專利名稱：具備高速數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳能力的電容成像裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
具備高速數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳能力的電容成像裝置屬于兩相流測量領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在石油、化工、電力、冶金等工業(yè)中，大量存在著多相物質(zhì)混合流動的情況，通常稱之為兩相流(two-phase flow或two-component flow)或多相流(multi-phase flow或multi-component flow)，如石油工業(yè)中的油/氣、油/水兩相流和油/氣/水多相流；冶金、電力工業(yè)中各種氣力物料輸送管道中的氣/固兩相流；化學(xué)工業(yè)中非均相反應(yīng)器中混合物的反應(yīng)過程等等。
兩相流存在于眾多工程領(lǐng)域中，研究其流動特性及變化規(guī)律并對其相關(guān)參數(shù)進(jìn)行測量對于有關(guān)的科研和設(shè)計工作以及生產(chǎn)過程的安全高效運行均具有十分重要的意義。例如在化工行業(yè)中，目前使用的化學(xué)反應(yīng)裝置絕大部分是非均相反應(yīng)器，其中的多相流體力學(xué)行為，如反應(yīng)器中的氣泡大小、分布、合并、破碎的機制，絮狀物的形狀、大小、分布、形成和解體等，都與反應(yīng)器的熱量傳遞，質(zhì)量傳遞，反應(yīng)速率有著密切關(guān)系，因此就決定了反應(yīng)器的轉(zhuǎn)化率、選擇性以及設(shè)備的效率。對非均相反應(yīng)器流體力學(xué)行為的測量一直受到極大重視，它對于建立、改進(jìn)反應(yīng)器的數(shù)學(xué)模型以及改進(jìn)生產(chǎn)過程都大有幫助，是掌握反應(yīng)器規(guī)律并進(jìn)行強化改造的最基本的依據(jù)。又如在石油工業(yè)中，從油井中抽出來的往往是由原油、天然氣和水三種成分組成的混合物，如何對其中的各種成分進(jìn)行準(zhǔn)確計量將直接影響生產(chǎn)管理和經(jīng)濟核算。目前的測量方法是將多個油井中抽出的原油引入到同一個油罐中，對各種成分進(jìn)行分離后再測量，這樣就不能實現(xiàn)在線測量，而且得不到每一口油井的有關(guān)數(shù)據(jù)，對獨立經(jīng)濟核算十分不利。此外，在冶金、電力及食品工業(yè)中，為了降低能耗，提高生產(chǎn)效率，各種氣力物料輸送系統(tǒng)已被廣泛采用，為了保證系統(tǒng)能夠安全高效運行，必須有與之相適應(yīng)的兩相流測量及調(diào)節(jié)系統(tǒng)。
目前，兩相流已發(fā)展成為現(xiàn)代流體力學(xué)的一個重要組成部分，在現(xiàn)代力學(xué)中占有一席之地，其研究工作必將對國民經(jīng)濟產(chǎn)生重大影響。為了認(rèn)清兩相流的本質(zhì)，建立其模型并進(jìn)而進(jìn)行控制，兩相流的測量已成為要解決的首要問題。近年來，兩相流檢測技術(shù)已成為現(xiàn)代工業(yè)國家的一個重要科研領(lǐng)域。和單相流相比，由于各相間存在著界面效應(yīng)和相對速度，而且相界面在時間上和空間上都是隨機可變的，致使兩相流具有更為復(fù)雜的流動特性，其特征參數(shù)也較單相流系統(tǒng)要多。鑒于兩相流體的復(fù)雜性和隨機性，其參數(shù)測量存在很大難度，為此國內(nèi)外有關(guān)研究人員均做了大量的工作，但迄今為止，已有的測試技術(shù)和方法大多還處于實驗室應(yīng)用研究階段，已商品化的產(chǎn)品為數(shù)甚少，且離實際應(yīng)用仍有很大距離?，F(xiàn)有的兩相流測量技術(shù)分為以下幾類，一是將傳統(tǒng)的測量儀表與實驗修正的方法相結(jié)合應(yīng)用于兩相流測量，例如用電磁流量計或各種節(jié)流裝置來測量兩相流的流量；其次是使用傳統(tǒng)的單相測量儀表結(jié)合新的信號檢測和處理方法對兩相流進(jìn)行流型識別和參數(shù)估計。這些方法多為點探頭對部分參數(shù)的測量，或者是對截面平均參數(shù)的測定，這樣不但得到的信息量小，而且無法對兩相流的整體行為進(jìn)行實時觀測。近年來發(fā)展起來的粒子圖象速度場儀(Partical ImageVelocimetry，簡稱PIV)雖然能實現(xiàn)對被測流速場的二維分布測量，但由于其要求被測介質(zhì)具有透光性及自身測量速度的限制，要將其應(yīng)用于兩相流的實時在線測量還有一定的困難。
