度將直接影響成像效果。本系統(tǒng)采用美國ADI公司的高速芯片AD9224。AD9224具有12 bit的位寬、40 MS/s的轉(zhuǎn)換速率。AD9224的輸入范圍由參考端VREF控制,支持直流或交流耦合的單端或差分輸入。本文所采用的系統(tǒng)激勵頻率為500 kHz,并且采用串行的方式采集數(shù)據(jù)。因此,選用交流耦合單端輸入方式,如圖3所示。
為了獲得較寬的輸入范圍(2×VREF),將外部參考電壓VREF的電壓偏置為2 V,則運放的輸入范圍為-2 V~+2 V。運放在電路中起兩方面作用:一是將A/D轉(zhuǎn)換電路與前級電路隔離;二是提高前級電路的驅(qū)動能力。
2.2 數(shù)據(jù)處理模塊的設(shè)計
為了實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的快速存儲,在系統(tǒng)中使用了一個Micron公司的128 MB的DDR2 SDRAM芯片。
圖4給出了DDR2存儲器工作時的狀態(tài)機的轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)圖。系統(tǒng)初始化完成以后,狀態(tài)機進入IDLE狀態(tài)。然后根據(jù)不同的請求指令,狀態(tài)機轉(zhuǎn)換到相應(yīng)的狀態(tài),并將指令發(fā)送至DDR2存儲芯片,同時觸發(fā)計數(shù)器開始計數(shù)。當(dāng)滿足規(guī)定的時間間隔后,控制器可以再次接受新的指令并根據(jù)請求轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的工作狀態(tài)。
2.3 數(shù)據(jù)傳輸模塊的設(shè)計
本系統(tǒng)采用的是利用專用PCI接口芯片PCI9054實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸,將復(fù)雜的PCI總線接口轉(zhuǎn)換為簡單的I/O接口。
在進行數(shù)據(jù)流的傳輸方面,該板卡采用的是存儲器空間,并用DMA方式進行數(shù)據(jù)高速傳輸[6]。圖5所示為PCI9054進行目標(biāo)設(shè)備DMA讀寫時的結(jié)構(gòu)圖。主機或FPGA只需發(fā)出DMA開始信號后,即可由PCI9054完成DMA的所有操作[7]??梢姡珼MA 操作大幅度減輕了主機端CPU的負(fù)擔(dān)。
3 軟件算法設(shè)計
本系統(tǒng)在濾波設(shè)計中用卡爾曼濾波器代替了原有的FIR等頻域濾波器。由于卡爾曼濾波的基本方程是時間域內(nèi)的遞推形式,其計算過程是一個不斷“預(yù)測-修正”的過程,在求解時不要求存儲大量的數(shù)據(jù),并且一旦觀測到了新的數(shù)據(jù),隨時可以算出新的濾波值,便于實時處理[8]。
由于卡爾曼濾波算法涉及到矩陣運算,為了便于FPGA處理,把矩陣運算分解成一系列加減乘除運算單元,利用DSP Builder的加減乘除等模塊來實現(xiàn)。由于算法的實現(xiàn)采用了并行的硬件處理技術(shù),使其執(zhí)行速度有了很大提高。在本設(shè)計中,將卡爾曼濾波算法的6個基本方程分解如下。
實驗表明,該系統(tǒng)滿足電容層析成像系統(tǒng)的實時性要求,數(shù)據(jù)采集速率較采用頻域濾波器的系統(tǒng)有較大改善,同時也保持了一定的采集精度。該系統(tǒng)較大的數(shù)據(jù)吞吐率和較高采集精度,為ECT技術(shù)在航空發(fā)動機尾氣等高速檢測設(shè)備的應(yīng)用提供了空間。
參考文獻
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