新型ECT數據采集系統的制作方法

本發明涉及一種數據采集系統，尤其是一種新型ECT數據采集系統。

背景技術：

電容層析成像技術(ECT)是一項基于電容敏感原理的過程層析成像技術。它具有響應速度快、與被測物流非接觸、安裝簡便及成本低等特點，能提供封閉容器及管道內部物流情況的二維或三維可視化信息，在工業過程參數的可視化檢測應用中已經成為一種非常有發展潛力的技術。

目前，ECT系統主要由多電極電容傳感器、數據采集系統以及成像計算機等構成，其中數據采集是最為關鍵的中間環節。依目前的技術，ECT探測器系統的最大成像速度大約是100幀／s，難以保證成像系統的實時性。在數據采集系統中使用大量的模擬器件，如模擬解調器以及模擬濾波器因為受到自身精確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。

技術實現要素：

本發明提出了一種新型ECT數據采集系統，提高了數據采集的速度和精確度。

本發明所采用的技術方案是：新型ECT數據采集系統以現場可編程門陣列(FPGA)作為ECT數據采集系統的核心控制單元，還包括傳感器幾班控制陣列，C/V轉換，差分放大、A/D轉換、補償、USB接口、PC機。

FPGA作為系統的控制單元控制著交流激勵電壓信號的產生；控制每個電極在三個狀態(激勵、檢測和接地)之間的轉換；協調A／D轉換的采樣時鐘。在開始一個周期的電路測量時，首先FPGA控制產生交流激勵電壓加載到激勵電極上，然后檢測選中電極對之間的電容值，通過C／V轉換電路將其轉換成電壓值，用A／D轉換電路將輸出的電壓值直接模／數轉換，然后將數字化的數據在FPGA內部進行數字解調，解調完成之后，將結果送人FIFO緩存中，最后通過USB并行接口將所需數據傳送到成像計算機進行圖像的重建。

所述FPGA包括存儲器、調節濾波器、DDS信號發生器、控制極板切換電路。

DDS信號發生器在參考時鐘的驅動下，相位累加器對頻率控制字進行線性的累加，得到的相位碼對波形存儲器尋址，使之輸出相應的幅度碼，經過模／數轉換器得到相應的階梯波，最后利用低通濾波器對這個階梯波進行平滑處理，最后得出所需要的頻率平滑、波形連續的信號。

ECT數據采集系統極板控制電路采用串行的檢測模式進行。當采用三電極激勵雙電極檢測的方式對電容傳感器進行測量時，即當電極組合1為激勵時，激勵電壓加載到電極1、2、3這三個極板上，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行循環采樣，一直到192個不同值都被測量出來，就完成一個周期的測量。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行切換。采用16電極的ECT電容傳感器，由于每個極板有三個控制開關，因此總共有48個電子開關對極板進行控制。選取FPGA上的48個引腳分別對這48個電子開關進行控制。FPGA內部，在時鐘的控制下，不同時刻不同引腳或為高電平或為低電平，從而控制電子開關的閉合與斷開，以達到極板工作方式的切換。

ECT探測器系統數字解調指由模／數(A／D)轉換器對經過C／V轉換電路的信號進行采樣，然后將數字化的信號傳送至高性能的數字信號處理器，在處理器內部利用數值計算的算法計算出被測信號的幅度數值和相應的相位信息。模塊采用正交序列解調的方法，該解調方法是將匹配濾波器的相關理論運用到里面。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到最大值。

本發明的有益效果是：采用基于FPGA的ECT數據采集系統可以有效地對輸出信號幅值與頻率進行調整。通過FPGA來控制電容傳感器極板切換電路，在節約空間的同時降低系統組件成本，并且通過數字解調可以減少低通濾波等環節時間開銷。由于MAC工作頻率高于ADC采樣頻率，在A／D轉換完成之后的下一個周期就可得到解調結果，提高了數據采集的速度和精確度。

附圖說明

下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。

圖1是新型ECT數據測量與采集系統圖。

圖2是每個電極單獨使用一個C/V轉換電路圖。

圖3是所有的電極共同使用一個C/V轉換電路圖。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。

如圖1，新型ECT數據采集系統以現場可編程門陣列(FPGA)作為ECT數據采集系統的核心控制單元，還包括傳感器幾班控制陣列，C/V轉換，差分放大、A/D轉換、補償、USB接口、PC機。

FPGA作為系統的控制單元控制著交流激勵電壓信號的產生；控制每個電極在三個狀態(激勵、檢測和接地)之間的轉換；協調A／D轉換的采樣時鐘。在開始一個周期的電路測量時，首先FPGA控制產生交流激勵電壓加載到激勵電極上，然后檢測選中電極對之間的電容值，通過C／V轉換電路將其轉換成電壓值，用A／D轉換電路將輸出的電壓值直接模／數轉換，然后將數字化的數據在FPGA內部進行數字解調，解調完成之后，將結果送人FIFO緩存中，最后通過USB并行接口將所需數據傳送到成像計算機進行圖像的重建。

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

ECT數據采集系統極板控制電路采用串行的檢測模式進行。當采用三電極激勵雙電極檢測的方式對電容傳感器進行測量時，即當電極組合1為激勵時，激勵電壓加載到電極1、2、3這三個極板上，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行循環采樣，一直到192個不同值都被測量出來，就完成一個周期的測量。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行切換。采用16電極的ECT電容傳感器，由于每個極板有三個控制開關，因此總共有48個電子開關對極板進行控制。選取FPGA上的48個引腳分別對這48個電子開關進行控制。FPGA內部，在時鐘的控制下，不同時刻不同引腳或為高電平或為低電平，從而控制電子開關的閉合與斷開，以達到極板工作方式的切換。