隨著工業(yè)生產(chǎn)水平的提高，對于計量、節(jié)能和控制等方面提出了更高的要求，人們希望更多地了解兩相流中各相分布的情況，對兩相流參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確測量的需要也越來越迫切，過程成像(Process Tomography，簡稱PT)技術(shù)也就隨之應(yīng)運而生。它利用特殊設(shè)計的敏感器空間陣列，以非接觸或非侵入方式獲取被測對象的場信息，運用圖象重建算法重現(xiàn)兩相/多相流體在管道內(nèi)或反應(yīng)裝置內(nèi)部某一橫截面上的分布情況，從而得到兩流體中離散相濃度分布及其隨時間的變化情況，實現(xiàn)被測兩相流體在某一截面上的可視化。過程成像技術(shù)的出現(xiàn)標(biāo)志著過程參數(shù)在線檢測技術(shù)發(fā)展到了一個新的階段，它將檢測技術(shù)從傳統(tǒng)的局部空間單點測量方式發(fā)展成為對過程參數(shù)在二維/三維空間分布狀況的在線、實時測量，大大提高了人們對生產(chǎn)過程信息的獲取和分析能力，為在線檢測和優(yōu)化設(shè)計提供了一種全新的手段。通過PT技術(shù)，可以將所獲得的有關(guān)過程的動態(tài)信息與目前廣泛應(yīng)用的流體動力學(xué)模型相結(jié)合，從而建立起更為符合實際情況的過程模型，并進(jìn)一步優(yōu)化過程設(shè)備和裝置的結(jié)構(gòu)和參數(shù)設(shè)計，最終改進(jìn)過程工藝，提高過程效率，增進(jìn)過程的安全性。此外PT技術(shù)的出現(xiàn)為兩相流的研究提供了一種強有力的實驗手段，通過和現(xiàn)有流體力學(xué)微觀研究手段相結(jié)合，它必將促進(jìn)兩相流體力學(xué)理論的進(jìn)一步發(fā)展，為過程工藝及設(shè)備與裝置的優(yōu)化設(shè)計提供新的理論依據(jù)，并進(jìn)而發(fā)展出新一代智能化實時分布參數(shù)檢測系統(tǒng)。
工業(yè)過程成像(Process Tomography，簡稱PT)技術(shù)起于二十世紀(jì)八十年代中后期。其自誕生之日起就得到了迅猛發(fā)展，目前國際上已見報道的過程成像系統(tǒng)已有光學(xué)成像、正電子成像、X-射線成像、γ-射線成像、核磁共振成像、超聲成像、阻抗成像、電容成像(Electrical Capacitance Tomography)、電阻成像(Electrical ResistanceTomography)、電磁成像等。在國際上，歐洲眾多國家一直處于過程成像技術(shù)研究的前列，其中尤以英國最為突出。目前較著名的過程成像研究小組有英國曼徹斯特理工學(xué)院(University of Manchester Inst itute of Science and Technology，縮寫為UMIST)和利茲大學(xué)(Leeds University)的研究組。除此之外，英國其它大學(xué)及公司、德國、挪威、荷蘭、美國、澳大利亞、南非、及日本等國的相關(guān)研究機構(gòu)也開展了大量研究工作。以歐洲國家為主的研究機構(gòu)自1992年起每年都組織一次題為ECAPT(the EuropeanConcerted Action on Process Tomography)的會議；1995年和1997年ECAPT還與美國工程基金會聯(lián)合主辦了兩屆題為“Frontiers in Industrial ProcessTomography”的國際會議；1999年4月及2001年8月全球第一、二屆過程成像大會“WorldCongress on Industrial Process Tomography”分別在英國和德國召開。目前有關(guān)研究機構(gòu)還建立了相應(yīng)的網(wǎng)站(http//www.vcipt.org.uk；http//www.tomography.umist.ac.uk；http//www.ce.umist.ac.uk/ptcenter等)和公司(Process Tomography Limited Corporation)。
在眾多過程成像技術(shù)中，電學(xué)式成像(以電容成像和電阻成像為主)由于其簡單、價廉等特點已成為最具工業(yè)應(yīng)用前景的技術(shù)，研究和開發(fā)以工業(yè)應(yīng)用為目標(biāo)的電學(xué)式成像系統(tǒng)已經(jīng)成為目前該領(lǐng)域國際研究的熱點。
電容成像系統(tǒng)是最早發(fā)展起來的一種過程成像技術(shù)。由于它具有快速、廉價、非侵入等特點，極適合于工業(yè)應(yīng)用。
