《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于ECT的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)
來(lái)源：電子技術(shù)應(yīng)用2014年第1期
馬 敏, 吳海超
中國(guó)民航大學(xué) 航空自動(dòng)化學(xué)院, 天津300300
摘要： 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的速度制約了電容層析成像技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)氣路監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等高速設(shè)備中的應(yīng)用。為此，設(shè)計(jì)了一種基于FPGA的新型電容數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采用DDR2存儲(chǔ)技術(shù)和PCI總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的高速傳輸。同時(shí)應(yīng)用卡爾曼濾波器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的FIR濾波器，有效提高了濾波效率。測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有抗干擾能力強(qiáng)、采樣精度高、處理速度快等優(yōu)點(diǎn)。
中圖分類(lèi)號(hào)： TP273
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
文章編號(hào)： 0258-7998(2014)01-0072-03
ECT-based high-speed data acquisition system design
Ma Min, Wu Haichao
Civil Aviation University of China, Tianjin 300300, China
Abstract： The application of electrical capacitance tomography to high-speed devices (such as aero-engine gas path monitoring system) has been restricted by the speed of the data acquisition system. To address this problem, a novel FPGA-based capacitance data acquisition system is designed in this paper. DDR2 memory and PCI bus technology are adopted to realize high speed data transmission. Additionally, the traditional FIR filter is replaced by Kalman filter, which effectively improves the filtering efficiency. Experimental results show that the system possesses the advantages of anti-interference ability, high sampling accuracy and fast processing speed.
Key words : aero engine; FPGA; data acquisition; Kalman filter; DRR2; PCI

    航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工作環(huán)境惡劣。對(duì)其準(zhǔn)確快速檢測(cè)一直是航空公司面臨的重大技術(shù)難題。
    航空發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)械磨損產(chǎn)生的金屬屑等混合多相流體。通過(guò)檢測(cè)、分析這些顆粒物特性，能夠?qū)崟r(shí)地反映發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)，為發(fā)動(dòng)機(jī)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(diǎn)，使其在中低速多相流體過(guò)程參數(shù)檢測(cè)中擁有顯著的優(yōu)勢(shì)[2]。目前，已有ＥＣＴ系統(tǒng)在稀相煤粉氣固兩相流檢測(cè)中應(yīng)用的報(bào)道[3]。相關(guān)文獻(xiàn)未見(jiàn)ECT系統(tǒng)對(duì)高溫、高速的航空發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣這種特殊氣固兩相流檢測(cè)的報(bào)道。數(shù)據(jù)采集速度是制約ECT系統(tǒng)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣檢測(cè)應(yīng)用中的瓶頸之一。針對(duì)這一問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)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(shí)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(jìn)：應(yīng)用DDR2存儲(chǔ)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(jìn)：應(yīng)用卡爾曼濾波器替代傳統(tǒng)的FIR濾波器，因?yàn)椴恍枰獣r(shí)域和頻域之間的轉(zhuǎn)換，在保證一定信噪比的同時(shí)，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(hào)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(dòng)機(jī)氣路檢測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)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(duì)C/V轉(zhuǎn)換電路輸出VO(t)進(jìn)行采樣，并將A/D轉(zhuǎn)換后的信號(hào)存儲(chǔ)到DDR2中。另一片選用了Altera公司的CycloneII系列EP2C5Q208C8N芯片，實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)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(guò)PCI總線傳送給上位機(jī)以完成圖像重建。
2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
    數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由A/D轉(zhuǎn)換、信號(hào)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(jì)
    由于ECT系統(tǒng)采集到的信號(hào)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(guó)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(lì)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(yùn)放的輸入范圍為-2 V～+2 V。運(yùn)放在電路中起兩方面作用：一是將A/D轉(zhuǎn)換電路與前級(jí)電路隔離；二是提高前級(jí)電路的驅(qū)動(dòng)能力。
2.2 數(shù)據(jù)處理模塊的設(shè)計(jì)
　為了實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的快速存儲(chǔ)，在系統(tǒng)中使用了一個(gè)Micron公司的128 MB的DDR2 SDRAM芯片。
    圖4給出了DDR2存儲(chǔ)器工作時(shí)的狀態(tài)機(jī)的轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)圖。系統(tǒng)初始化完成以后，狀態(tài)機(jī)進(jìn)入IDLE狀態(tài)。然后根據(jù)不同的請(qǐng)求指令，狀態(tài)機(jī)轉(zhuǎn)換到相應(yīng)的狀態(tài)，并將指令發(fā)送至DDR2存儲(chǔ)芯片，同時(shí)觸發(fā)計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù)。當(dāng)滿足規(guī)定的時(shí)間間隔后，控制器可以再次接受新的指令并根據(jù)請(qǐng)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(jì)
    本系統(tǒng)采用的是利用專(zhuān)用PCI接口芯片PCI9054實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，將復(fù)雜的PCI總線接口轉(zhuǎn)換為簡(jiǎn)單的I/O接口。
　在進(jìn)行數(shù)據(jù)流的傳輸方面，該板卡采用的是存儲(chǔ)器空間，并用DMA方式進(jìn)行數(shù)據(jù)高速傳輸[6]。圖5所示為PCI9054進(jìn)行目標(biāo)設(shè)備DMA讀寫(xiě)時(shí)的結(jié)構(gòu)圖。主機(jī)或FPGA只需發(fā)出DMA開(kāi)始信號(hào)后，即可由PCI9054完成DMA的所有操作[7]?？梢?jiàn)，DMA 操作大幅度減輕了主機(jī)端CPU的負(fù)擔(dān)。

3 軟件算法設(shè)計(jì)
    本系統(tǒng)在濾波設(shè)計(jì)中用卡爾曼濾波器代替了原有的FIR等頻域?yàn)V波器。由于卡爾曼濾波的基本方程是時(shí)間域內(nèi)的遞推形式，其計(jì)算過(guò)程是一個(gè)不斷“預(yù)測(cè)-修正”的過(guò)程，在求解時(shí)不要求存儲(chǔ)大量的數(shù)據(jù)，并且一旦觀測(cè)到了新的數(shù)據(jù)，隨時(shí)可以算出新的濾波值，便于實(shí)時(shí)處理[8]。

 

    由于卡爾曼濾波算法涉及到矩陣運(yùn)算，為了便于FPGA處理，把矩陣運(yùn)算分解成一系列加減乘除運(yùn)算單元，利用DSP Builder的加減乘除等模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于算法的實(shí)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(jì)中，將卡爾曼濾波算法的6個(gè)基本方程分解如下。


    實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)滿足電容層析成像系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求，數(shù)據(jù)采集速率較采用頻域?yàn)V波器的系統(tǒng)有較大改善，同時(shí)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(dòng)機(jī)尾氣等高速檢測(cè)設(shè)備的應(yīng)用提供了空間。
參考文獻(xiàn)
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