基于FPGA的并行ECT数据采集系统研究
发布时间：2022-02-04 18:22
传统的电容层析成像技术（Electrical Capacitance Tomography,ECT）系统串行测量模式难以捕捉航空发动机尾喷管处尾气瞬时状态信息,为满足航空发动机尾喷管处尾气的监测需求,本文设计了一种高速并行ECT数据采集系统,以5个现场可编程门阵列（FPGA）芯片协同控制为核心,从而达到提升数据采集部分吞吐量的目的,进而提高系统响应速度,对于监测航空发动机尾喷管处尾气具有十分重要的意义。本文深入研究解决了并行模式电容层析成像系统设计中的多核心控制器协调、多通道数据同步采集、相敏解调、传输问题,主要工作和结果如下:1、设计了一种基于5片FPGA的并行ECT数据采集系统,系统划分为两级设计,第一级为数据采集、数字相敏解调算法处理,第二级负责FPGA系统与PC上位机通信。利用FPGA的并行处理优势,减少处理器中循环计算队列所耗费的时间,依据功能可实现性,将整个系统划分为激励源主控制器、协处理器、通信模块,并进行系统级融合调试,有效提高了系统整体数据吞吐率。2、系统第一级包含C/V转换、抗混叠滤波、模数转换以及3个用于数字相敏解调的协处理器,两级之间的数据传输采用多通道级联SP...
【文章来源】：中国民航大学天津市
【文章页数】：75 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
数模转换芯片内部逻辑功能框图
3.2.2 开关选通模块 并行系统工程实现时，为了达到一对差分电极处于激励模式，其余差分电极对同时处于测量模式的目的，获得更加丰富的物场信息，设计成每对差分电极有两种状态模式，即激励模式和测量模式。三块电容至数字（C/V+A/D）集成转换电路板共 12 通道，对应 24 个四通道单刀单掷高速 CMOS 开关芯片，可实现一对差分处于激励状态，其余差分电极对同时测量的电路功能。单个电极的选通开关控制逻辑电路如图 3-3 差分激励测量开关组合电路图所示，每个电极对应两个四通道单刀单掷高速 CMOS 开关，由于没对差分电极对的测量模式都是保持同步的，因此共用相同的控制信号，节省 FPGA 的 I/O口。
中国民航大学硕士学位论文18还可以看出，输出电压与激励电压的极性相反。基于此，通过电路设计仿真软件Multism仿真验证最终设计出如图3-5所示的交流法C/V转换电路，但Multisim仿真实验以及工程实践测试表明，该电路最大能承受1MHz左右的转化频率，输出的压摆跟不上输入端，出现非线性失真，影响数据采集系统的解调精度以及后续成像质量。基于此交流法充放电电路的频率限制，从速度精度以及实现难度，折中考虑系统采用500KHz的正弦激励信号。图3-5交流法C/V转换电路3.2.5抗混叠滤波C/V电路的功能只是把电容信号转化为电压信号，便于模数转换器件对其采样，但是其中掺杂有各种因素引起的高频杂波分量，在不影响系统实时性的前提下，在C/V电路转换后，模数转换器件之前加入抗混叠滤波电路，在满足香浓采样定理的前提下，结合系统工程实现的实际条件，合理的选择抗混叠滤波电路的截止频率，截止频率如果选的过小，那么电路的延迟时间会较大[34]，影响系统采集速度，如果截止频率选的过大，则无法有效地滤波高频噪声，导致信号的信噪比低，影响系统的数据采集解调精度和成像质量[35]。并行系统中12个通道，对应12路C/V转换电路、12路抗混叠滤波电路。采用AD817运算放大器设计的其中一路（12路）抗混叠滤波电路设计如图3-6所示，其中C/V_OUT_1即经过C/V转换后的电压信号，AD_IN即经过抗混叠滤波电路即将进入AD转换电路的信号。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于USB 3.0的高速CMOS图像传感器数据采集系统[J]. 丁宁,常玉春,赵健博,王超,杨小天. 吉林大学学报(工学版). 2018(04)
[2]基于FPGA的USB3.0通信架构设计与实现[J]. 吴春春,胡怀湘,金达,陈相宇. 计算机与现代化. 2017(10)
[3]基于FPGA和USB3.0的通用数据传输系统设计[J]. 匡鹏,刘冲,王永纲. 微型机与应用. 2017(07)
[4]基于USB3.0接口的高速数据传输系统设计[J]. 宋中喆,裴东兴,杨少博. 现代电子技术. 2017(04)
[5]孔探技术在航空发动机维修中的应用[J]. 刘斌江,孙科. 国防制造技术. 2016(03)
[6]一种基于FPGA的一体化数字接收机实现[J]. 邹敏,陈勇,罗进川. 仪器仪表用户. 2016(07)
[7]基于USB3.0和FPGA的传动误差检测系统的设计[J]. 张静,彭东林,郑永. 计算机测量与控制. 2016(01)
[8]基于ECT技术的航空发动机尾气监测系统设计[J]. 马敏,周苗苗,李新建. 传感器与微系统. 2015(05)
[9]基于FPGA与Matlab的数字正交解调器的设计[J]. 周之丽,孟令军,王晓丹,张晓春. 计算机测量与控制. 2015(01)
[10]FPGA的模块化设计方法[J]. 张松,李筠. 电子测量与仪器学报. 2014(05)
博士论文
[1]电学层析成像激励测量模式及图像重建算法研究[D]. 张立峰.天津大学 2010
[2]基于静电感应的航空发动机气路监测技术研究[D]. 文振华.南京航空航天大学 2009
硕士论文
[1]滑油系统静电监测试验研究[D]. 陈进.南昌航空大学 2018
[2]发动机叶片原位无损检测技术研究[D]. 徐健.大连理工大学 2016