一個典型的電容成像系統(tǒng)如圖1所示。它由電容傳感器、電子測量電路和成像計算機三大部分組成。在流體流動管道上沿管道周邊均勻地貼上一圈電極，任意兩個不同極板，組成一個兩端子電容，依次在單個極板上施加激勵，測量它和其余極板所構(gòu)成的兩端子電容的輸出值，由于管道內(nèi)流型分布的影響，各對極板間的電容值也不同，這些電容值包含了與相分布有關(guān)的信息，測量電路的輸出將受管道內(nèi)相分布的影響，將這些測量值送入計算機按一定的算法進(jìn)行圖像重建就可以得到管道截面的相分布圖像。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于“具備高速數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳能力的電容成像裝置”。
當(dāng)今國際已見報道的電容成像系統(tǒng)在電子測量電路和成像計算機之間進(jìn)行連接以實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和交換時多采用圖2所示的方案，即采用商業(yè)化的數(shù)據(jù)采集卡和測量系統(tǒng)之間完成電氣連接，測量系統(tǒng)的工作完全由成像計算機來控制。這種方式的最大特點是減小了硬件系統(tǒng)的復(fù)雜度，即只需完成測量電子電路的設(shè)計和開發(fā)。但由于數(shù)據(jù)采集卡和測量系統(tǒng)之間的連接通過扁平電纜完成，因此成像計算機和測量系統(tǒng)之間的距離受到限制，通常在1米左右，而工業(yè)應(yīng)用通常希望將成像計算機放在控制室中，其距離被測對象通常都有幾十甚至上百米的距離。另外，采用這種方案的系統(tǒng)其測量硬件系統(tǒng)的工作完全由成像計算機來控制，這在一定程度上增加了成像計算機的工作任務(wù)，對實時成像是及其不利的。
鑒于上述兩個主要原因，我們發(fā)明了“具備高速數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳能力的電容成像裝置”。主要目的是滿足成像計算機和傳感器測量系統(tǒng)(即被測工業(yè)管道或反應(yīng)器)之間通常需要滿足一定的距離的要求。該系統(tǒng)和現(xiàn)有以見報道的電容成像系統(tǒng)相比在數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)姆绞缴献隽溯^大的改進(jìn)。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示本發(fā)明的特征在于它含有(1)單片機子系統(tǒng)，它含有微處理器；總地址譯碼電路，它的輸入端與上述微處理器的地址信號輸出端相連；地址鎖存器，它的輸入端與上述微處理器的地址信號輸出端相連，它的控制信號輸入端與上述微處理器輸出的控制信號相連，它的輸出端與上述微處理器的地址總線相連；通訊接口芯片，它的輸入端分別與上述微處理器的地址、數(shù)據(jù)總線和輸出的控制信號以及總地址譯碼電路的輸出端相連，它的串行發(fā)送信號輸出端與發(fā)送電平轉(zhuǎn)換電路輸入端相連，它的串行接收信號輸入端與接收電平轉(zhuǎn)換電路輸出端相連；發(fā)送電平轉(zhuǎn)換電路，它的輸出端經(jīng)過串行通訊電纜與成像計算機的ISA通訊接口卡的接收電平轉(zhuǎn)換電路的輸入端相連；接收電平轉(zhuǎn)換電路，它的輸入端經(jīng)過串行通訊電纜與成像計算機的ISA通訊接口卡的發(fā)送電平轉(zhuǎn)換電路的輸出端相連；外擴RAM，它的輸入端分別與上述微處理器的地址、數(shù)據(jù)總線和輸出的控制信號以及總地址譯碼電路的輸出端互連；(2)激勵電路，它含有從地址譯碼電路，它的輸入端經(jīng)過自定義總線接口板分別與單片機子系統(tǒng)的地址總線和控制信號以及總地址譯碼電路的輸出相連；數(shù)據(jù)鎖存電路，它的數(shù)據(jù)輸入端經(jīng)過自定義總線接口板與單片機子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)總線相連，它的控制信號輸入端分別與上述從地址譯碼電路的輸出以及經(jīng)過自定義總線接口板的與單片機子系統(tǒng)輸出的控制信號相連；激勵正弦信號發(fā)生電路，它的輸入分別與上述數(shù)據(jù)鎖存電路的輸出和從地址譯碼電路的輸出以及經(jīng)過自定義總線接口板與單片機子系統(tǒng)輸出的控制信號相連，它的輸出與激勵信號濾波放大電路的輸入相連；激勵信號濾波放大電路，它輸出的激勵信號經(jīng)過總線接口板與所有信號調(diào)理電路的CMOS切換開關(guān)輸入端互連；解調(diào)正弦信號發(fā)生電路，它的輸入分別與上述數(shù)據(jù)鎖存電路的輸出和從地址譯碼電路的輸出以及經(jīng)過自定義總線接口板與單片機子系統(tǒng)輸出的控制信號相連，它的輸出與激勵信號濾波放大電路的輸入相連；解調(diào)信號濾波放大電路，它輸出的解調(diào)信號經(jīng)過總線接口板與所有信號調(diào)理電路的CMOS切換開關(guān)輸入端互連；時鐘信號發(fā)生電路，它的輸出與上述激勵正弦信號發(fā)生電路和解調