數據采集系統設計論文

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1系統的構成框架和工作原理

通過對電極形狀、數目的選擇，接地屏蔽層的合理設計和對傳感器結構參數的比較優化，最終確定傳感器模塊采用16極板的ECT系統傳感器。為便于在設計中及時發現錯誤并改正，提高工作效率，設計了基于FPGA的數據采集系統，該方法能夠根據需要實現系統的重構。另外，為了有效地抑制雜散電容干擾，采用鎖相環技術實現相干檢測，進一步完成了對C/V轉換電路的設計。計算機成像模塊通過接口電路將數據緩存區的數據傳輸給計算機，采用迭代算法實現對圖像的重建。

2傳感器模塊

ECT系統由均勻安裝在管道表面的電極對組成，目前常用的有8極板、12極板、16極板等模型，極板數目越多，則可以獲得的測量數據就越多，數據源的增多將提高重建圖像的顯示質量，然而也會引入信噪比降低、邊緣效應增大等隱形問題。綜合考慮采用16極板的傳感器系統。

3數據采集系統設計和處理模塊

結合航空發動機實際工作情況，可知此數據采集過程需滿足高速率、高精度、大存儲量以及對環境適應性強的性能要求，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轉換器，VerilogHDL語言作為描述語言實現了對整個系統的采樣、數據處理等過程的控制，并以XilinxISEDesignSuite13．1軟件為平臺，仿真驗證了這一系統的可行性。

3．1C/V轉換電路

電容作為一個特殊物理量，測量系統中存在的雜散電容值往往要大于被測電容值，而基于ECT技術的測量系統對微小電容的檢測存在一定的局限性，因此，應系統要求，本文選擇了抗雜散電容能力較強的物理電路。

3．2A/D轉換電路

本系統采用的A/D轉換電路是一個雙通道的模擬信號采集電路，它由可變增益放大器LTC6912—1和A/D轉換芯片LTC1407—1兩部分組成。通過外部調節，自主改變可變增益放大器的放大倍數可以為芯片提供合適的電壓信號，從而提高整個系統的轉換精度。

3．3系統流程控制

考慮到FPGA不善長流程控制，在本文設計中引入了MCU軟核，用于數據采集過程的流程控制。

4計算機成像模塊

圖像重建基本思想是依據有限的投影數據，采用簡單有效的圖像重建算法以實現Radon逆變換的過程。其主要數學理論基礎是基于Radon變換和Radon逆變換，奧地利數學家Radon于20世紀初期在其發表的論文中證明，任何N維物體可以通過其N－1維投影來重建。

5仿真結果與驗證

由于航空發動機尾氣是多相流介質，且各項介質具有不同的相對介電常數。一旦發動機尾氣內組分濃度發生變化，相應地就會引起多相流混合介質等價介電常數發生變化，并導致極板間電容值和實時采集的投影數據皆更變的連鎖效應，為模擬管內充滿相對介電常數為1的物質時所測得的120個電容測量值。如果其中摻雜進去相對介電常數為3的物質流，便可得到120組新的電容測量數據，由數據通過計算機成像便可重建出管道內物質分布，如圖10所示，圖中四幅圖像表示發動機管中存在相對介電常數為3的物質流由匯聚到攤開的形狀變化過程。結果表明:當設計管道內放入兩相或多相介質時，通過本系統能夠成功采集數據，并經USB接口傳送給計算機能實現圖像重建，最終重建出飛機發動機中介質分布圖像，驗證了本設計的可行性。

6結束語

ECT技術以其使用范圍廣、成本低廉、結構簡單、非侵入性、安全性能好等優點，已在很多領域得到應用。本文首次將該技術應用在飛機尾氣監測領域中，在此基礎上，為節省外部電路，提高采集速率，改變傳統的數據采集采用單片機和DSP作為主控模塊的方法，采用基于FPGA的數據采集系統，使系統具有穩定性好、功耗小，實時性好的優勢。

作者:馬敏周苗苗李新建單位:中國民航大學