基于FPGA的新型电容数据采集系统设计_技术

摘要：数据采集系统的速度制约了电容层析成像技术在航空发动机气路监测系统等高速设备中的应用。为此，设计了一种基于FPGA的新型电容数据采集系统，采用DDR2存储技术和PCI总线技术实现了数据的高速传输。同时应用卡尔曼滤波器代替传统的FIR滤波器，有效提高了滤波效率。测试结果表明，该系统具有抗干扰能力强、采样精度高、处理速度快等优点。

航卒发动机结构复杂、工作环境恶劣。对其准确快速检测一直是航空公司面临的重大技术难题。

航空发动机排出的尾气主要是大量的排放气体、未完全燃烧液滴以及机械磨损产生的金属屑等混合多相流体。通过检测、分析这些颗粒物特性，能够实时地反映发动机工作状态，为发动机视情维修提供依据。

电容层析成像技术ECT(Electrical Capacitance Tomog—raphy)具有非侵入、可视化、响应速度快等优点，使其在低速多相流体过程参数检测中拥有显著的优势_2_。目前，已有ECT系统在稀相煤粉气固两相流检测中应用的报道1 31。相关文献未见ECT系统对高温、高速的航空发动机尾气这种特殊气固两相流检测的报道。数据采集速度是制约ECT系统在航空发动机尾气检测应用中的瓶颈之一。针对这一问题，本文设计了一种新型高速数据采集系统，在保证一定精度的同时显著提高了数据采集的速度。主要包括以下两方面的工作：
(1)硬件改进：应用DDR2存储技术和PCI总线技术提高数据的吞吐率。
(2)软件改进：应用卡尔曼滤波器替代传统的FIR滤波器，因为不需要时域和频域之间的转换，在保汪一定信噪比的同时，可提高滤波效率。

图1为ECT系统结构图，主要由三部分组成：阵列式电容传感器、数据采集与信号处理单元以及图像重建与分析显示单元。

1 系统总体方案

基于ECT的航空发动机气路检测系统总体设计框图如图2所示。

本系统采用两片FPGA芯片作为核心处理器。一片选用Xilinx公司的Spartan-6系列XC6SLX16—2CSG324，用于控制12 bit高速模数转换器AD9224直接对C／V转换电路输出Vo( )进行采样，并将A／D转换后的信号存储到DDR2中。另一片选用了Altera公司的CycloneJl系列EP2C5Q208C8N芯片，实现存储数据的滤波与相敏解调，并以DMA 的方式将处理后的数据通过PCI总线传送给上位机以完成图像重建。

2 数据采集系统的设计

数据采集系统主要由A／D转换、信号处理和PCI总线数据传输三大部分组成。

2．1 A／D转换设计
由于ECT系统采集到的信号微弱，因此，A／D转换电路的精度将直接影响成像效果。本系统采用美国ADI公司的高速芯片AD9224。AD9224具有12bit的位宽、40 MS／s的转换速率。AD9224的输入范围由参考端唧控制，支持直流或交流耦合的单端或差分输入。本文所采用的系统激励频率为500 kHz，并且采用串行的方式采集数据。因此，选用交流耦合单端输入方式，如图3所示。