(diào)正弦電路的輸入互連；(3)敏感電極它由在流體流動管道上沿管道徑向周邊均勻貼上的一圈電極構(gòu)成，每個電極分別對應(yīng)一個信號調(diào)理電路，各電極的輸出與相應(yīng)信號調(diào)理電路的CMOS切換開關(guān)的另一個輸入端相連；(4)信號調(diào)理電路，它含有通道選擇電路，它的輸入端經(jīng)過總線接口板與單片機子系統(tǒng)的總譯碼電路的輸出相連；信號調(diào)理譯碼電路，它的地址信號輸入端通過總線接口板與單片機子系統(tǒng)的地址總線相連，它的控制信號輸入端與上述通道選擇電路的輸出相連；控制信號鎖存電路，它的數(shù)據(jù)信號輸入經(jīng)過總線接口板與單片機子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信號相連，它的控制信號輸入端分別與上述信號調(diào)理譯碼電路的輸出以及經(jīng)過總線接口板與單片機子系統(tǒng)輸出的控制信號相連；CMOS切換開關(guān)，它的一個輸入端經(jīng)過總線接口板與激勵正弦信號發(fā)生電路的輸出端相連，另一個輸入端與該信號調(diào)理電路對應(yīng)的電極互連，它的控制信號輸入與上述控制信號鎖存電路的輸出相連；電容/電壓變換電路，它的輸入與上述CMOS切換開關(guān)的輸出相連；交流放大電路，它的輸入與上述電容/電壓變換電路的輸出相連；可變增益選擇電路，它的輸入與上述交流放大電路的輸出相連，它的控制信號與上述控制信號鎖存電路的輸出相連；乘法解調(diào)電路，它的一路輸入與上述可變增益選擇電路的輸出相連，另一路輸入與經(jīng)過總線接口板的解調(diào)正弦信號發(fā)生電路的輸出相連；低通濾波電路，它的輸入與上述乘法解調(diào)電路的輸出相連；D/A高位數(shù)據(jù)鎖存電路，它的數(shù)據(jù)輸入端經(jīng)過自定義總線接口板與單片機子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)總線相連，它的控制信號分別與上述控制信號鎖存電路的輸出以及經(jīng)過總線接口板與單片機子系統(tǒng)輸出的控制信號相連；靜態(tài)電容補償D/A轉(zhuǎn)換電路，它的數(shù)據(jù)輸入端分別與上述D/A高位數(shù)據(jù)鎖存電路的輸出以及經(jīng)過總線接口板與單片機子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)總線相連，它的控制信號輸入端分別與上述信號調(diào)理譯碼電路的輸出以及經(jīng)過總線接口板與單片機子系統(tǒng)輸出的控制信號相連；差動放大電路，它的兩個模擬輸入端分別與上述低通濾波電路的輸出端以及靜態(tài)電容補償D/A轉(zhuǎn)換電路的輸出端相連，它的控制信號輸入端與上述控制信號鎖存電路的輸出相連；A/D轉(zhuǎn)換電路，它的輸入端和上述差動放大電路的輸出端相連，它的控制信號輸入端分別與上述信號調(diào)理譯碼電路的輸出以及經(jīng)過總線接口板與單片機子系統(tǒng)輸出的控制信號相連；A/D數(shù)據(jù)鎖存電路，它的輸入與上述A/D轉(zhuǎn)換電路的輸出相連，它的輸出經(jīng)過總線接口板與單片機自系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信號互連，它的控制信號輸入與上述信號調(diào)理譯碼電路的輸出以及經(jīng)過總線接口板與單片機子系統(tǒng)輸出的控制信號相連；(5)自定義總線接口板STD，上述微處理器通過該總線接口板分別與上述激勵電路和信號調(diào)理電路互連；(6)ISA通訊接口卡，它含有地址設(shè)定電路，它的輸入來自通訊接口卡上的ISA地址手動設(shè)置跳線，輸出端與地址比較電路的一路輸入相連；地址比較電路，它的一路輸入與上述地址設(shè)定電路的輸出相連，另一路輸入經(jīng)ISA總線接口板與成像計算機的地址總線相連；
ISA譯碼電路，數(shù)據(jù)信號輸入端經(jīng)過ISA總線接口板與成像計算機的地址總線相連，它的控制信號輸入端分別與上述地址比較電路的輸出以及經(jīng)過ISA總線接口板與成像計算機輸出的控制信號相連；控制鎖存電路，它的數(shù)據(jù)輸入端經(jīng)過ISA總線接口板與成像計算機的數(shù)據(jù)總線相連，它的控制信號分別與上述ISA譯碼電路的輸出以及經(jīng)過ISA總線接口板與成像計算機輸出的控制信號相連；通訊接口芯片，它的控制信號輸入端分別與上述ISA譯碼電路和控制鎖存電路的輸出以及經(jīng)過ISA總線接口板與成像計算機輸出的控制信號相連，它的數(shù)據(jù)信號經(jīng)過ISA總線接口板與成像計算機的數(shù)據(jù)總線互連，它的串行信號發(fā)送端與發(fā)送電平轉(zhuǎn)換電路的輸入相連，串行信號接收端與接收電平轉(zhuǎn)換電路的輸出相連；發(fā)送電平轉(zhuǎn)換電路，它的輸出通過串行通訊電纜與單片機子系統(tǒng)的接收電平轉(zhuǎn)換電路的輸入相連；接收電平轉(zhuǎn)換電路，它的輸入通過串行通訊電纜與單片機子系統(tǒng)的發(fā)送電平轉(zhuǎn)換電路的輸出相連；ISA總線接口板，上述成像計算機通過該總線接口板與上述地址比較電路、譯碼電路、通訊接口芯片互連。
