本發(fā)明涉及一種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，尤其是一種新型ECT數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

電容層析成像技術(shù)(ECT)是一項(xiàng)基于電容敏感原理的過程層析成像技術(shù)。它具有響應(yīng)速度快、與被測物流非接觸、安裝簡便及成本低等特點(diǎn)，能提供封閉容器及管道內(nèi)部物流情況的二維或三維可視化信息，在工業(yè)過程參數(shù)的可視化檢測應(yīng)用中已經(jīng)成為一種非常有發(fā)展?jié)摿Φ募夹g(shù)。

目前，ECT系統(tǒng)主要由多電極電容傳感器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及成像計(jì)算機(jī)等構(gòu)成，其中數(shù)據(jù)采集是最為關(guān)鍵的中間環(huán)節(jié)。依目前的技術(shù)，ECT探測器系統(tǒng)的最大成像速度大約是100幀／s，難以保證成像系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中使用大量的模擬器件，如模擬解調(diào)器以及模擬濾波器因?yàn)槭艿阶陨砭_度的限制以及其他因素的干擾，測量的精確度更加難以保證。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提出了一種新型ECT數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，提高了數(shù)據(jù)采集的速度和精確度。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：新型ECT數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)作為ECT數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心控制單元，還包括傳感器幾班控制陣列，C/V轉(zhuǎn)換，差分放大、A/D轉(zhuǎn)換、補(bǔ)償、USB接口、PC機(jī)。

FPGA作為系統(tǒng)的控制單元控制著交流激勵(lì)電壓信號的產(chǎn)生；控制每個(gè)電極在三個(gè)狀態(tài)(激勵(lì)、檢測和接地)之間的轉(zhuǎn)換；協(xié)調(diào)A／D轉(zhuǎn)換的采樣時(shí)鐘。在開始一個(gè)周期的電路測量時(shí)，首先FPGA控制產(chǎn)生交流激勵(lì)電壓加載到激勵(lì)電極上，然后檢測選中電極對之間的電容值，通過C／V轉(zhuǎn)換電路將其轉(zhuǎn)換成電壓值，用A／D轉(zhuǎn)換電路將輸出的電壓值直接模／數(shù)轉(zhuǎn)換，然后將數(shù)字化的數(shù)據(jù)在FPGA內(nèi)部進(jìn)行數(shù)字解調(diào)，解調(diào)完成之后，將結(jié)果送人FIFO緩存中，最后通過USB并行接口將所需數(shù)據(jù)傳送到成像計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖像的重建。

所述FPGA包括存儲器、調(diào)節(jié)濾波器、DDS信號發(fā)生器、控制極板切換電路。

DDS信號發(fā)生器在參考時(shí)鐘的驅(qū)動(dòng)下，相位累加器對頻率控制字進(jìn)行線性的累加，得到的相位碼對波形存儲器尋址，使之輸出相應(yīng)的幅度碼，經(jīng)過模／數(shù)轉(zhuǎn)換器得到相應(yīng)的階梯波，最后利用低通濾波器對這個(gè)階梯波進(jìn)行平滑處理，最后得出所需要的頻率平滑、波形連續(xù)的信號。

ECT數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)極板控制電路采用串行的檢測模式進(jìn)行。當(dāng)采用三電極激勵(lì)雙電極檢測的方式對電容傳感器進(jìn)行測量時(shí)，即當(dāng)電極組合1為激勵(lì)時(shí)，激勵(lì)電壓加載到電極1、2、3這三個(gè)極板上，檢測電路連接到極板4、5上面，其余的那些電極板則接地。按照排列組合原理對其它電極進(jìn)行循環(huán)采樣，一直到192個(gè)不同值都被測量出來，就完成一個(gè)周期的測量。電容傳感器的每一塊電極板都有三種工作模式，分別是作為激勵(lì)的電極板、作為檢測的電極板，以及電極板接地。

采用電極板控制電路來對電極板不同工作方式進(jìn)行切換。采用16電極的ECT電容傳感器，由于每個(gè)極板有三個(gè)控制開關(guān)，因此總共有48個(gè)電子開關(guān)對極板進(jìn)行控制。選取FPGA上的48個(gè)引腳分別對這48個(gè)電子開關(guān)進(jìn)行控制。FPGA內(nèi)部，在時(shí)鐘的控制下，不同時(shí)刻不同引腳或?yàn)楦唠娖交驗(yàn)榈碗娖?，從而控制電子開關(guān)的閉合與斷開，以達(dá)到極板工作方式的切換。