[3]基于FPGA和USB3.0的超高速数据采集系统设计[D]. 温建飞.中北大学 2016
[4]基于ECT的航空发动机尾气监测系统设计与实现[D]. 陆成超.中国民航大学 2016
[5]基于SOC异步FIFO的设计与形式验证[D]. 张波.西安电子科技大学 2015
[6]基于USB3.0接口的高速数据传输电路设计与实现[D]. 李泽明.中北大学 2014
[7]航空发动机故障诊断中孔探图像特征提取技术应用研究[D]. 张勇.国防科学技术大学 2006
本文编号：3613709
【文章来源】：中国民航大学天津市
【文章页数】：75 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
数模转换芯片内部逻辑功能框图
3.2.2 开关选通模块 并行系统工程实现时，为了达到一对差分电极处于激励模式，其余差分电极对同时处于测量模式的目的，获得更加丰富的物场信息，设计成每对差分电极有两种状态模式，即激励模式和测量模式。三块电容至数字（C/V+A/D）集成转换电路板共 12 通道，对应 24 个四通道单刀单掷高速 CMOS 开关芯片，可实现一对差分处于激励状态，其余差分电极对同时测量的电路功能。单个电极的选通开关控制逻辑电路如图 3-3 差分激励测量开关组合电路图所示，每个电极对应两个四通道单刀单掷高速 CMOS 开关，由于没对差分电极对的测量模式都是保持同步的，因此共用相同的控制信号，节省 FPGA 的 I/O口。
中国民航大学硕士学位论文18还可以看出，输出电压与激励电压的极性相反。基于此，通过电路设计仿真软件Multism仿真验证最终设计出如图3-5所示的交流法C/V转换电路，但Multisim仿真实验以及工程实践测试表明，该电路最大能承受1MHz左右的转化频率，输出的压摆跟不上输入端，出现非线性失真，影响数据采集系统的解调精度以及后续成像质量。基于此交流法充放电电路的频率限制，从速度精度以及实现难度，折中考虑系统采用500KHz的正弦激励信号。图3-5交流法C/V转换电路3.2.5抗混叠滤波C/V电路的功能只是把电容信号转化为电压信号，便于模数转换器件对其采样，但是其中掺杂有各种因素引起的高频杂波分量，在不影响系统实时性的前提下，在C/V电路转换后，模数转换器件之前加入抗混叠滤波电路，在满足香浓采样定理的前提下，结合系统工程实现的实际条件，合理的选择抗混叠滤波电路的截止频率，截止频率如果选的过小，那么电路的延迟时间会较大[34]，影响系统采集速度，如果截止频率选的过大，则无法有效地滤波高频噪声，导致信号的信噪比低，影响系统的数据采集解调精度和成像质量[35]。并行系统中12个通道，对应12路C/V转换电路、12路抗混叠滤波电路。采用AD817运算放大器设计的其中一路（12路）抗混叠滤波电路设计如图3-6所示，其中C/V_OUT_1即经过C/V转换后的电压信号，AD_IN即经过抗混叠滤波电路即将进入AD转换电路的信号。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于USB 3.0的高速CMOS图像传感器数据采集系统[J]. 丁宁,常玉春,赵健博,王超,杨小天. 吉林大学学报(工学版). 2018(04)
[2]基于FPGA的USB3.0通信架构设计与实现[J]. 吴春春,胡怀湘,金达,陈相宇. 计算机与现代化. 2017(10)
[3]基于FPGA和USB3.0的通用数据传输系统设计[J]. 匡鹏,刘冲,王永纲. 微型机与应用. 2017(07)
[4]基于USB3.0接口的高速数据传输系统设计[J]. 宋中喆,裴东兴,杨少博. 现代电子技术. 2017(04)
[5]孔探技术在航空发动机维修中的应用[J]. 刘斌江,孙科. 国防制造技术. 2016(03)
[6]一种基于FPGA的一体化数字接收机实现[J]. 邹敏,陈勇,罗进川. 仪器仪表用户. 2016(07)
[7]基于USB3.0和FPGA的传动误差检测系统的设计[J]. 张静,彭东林,郑永. 计算机测量与控制. 2016(01)
[8]基于ECT技术的航空发动机尾气监测系统设计[J]. 马敏,周苗苗,李新建. 传感器与微系统. 2015(05)
[9]基于FPGA与Matlab的数字正交解调器的设计[J]. 周之丽,孟令军,王晓丹,张晓春. 计算机测量与控制. 2015(01)
[10]FPGA的模块化设计方法[J]. 张松,李筠. 电子测量与仪器学报. 2014(05)
博士论文
[1]电学层析成像激励测量模式及图像重建算法研究[D]. 张立峰.天津大学 2010
[2]基于静电感应的航空发动机气路监测技术研究[D]. 文振华.南京航空航天大学 2009
硕士论文
[1]滑油系统静电监测试验研究[D]. 陈进.南昌航空大学 2018
[2]发动机叶片原位无损检测技术研究[D]. 徐健.大连理工大学 2016
[3]基于FPGA和USB3.0的超高速数据采集系统设计[D]. 温建飞.中北大学 2016
[4]基于ECT的航空发动机尾气监测系统设计与实现[D]. 陆成超.中国民航大学 2016
[5]基于SOC异步FIFO的设计与形式验证[D]. 张波.西安电子科技大学 2015
[6]基于USB3.0接口的高速数据传输电路设计与实现[D]. 李泽明.中北大学 2014
[7]航空发动机故障诊断中孔探图像特征提取技术应用研究[D]. 张勇.国防科学技术大学 2006
本文编号：3613709
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