該發(fā)明的主要特征是采用單片機(micro-processor/micro-controller)作為測量系統(tǒng)的核心控制部件，完成對電容傳感器陣列的激勵、電容電壓變換、信號調(diào)理和放大、乘法解調(diào)、零點校準(zhǔn)和A/D采樣，測量系統(tǒng)的工作由單片機控制和協(xié)調(diào)。成像計算機通過自行開發(fā)的通訊接口卡和測量系統(tǒng)之間采用RS-485串行方式進(jìn)行連接，當(dāng)測量系統(tǒng)收到來自成像計算機的命令后將測量結(jié)果以串行方式發(fā)送給成像計算機。通訊接口芯片采用美國EXAR公司的ST16C550，最高波特率可達(dá)1.5MBps。由于采用RS-485差分傳輸方式，在1.5MBps的速度下可以達(dá)到幾十米的傳輸距離。目前系統(tǒng)最高數(shù)據(jù)采集速度達(dá)到200幀/秒(8電極)，通訊速率最高可達(dá)1.5Mbps。最大通訊距離可達(dá)300米(當(dāng)通訊速率為500Kbps時)。電容傳感器采用圓形傳感器，成像軟件截面單元剖分?jǐn)?shù)為32×32，使用LBP算法成像時，在線成像速度可達(dá)80幀/秒。


圖1.典型電容成像系統(tǒng)機構(gòu)。
圖2.現(xiàn)有典型ECT系統(tǒng)機構(gòu)圖。
圖3.具備高速數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳能力的電容成像裝置原理框圖。
圖4.本發(fā)明中的微控制器模塊電路方框圖。
圖5.本發(fā)明中的激勵信號模塊電路方框圖。
圖6.本發(fā)明中的信號調(diào)理模塊電路方框圖。
圖7.本發(fā)明中的ISA通訊模塊電路方框圖。
圖8.本發(fā)明中的自定義總線物理接口。
圖9.圖4的電路原理圖。
圖10.圖5的電路原理圖。
圖11.圖6的電路原理圖。
圖12.圖7的電路原理圖。
具體實施例方式本發(fā)明所述的總線接口板采用DIN41612總線板，總線的物理結(jié)構(gòu)見圖9。
本發(fā)明總線各個管腳的電器連接定義如表1表1.具備高速數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳能力的電容成像裝置自定義總線接口及描述


本發(fā)明中各網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號定義及作用如表2表2.具備高速數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳能力的電容成像裝置網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號定義及描述


在圖4和圖9中，微處理器U1采用89E52；總地址譯碼電路U3、U9分別采用74LS138、74LS154；外擴RAM U10、U11采用6264；通訊接口芯片U4采用ST16C550；發(fā)送電平轉(zhuǎn)換電路U5和接收電平轉(zhuǎn)換電路U6采用MAX485，自定義總線插口器件J1采用DIN41612，地址鎖存器U2采用74LS573。
單片機U1的數(shù)據(jù)信號DATA0-DATA7經(jīng)總線接口插件J1送入信號調(diào)理電路，同時經(jīng)地址鎖存器U2產(chǎn)生低位地址ADATA0-ADATA7，連同高位地址ADATA8-ADATA15組成外部地址總線。地址總線低3位ADATA0-ADATA2也經(jīng)過總線接口插件送入信號調(diào)理電路。地址譯碼電路把三個高位地址ADATA15-ADATA15進(jìn)行譯碼，產(chǎn)生片選信號CSRAM1、CSRAM2、CSEXITE、ASSST、SSTREAD、SSTWRI；其中的CSEXCITE結(jié)合4個低位地址ADATA0-ADATA3經(jīng)譯碼電路U9產(chǎn)生測量通道選擇信號BOARD0-BOARD11以及正弦信號發(fā)生電路板選擇信號CSDDS。地址信號ADATA0-ADATA13、片選信號RAM1、RAM2結(jié)合數(shù)據(jù)信號DATA0-DATA7以及讀寫信號-RD和-WR分別接到外擴RAM U10、U11。數(shù)據(jù)信號DATA0-DATA7與SSTREAD、SSTWRI、ASSST結(jié)合-RD和-WR接到通訊芯片ST16C550，產(chǎn)生的異步串行通訊信號TX、RX，經(jīng)電平轉(zhuǎn)換電路U6、U7轉(zhuǎn)換電平后接入接口J2，再經(jīng)過串行通訊電纜接到ISA通訊卡。
