数据采集系统设计论文

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1系统的构成框架和工作原理

通过对电极形状、数目的选择，接地屏蔽层的合理设计和对传感器结构参数的比较优化，最终确定传感器模块采用16极板的ECT系统传感器。为便于在设计中及时发现错误并改正，提高工作效率，设计了基于FPGA的数据采集系统，该方法能够根据需要实现系统的重构。另外，为了有效地抑制杂散电容干扰，采用锁相环技术实现相干检测，进一步完成了对C/V转换电路的设计。计算机成像模块通过接口电路将数据缓存区的数据传输给计算机，采用迭代算法实现对图像的重建。

2传感器模块

ECT系统由均匀安装在管道表面的电极对组成，目前常用的有8极板、12极板、16极板等模型，极板数目越多，则可以获得的测量数据就越多，数据源的增多将提高重建图像的显示质量，然而也会引入信噪比降低、边缘效应增大等隐形问题。综合考虑采用16极板的传感器系统。

3数据采集系统设计和处理模块

结合航空发动机实际工作情况，可知此数据采集过程需满足高速率、高精度、大存储量以及对环境适应性强的性能要求，基于以上比较，本文选取FPGA芯片作为核心的逻辑控制器件。该器件选用Xilinx公司的Spartan—3系列FP-GA芯片，其核心芯片为XC3s500E。选用LTC1407型A/D转换器，VerilogHDL语言作为描述语言实现了对整个系统的采样、数据处理等过程的控制，并以XilinxISEDesignSuite13．1软件为平台，仿真验证了这一系统的可行性。

3．1C/V转换电路

电容作为一个特殊物理量，测量系统中存在的杂散电容值往往要大于被测电容值，而基于ECT技术的测量系统对微小电容的检测存在一定的局限性，因此，应系统要求，本文选择了抗杂散电容能力较强的物理电路。

3．2A/D转换电路

本系统采用的A/D转换电路是一个双通道的模拟信号采集电路，它由可变增益放大器LTC6912—1和A/D转换芯片LTC1407—1两部分组成。通过外部调节，自主改变可变增益放大器的放大倍数可以为芯片提供合适的电压信号，从而提高整个系统的转换精度。

3．3系统流程控制

考虑到FPGA不善长流程控制，在本文设计中引入了MCU软核，用于数据采集过程的流程控制。

4计算机成像模块

图像重建基本思想是依据有限的投影数据，采用简单有效的图像重建算法以实现Radon逆变换的过程。其主要数学理论基础是基于Radon变换和Radon逆变换，奥地利数学家Radon于20世纪初期在其发表的论文中证明，任何N维物体可以通过其N－1维投影来重建。

5仿真结果与验证

由于航空发动机尾气是多相流介质，且各项介质具有不同的相对介电常数。一旦发动机尾气内组分浓度发生变化，相应地就会引起多相流混合介质等价介电常数发生变化，并导致极板间电容值和实时采集的投影数据皆更变的连锁效应，为模拟管内充满相对介电常数为1的物质时所测得的120个电容测量值。如果其中掺杂进去相对介电常数为3的物质流，便可得到120组新的电容测量数据，由数据通过计算机成像便可重建出管道内物质分布，如图10所示，图中四幅图像表示发动机管中存在相对介电常数为3的物质流由汇聚到摊开的形状变化过程。结果表明:当设计管道内放入两相或多相介质时，通过本系统能够成功采集数据，并经USB接口传送给计算机能实现图像重建，最终重建出飞机发动机中介质分布图像，验证了本设计的可行性。

6结束语

ECT技术以其使用范围广、成本低廉、结构简单、非侵入性、安全性能好等优点，已在很多领域得到应用。本文首次将该技术应用在飞机尾气监测领域中，在此基础上，为节省外部电路，提高采集速率，改变传统的数据采集采用单片机和DSP作为主控模块的方法，采用基于FPGA的数据采集系统，使系统具有稳定性好、功耗小，实时性好的优势。

作者:马敏周苗苗李新建单位:中国民航大学