ECT探測器系統(tǒng)數(shù)字解調(diào)指由模／數(shù)(A／D)轉(zhuǎn)換器對經(jīng)過C／V轉(zhuǎn)換電路的信號進(jìn)行采樣，然后將數(shù)字化的信號傳送至高性能的數(shù)字信號處理器，在處理器內(nèi)部利用數(shù)值計(jì)算的算法計(jì)算出被測信號的幅度數(shù)值和相應(yīng)的相位信息。模塊采用正交序列解調(diào)的方法，該解調(diào)方法是將匹配濾波器的相關(guān)理論運(yùn)用到里面。匹配濾波器在原理上是屬于線性濾波器，在白噪聲的影響下使輸出的信噪比達(dá)到最大值。

本發(fā)明的有益效果是：采用基于FPGA的ECT數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以有效地對輸出信號幅值與頻率進(jìn)行調(diào)整。通過FPGA來控制電容傳感器極板切換電路，在節(jié)約空間的同時(shí)降低系統(tǒng)組件成本，并且通過數(shù)字解調(diào)可以減少低通濾波等環(huán)節(jié)時(shí)間開銷。由于MAC工作頻率高于ADC采樣頻率，在A／D轉(zhuǎn)換完成之后的下一個(gè)周期就可得到解調(diào)結(jié)果，提高了數(shù)據(jù)采集的速度和精確度。

附圖說明

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明。

圖1是新型ECT數(shù)據(jù)測量與采集系統(tǒng)圖。

圖2是每個(gè)電極單獨(dú)使用一個(gè)C/V轉(zhuǎn)換電路圖。

圖3是所有的電極共同使用一個(gè)C/V轉(zhuǎn)換電路圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

如圖1，新型ECT數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)作為ECT數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心控制單元，還包括傳感器幾班控制陣列，C/V轉(zhuǎn)換，差分放大、A/D轉(zhuǎn)換、補(bǔ)償、USB接口、PC機(jī)。

FPGA作為系統(tǒng)的控制單元控制著交流激勵(lì)電壓信號的產(chǎn)生；控制每個(gè)電極在三個(gè)狀態(tài)(激勵(lì)、檢測和接地)之間的轉(zhuǎn)換；協(xié)調(diào)A／D轉(zhuǎn)換的采樣時(shí)鐘。在開始一個(gè)周期的電路測量時(shí)，首先FPGA控制產(chǎn)生交流激勵(lì)電壓加載到激勵(lì)電極上，然后檢測選中電極對之間的電容值，通過C／V轉(zhuǎn)換電路將其轉(zhuǎn)換成電壓值，用A／D轉(zhuǎn)換電路將輸出的電壓值直接模／數(shù)轉(zhuǎn)換，然后將數(shù)字化的數(shù)據(jù)在FPGA內(nèi)部進(jìn)行數(shù)字解調(diào)，解調(diào)完成之后，將結(jié)果送人FIFO緩存中，最后通過USB并行接口將所需數(shù)據(jù)傳送到成像計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖像的重建。

如圖2、圖3，電極控制電路中，當(dāng)激勵(lì)電壓加載到電極i，檢測電路接到電極，時(shí)，則電子開關(guān)S2i，S1，閉合，電子開關(guān)S1i，S2f，Sei，Sei斷開。當(dāng)激勵(lì)電壓加載到電極J，而檢測電路連接到電極i上時(shí)，電子開關(guān)S2f，S1i閉合，電子開關(guān)S1i，S2i，Sei，Sei斷開。

ECT數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)極板控制電路采用串行的檢測模式進(jìn)行。當(dāng)采用三電極激勵(lì)雙電極檢測的方式對電容傳感器進(jìn)行測量時(shí)，即當(dāng)電極組合1為激勵(lì)時(shí)，激勵(lì)電壓加載到電極1、2、3這三個(gè)極板上，檢測電路連接到極板4、5上面，其余的那些電極板則接地。按照排列組合原理對其它電極進(jìn)行循環(huán)采樣，一直到192個(gè)不同值都被測量出來，就完成一個(gè)周期的測量。電容傳感器的每一塊電極板都有三種工作模式，分別是作為激勵(lì)的電極板、作為檢測的電極板，以及電極板接地。

采用電極板控制電路來對電極板不同工作方式進(jìn)行切換。采用16電極的ECT電容傳感器，由于每個(gè)極板有三個(gè)控制開關(guān)，因此總共有48個(gè)電子開關(guān)對極板進(jìn)行控制。選取FPGA上的48個(gè)引腳分別對這48個(gè)電子開關(guān)進(jìn)行控制。FPGA內(nèi)部，在時(shí)鐘的控制下，不同時(shí)刻不同引腳或?yàn)楦唠娖交驗(yàn)榈碗娖?，從而控制電子開關(guān)的閉合與斷開，以達(dá)到極板工作方式的切換。