在圖5和圖10中，從地址譯碼電路U13采用74LS138；數(shù)據(jù)鎖存電路U14采用74LS273；激勵正弦信號發(fā)生電路U18和參考正弦信號發(fā)生電路U19采用DDS(直接數(shù)字正弦波發(fā)生器)AD7008；時鐘信號發(fā)生電路U17采用50MHz有源晶振；激勵信號濾波放大電路U20、U21和參考信號濾波放大電路U22、U23都采用運算放大器LM6364；自定義總線插口J3采用DIN41612。
來自自定義總線接口J3的地址信號ADATA0-ADATA3結(jié)合片選信號CSDDS經(jīng)譯碼器U13產(chǎn)生片選信號CSSOURCE1、CSSOURCE2、CSREF1、CSREF2、DATALOCK。數(shù)據(jù)鎖存信號DATALOCK結(jié)合-WR控制鎖存電路U14，U14的輸入是數(shù)據(jù)信號DATA0-DATA7，輸出的CDATA0-CDATA7送往U18和U19的數(shù)據(jù)總線。U18產(chǎn)生的正弦波信號經(jīng)過U21、U22放大、濾波后輸出的激勵信號SINE_EXC接入總線插口J3；U19產(chǎn)生的正弦波信號經(jīng)過U22、U23放大濾波后輸出的解調(diào)信號SINE_REF也接入總線插口J3。
在圖6和圖11中，通道選擇電路JP1采用12×2的跳線插座；信號調(diào)理譯碼電路U24采用74LS138；控制信號鎖存電路中U29采用74LS573，U44采用74LS04；CMOS切換開關(guān)U30采用ADG201；電容/電壓變換電路U31采用LM6364；交流放大電路U32和U33也采用LM6364；可變增益選擇電路U34和U35都采用ADG201；乘法解調(diào)電路U36采用MPY634；低通濾波電路U37和U38都采用LM6364；靜態(tài)電容補償D/A轉(zhuǎn)換電路U40采用AD7245；D/A高位數(shù)據(jù)鎖存電路U27采用74LS573；差動放大電路U39采用PGA204；A/D轉(zhuǎn)換電路U41采用AD1674；A/D數(shù)據(jù)鎖存電路U42和U43采用74LS244；自定義總線插口J4采用DIN41612。
在圖6和圖11中，U30構(gòu)成CMOS激勵/測量切換開關(guān)。敏感電極極板經(jīng)屏蔽電纜再經(jīng)插座J5接入U30，U30另外一個輸入是經(jīng)過自定義總線板的激勵信號SINE_EXC。當(dāng)U30的控制信號EX_CTRL為低電平時，DEV_CTRL為高電平，此時激勵信號SINE_EXC通過U30接到J5，該通道對應(yīng)的極板被設(shè)定為激勵電極；反之當(dāng)EX_CTRL為高電平時，J5通過U30接到U31，此時該通道對應(yīng)的極板被設(shè)定為測量電極。電容/電壓變換電路由運算放大器U31和電容C21、電阻R21構(gòu)成。運算放大器U32和U33以及多路開關(guān)U34、U35構(gòu)成可變增益交流放大電路，其放大倍數(shù)由GAIN1及GAIN2的數(shù)值決定，其輸出送往模擬乘法器U36。U36另一路輸入信號來自總線接口板的正弦信號SINE_REF。兩路信號相乘后經(jīng)電阻分壓，送入由U37、U38構(gòu)成的三階低通濾波/放大電路，該濾波/放大電路的輸出為與被測電容成正比的直流信號?？蛇x增益差分放大器件U39增益由AMP0、AMP1控制，其正輸入端信號來自U38，負(fù)輸入端信號來自采用U40。U40的作用是補償空管電容值。U39的輸出信號ADINPUT送往采用U41。U41轉(zhuǎn)換完成后輸出的數(shù)據(jù)信號AD0-AD11送往鎖存器U42、U43。U42、U43輸出的信號通過總線接口板接入單片機子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)總線DATA0-DATA7。
圖7和圖12中，地址設(shè)定電路中RP1采用1×8排電路；JP2采用8×12跳線插座；地址比較電路U46采用74LS688；ISA譯碼電路U45采用74LS154；控制鎖存電路U49采用74LS573；通訊接口芯片采用ST16C550；發(fā)送電平轉(zhuǎn)換電路U54和接收電平轉(zhuǎn)換電路U55都采用MAX485。
