導(dǎo)語：數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)論文一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

1系統(tǒng)的構(gòu)成框架和工作原理

通過對(duì)電極形狀、數(shù)目的選擇，接地屏蔽層的合理設(shè)計(jì)和對(duì)傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)的比較優(yōu)化，最終確定傳感器模塊采用16極板的ECT系統(tǒng)傳感器。為便于在設(shè)計(jì)中及時(shí)發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤并改正，提高工作效率，設(shè)計(jì)了基于FPGA的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該方法能夠根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的重構(gòu)。另外，為了有效地抑制雜散電容干擾，采用鎖相環(huán)技術(shù)實(shí)現(xiàn)相干檢測(cè)，進(jìn)一步完成了對(duì)C/V轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)。計(jì)算機(jī)成像模塊通過接口電路將數(shù)據(jù)緩存區(qū)的數(shù)據(jù)傳輸給計(jì)算機(jī)，采用迭代算法實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像的重建。

2傳感器模塊

ECT系統(tǒng)由均勻安裝在管道表面的電極對(duì)組成，目前常用的有8極板、12極板、16極板等模型，極板數(shù)目越多，則可以獲得的測(cè)量數(shù)據(jù)就越多，數(shù)據(jù)源的增多將提高重建圖像的顯示質(zhì)量，然而也會(huì)引入信噪比降低、邊緣效應(yīng)增大等隱形問題。綜合考慮采用16極板的傳感器系統(tǒng)。

3數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)和處理模塊

結(jié)合航空發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際工作情況，可知此數(shù)據(jù)采集過程需滿足高速率、高精度、大存儲(chǔ)量以及對(duì)環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)的性能要求，基于以上比較，本文選取FPGA芯片作為核心的邏輯控制器件。該器件選用Xilinx公司的Spartan—3系列FP-GA芯片，其核心芯片為XC3s500E。選用LTC1407型A/D轉(zhuǎn)換器，VerilogHDL語言作為描述語言實(shí)現(xiàn)了對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的采樣、數(shù)據(jù)處理等過程的控制，并以XilinxISEDesignSuite13．1軟件為平臺(tái)，仿真驗(yàn)證了這一系統(tǒng)的可行性。

3．1C/V轉(zhuǎn)換電路

電容作為一個(gè)特殊物理量，測(cè)量系統(tǒng)中存在的雜散電容值往往要大于被測(cè)電容值，而基于ECT技術(shù)的測(cè)量系統(tǒng)對(duì)微小電容的檢測(cè)存在一定的局限性，因此，應(yīng)系統(tǒng)要求，本文選擇了抗雜散電容能力較強(qiáng)的物理電路。

3．2A/D轉(zhuǎn)換電路

本系統(tǒng)采用的A/D轉(zhuǎn)換電路是一個(gè)雙通道的模擬信號(hào)采集電路，它由可變?cè)鲆娣糯笃鱈TC6912—1和A/D轉(zhuǎn)換芯片LTC1407—1兩部分組成。通過外部調(diào)節(jié)，自主改變可變?cè)鲆娣糯笃鞯姆糯蟊稊?shù)可以為芯片提供合適的電壓信號(hào)，從而提高整個(gè)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換精度。

3．3系統(tǒng)流程控制

考慮到FPGA不善長(zhǎng)流程控制，在本文設(shè)計(jì)中引入了MCU軟核，用于數(shù)據(jù)采集過程的流程控制。

4計(jì)算機(jī)成像模塊

圖像重建基本思想是依據(jù)有限的投影數(shù)據(jù)，采用簡(jiǎn)單有效的圖像重建算法以實(shí)現(xiàn)Radon逆變換的過程。其主要數(shù)學(xué)理論基礎(chǔ)是基于Radon變換和Radon逆變換，奧地利數(shù)學(xué)家Radon于20世紀(jì)初期在其發(fā)表的論文中證明，任何N維物體可以通過其N－1維投影來重建。

5仿真結(jié)果與驗(yàn)證

由于航空發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣是多相流介質(zhì)，且各項(xiàng)介質(zhì)具有不同的相對(duì)介電常數(shù)。一旦發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣內(nèi)組分濃度發(fā)生變化，相應(yīng)地就會(huì)引起多相流混合介質(zhì)等價(jià)介電常數(shù)發(fā)生變化，并導(dǎo)致極板間電容值和實(shí)時(shí)采集的投影數(shù)據(jù)皆更變的連鎖效應(yīng)，為模擬管內(nèi)充滿相對(duì)介電常數(shù)為1的物質(zhì)時(shí)所測(cè)得的120個(gè)電容測(cè)量值。如果其中摻雜進(jìn)去相對(duì)介電常數(shù)為3的物質(zhì)流，便可得到120組新的電容測(cè)量數(shù)據(jù)，由數(shù)據(jù)通過計(jì)算機(jī)成像便可重建出管道內(nèi)物質(zhì)分布，如圖10所示，圖中四幅圖像表示發(fā)動(dòng)機(jī)管中存在相對(duì)介電常數(shù)為3的物質(zhì)流由匯聚到攤開的形狀變化過程。結(jié)果表明:當(dāng)設(shè)計(jì)管道內(nèi)放入兩相或多相介質(zhì)時(shí)，通過本系統(tǒng)能夠成功采集數(shù)據(jù)，并經(jīng)USB接口傳送給計(jì)算機(jī)能實(shí)現(xiàn)圖像重建，最終重建出飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)中介質(zhì)分布圖像，驗(yàn)證了本設(shè)計(jì)的可行性。

6結(jié)束語

ECT技術(shù)以其使用范圍廣、成本低廉、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、非侵入性、安全性能好等優(yōu)點(diǎn)，已在很多領(lǐng)域得到應(yīng)用。本文首次將該技術(shù)應(yīng)用在飛機(jī)尾氣監(jiān)測(cè)領(lǐng)域中，在此基礎(chǔ)上，為節(jié)省外部電路，提高采集速率，改變傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集采用單片機(jī)和DSP作為主控模塊的方法，采用基于FPGA的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，使系統(tǒng)具有穩(wěn)定性好、功耗小，實(shí)時(shí)性好的優(yōu)勢(shì)。

作者:馬敏周苗苗李新建單位:中國(guó)民航大學(xué)