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基于ECT的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計
來源：電子技術應用2014年第1期
馬 敏, 吳海超
中國民航大學 航空自動化學院, 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在航空發(fā)動機氣路監(jiān)測系統(tǒng)等高速設備中的應用。為此，設計了一種基于FPGA的新型電容數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采用DDR2存儲技術和PCI總線技術實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的高速傳輸。同時應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。測試結果表明，該系統(tǒng)具有抗干擾能力強、采樣精度高、處理速度快等優(yōu)點。
中圖分類號： TP273
文獻標識碼： A
文章編號： 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)動機結構復雜、工作環(huán)境惡劣。對其準確快速檢測一直是航空公司面臨的重大技術難題。
    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，能夠實時地反映發(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ECT(Electrical Capacitance Tomography)具有非侵入、可視化、響應速度快等優(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用的報道[3]。相關文獻未見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)動機尾氣檢測應用中的瓶頸之一。針對這一問題，本文設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：應用DDR2存儲技術和PCI總線技術提高數(shù)據(jù)的吞吐率。
    (2)軟件改進：應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)結構圖，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)轉換器AD9224直接對C/V轉換電路輸出VO(t)進行采樣，并將A/D轉換后的信號存儲到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，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)的設計
    數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由A/D轉換、信號處理和PCI總線數(shù)據(jù)傳輸三大部分組成。
2.1 A/D轉換設計
    由于ECT系統(tǒng)采集到的信號微弱，因此，A/D轉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轉換電路與前級電路隔離；二是提高前級電路的驅動能力。
2.2 數(shù)據(jù)處理模塊的設計
　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)機的轉換結構圖。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)機轉換到相應的狀態(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)請求轉換為相應的工作狀態(tài)。

2.3 數(shù)據(jù)傳輸模塊的設計
    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，將復雜的PCI總線接口轉換為簡單的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進行目標設備DMA讀寫時的結構圖。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的負擔。

3 軟件算法設計
    本系統(tǒng)在濾波設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的遞推形式，其計算過程是一個不斷“預測-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，使其執(zhí)行速度有了很大提高。在本設計中，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技術在航空發(fā)動機尾氣等高速檢測設備的應用提供了空間。
參考文獻
[1] 張立峰.電容層析成像系統(tǒng)的設計及應用研究[D].天津: 天津大學,2003.
[2] 崔自強. 雙模態(tài)電學層析成像技術研究[D].天津:天津大學,2009.
[3] 孫猛,劉石, 李志宏，等. 利用ECT對稀疏氣固兩相流動 進行濃度測量[J]. 鍋爐技術， 2010，41(4):6-9.
[4] BOLTON G T, KORCHINSKY W J, WATERFALL R C. Calibration of capacitance tomography system for liquidliquid dispersions [J].Meas Sci Technol,1998,9(11):1797-1800.
[5] Complete 12-Bit, 40 MSPS Monolithic A/D Converter [S]. 1999.
[6] 朱惠靜.PC19054及其在高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應用[J]. 國外電子測量技術，2008,27(2):72-74.
[7] 吳建. 基于FPGA的PCI數(shù)據(jù)采集卡的研究與開發(fā)[D].長沙: 中南大學．2007.
[8] 何子述,夏薇,等.現(xiàn)代數(shù)字信號處理及其應用[M].北京： 清華大學出版社，2009.
[9] YANG W Q.Hardware design of electrical capacitance tomography systems[J]. Measurement Science and Technology 1996，7(3)：225-232.

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