成像計算機通過ISA總線接口J6將成像計算機的數(shù)據(jù)總線DATA0-DATA7、地址總線ADATA0-ADATA11、地址使能信號AEN、讀使能信號-RD、寫使能信號-WR接到該通訊卡上。地址總線高8位ADATA4-ADATA11被送往U46。U46另外一組輸入S0-S7來自RP1和JP2構(gòu)成的地址選擇器。當(dāng)S0-S7的設(shè)定值與ADATA4-ADATA11的數(shù)值相同的時候，U46的輸出變?yōu)?，地址譯碼器U45被選通，地址信號ADATA0-ADATA3被輸入U45，譯出的信號ASSST、SSTREAD、SSTWRI被送往U50，結(jié)合-RD、-WR控制采用ST16C550的U53的輸入/輸出。CSCTRL則送往U47B，和-WR一起控制鎖存器U49。U49的輸入信號為DATA0-DATA7，輸出信號包括U53的片選信號CSSST、復(fù)位信號RESETSST。U53的串行輸出/輸入信號被分別送往RS485電平轉(zhuǎn)換芯片U54和U55，再送往插座J7，通過串行通訊電纜與單片機子系統(tǒng)相連。
權(quán)利要求
1.具備高速數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳能力的電容成像裝置，包括單片機子系統(tǒng)、激勵電路、敏感電極、信號調(diào)理電路和ISA通訊接口卡，其特征在于，它含有(1)單片機子系統(tǒng)，它含有微處理器；總地址譯碼電路，它的輸入端與上述微處理器的地址信號輸出端相連；地址鎖存器，它的輸入端與上述微處理器的地址信號輸出端相連，它的控制信號輸入端與上述微處理器輸出的控制信號相連，它的輸出端與上述微處理器的地址總線相連；通訊接口芯片，它的輸入端分別與上述微處理器的地址、數(shù)據(jù)總線和輸出的控制信號以及總地址譯碼電路的輸出端相連，它的串行發(fā)送信號輸出端與發(fā)送電平轉(zhuǎn)換電路輸入端相連，它的串行接收信號輸入端與接收電平轉(zhuǎn)換電路輸出端相連；發(fā)送電平轉(zhuǎn)換電路，它的輸出端經(jīng)過串行通訊電纜與成像計算機的ISA通訊接口卡的接收電平轉(zhuǎn)換電路的輸入端相連；接收電平轉(zhuǎn)換電路，它的輸入端經(jīng)過串行通訊電纜與成像計算機的ISA通訊接口卡的發(fā)送電平轉(zhuǎn)換電路的輸出端相連；外擴RAM，它的輸入端分別與上述微處理器的地址、數(shù)據(jù)總線和輸出的控制信號以及總地址譯碼電路的輸出端互連；(2)激勵電路，它含有從地址譯碼電路，它的輸入端經(jīng)過自定義總線接口板分別與單片機子系統(tǒng)的地址總線和控制信號以及總地址譯碼電路的輸出相連；數(shù)據(jù)鎖存電路，它的數(shù)據(jù)輸入端經(jīng)過自定義總線接口板與單片機子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)總線相連，它的控制信號輸入端分別與上述從地址譯碼電路的輸出以及經(jīng)過自定義總線接口板的與單片機子系統(tǒng)輸出的控制信號相連；激勵正弦信號發(fā)生電路，它的輸入分別與上述數(shù)據(jù)鎖存電路的輸出和從地址譯碼電路的輸出以及經(jīng)過自定義總線接口板與單片機子系統(tǒng)輸出的控制信號相連，它的輸出與激勵信號濾波放大電路的輸入相連；激勵信號濾波放大電路，它輸出的激勵信號經(jīng)過總線接口板與所有信號調(diào)理電路的CMOS切換開關(guān)輸入端互連；解調(diào)正弦信號發(fā)生電路，它的輸入分別與上述數(shù)據(jù)鎖存電路的輸出和從地址譯碼電路的輸出以及經(jīng)過自定義總線接口板與單片機子系統(tǒng)輸出的控制信號相連，它的輸出與激勵信號濾波放大電路的輸入相連；解調(diào)信號濾波放大電路，它輸出的解調(diào)信號經(jīng)過總線接口板與所有信號調(diào)理電路的CMOS切換開關(guān)輸入端互連；時鐘信號發(fā)生電路，它的輸出與上述激勵正弦信號發(fā)生電路和解調(diào)正弦電路的輸入互連；(3)敏感電極它由在流體流動管道上沿管道徑向周邊均勻貼上的一圈電極構(gòu)成，每個電極分別對應(yīng)一個信號調(diào)理電路，各電極的輸出與相應(yīng)信號調(diào)理電路的CMOS切換開關(guān)的另一個輸入端相連；(4)信號調(diào)理電路，它含有通道選擇電路，它的輸入端經(jīng)過總線接口板與單片機子系統(tǒng)的總譯碼電路的輸出相連；信號調(diào)理譯碼電路，它的地址信號輸入端通過總線接口板與單片機子系統(tǒng)的地址總線相連，它的控制信號輸入端與上述通道選擇電路的輸出相連；控制信號鎖存電路，它的數(shù)據(jù)信號輸入經(jīng)過總線接口板與單片機子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信號相連，它的控制信號輸入端分別與上述信號調(diào)理譯碼電路的輸出以及經(jīng)過總線接口板與單片機子系統(tǒng)輸出的控制信號相連；CMOS切換開關(guān)，它的一個輸入端經(jīng)過總線接口板與激勵正弦信號發(fā)生電路的輸出端相連，另一個輸入端與該信號調(diào)理電路對應(yīng)的電極互連，它的控制信號輸入與上述控制信號鎖存電路的輸出相連；電容/電壓變換電路，它的輸入與上述CMOS切換開關(guān)的輸出相連；交流放大電路，它的輸入與上述電容/電壓變換電路的輸出相連；可變增益選擇電路，它的輸入與上述交流放大電路的輸出相連，它的控制信號與上述控制信號鎖存電路的輸出相連；乘法解調(diào)電路，它的一路輸入與上述可變增益選擇電路的輸出相連，另一路輸入與經(jīng)過總線接口板的解調(diào)正弦信號發(fā)生電路的輸出相連；低通濾波電路，它的輸入與上述乘法解調(diào)電路的輸出相連；D/A高位數(shù)據(jù)鎖存電路，它的數(shù)據(jù)輸入端經(jīng)過自定義總線接口板與單片機子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)總線相連，它的控制信號分別與上述控制信號鎖存電路的輸出以及經(jīng)過總線接口板與單片機子系統(tǒng)輸出的控制信號相連；靜態(tài)電容補償D/A轉(zhuǎn)換電路，它的數(shù)據(jù)輸入端分別與上述D/A高位數(shù)據(jù)鎖存電路的輸出以及經(jīng)過總線接口板與單片機子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)總線相連，它的控制信號輸入端分別與上述信號調(diào)理譯碼電路的輸出以及經(jīng)過總線接口板與單片機子系統(tǒng)輸出的控制信號相連；差動放大電路，它的兩個模擬輸入端分別與上述低通濾波電路的輸出端以及靜態(tài)電容補償D/A轉(zhuǎn)換電路的輸出端相連，它的控制信號輸入端與上述控制信號鎖存電路的輸出相連；A/D轉(zhuǎn)換電路，它的輸入端和上述差動放大電路的輸出端相連，它的控制信號輸入端分別與上述信號調(diào)理譯碼電路的輸出以及經(jīng)過總線接口板與單片機子系統(tǒng)輸出的控制信號相連；A/D數(shù)據(jù)鎖存電路，它的輸入與上述A/D轉(zhuǎn)換電路的輸出相連，它的輸出經(jīng)過總線接口板與單片機自系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信號互連，它的控制信號輸入與上述信號調(diào)理譯碼電路的輸出以及經(jīng)過總線接口板與單片機子系統(tǒng)輸出的控制信號相連；(5)自定義總線接口板STD，上述微處理器通過該總線接口板分別與上述激勵電路和信號調(diào)理電路互連；(6)ISA通訊接口卡，它含有地址設(shè)定電路，它的輸入來自通訊接口卡上的ISA地址手動設(shè)置跳線，輸出端與地址比較電路的一路輸入相連；地址比較電路，它的一路輸入與上述地址設(shè)定電路的輸出相連，另一路輸入經(jīng)ISA總線接口板與成像計算機的地址總線相連；ISA譯碼電路，數(shù)據(jù)信號輸入端經(jīng)過ISA總線接口板與成像計算機的地址總線相連，它的控制信號輸入端分別與上述地址比較電路的輸出以及經(jīng)過ISA總線接口板與成像計算機輸出的控制信號相連；控制鎖存電路，它的數(shù)據(jù)輸入端經(jīng)過ISA總線接口板與成像計算機的數(shù)據(jù)總線相連，它的控制信號分別與上述ISA譯碼電路的輸出以及經(jīng)過ISA總線接口板與成像計算機輸出的控制信號相連；通訊接口芯片，它的控制信號輸入端分別與上述ISA譯碼電路和控制鎖存電路的輸出以及經(jīng)過ISA總線接口板與成像計算機輸出的控制信號相連，它的數(shù)據(jù)信號經(jīng)過ISA總線接口板與成像計算機的數(shù)據(jù)總線互連，它的串行信號發(fā)送端與發(fā)送電平轉(zhuǎn)換電路的輸入相連，串行信號接收端與接收電平轉(zhuǎn)換電路的輸出相連；發(fā)送電平轉(zhuǎn)換電路，它的輸出通過串行通訊電纜與單片機子系統(tǒng)的接收電平轉(zhuǎn)換電路的輸入相連；接收電平轉(zhuǎn)換電路，它的輸入通過串行通訊電纜與單片機子系統(tǒng)的發(fā)送電平轉(zhuǎn)換電路的輸出相連；ISA總線接口板，上述成像計算機通過該總線接口板與上述地址比較電路、譯碼電路、通訊接口芯片互連。
全文摘要
具備高速數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳能力的電容成像裝置屬于兩相流測量技術(shù)領(lǐng)域，其特征在于使用單片機經(jīng)過總線控制激勵電路和信號調(diào)理電路，使用通訊芯片經(jīng)RS485串行電纜與接在計算機上的ISA通訊卡連接。它大大提高了數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳能力。當(dāng)通訊波特率為500kbps的時候最大通訊距離可以達(dá)到300米。從而避免把成像計算機置于惡劣的工業(yè)現(xiàn)場，大大提高了其實用性。
文檔編號G01N27/22GK1558220SQ20041000116
公開日2004年12月29日 申請日期2004年2月3日 優(yōu)先權(quán)日2004年2月3日
發(fā)明者陸耿, 彭黎輝, 張寶芬, 陸 耿 申請人:清華大學(xué)