（检测技术与自动化装置专业论文）电阻层析成像并行数据采集系统设计.pdf

中文摘要 电阻层析成像( e r t ) 技术是近年来发展起来的一种高新的检测技术，可实 现对封闭的管道或过程容器设备内部多相组分物质参数的可视化测量，具有非 侵入、无辐射、在线检测等优点，在两相多相流检测中有广阔的应用前景。目 前不能广泛应用于工业在线检测，主要原凶是由其实时性造成的。 本课题从电阻层析成像数据采集系统的实时性入手分析，设计一套e r t 并 行数据采集系统，主要的研究工作和结果如下： 1 完成e r t 并行数据采集系统的实时性分析。通过对数据采集过程中耗时 巨大的低通滤波环节的理论分析和仿真验证，得出6 0 k h z , - 2 0 0 k h z 激励信号通 过低通滤波器的稳定时间，计算出e r t 并行数据采集系统在不同频率的激励信 号下的数据采集速度，当系统采用6 0 k h z 频率的正弦波信号激励时，系统的数 据采集速度理论值可以达到7 4 2 幅秒；2 0 0 k i t z 激励时，系统数据采集速度理论 值可达1 3 6 6 幅秒。 2 实现e r t 并行数据采集系统的平台设计。在实时性分析的基础上，采用 基于p c i 总线的数字i 0 卡和数据采集卡设计了一套e r t 并行数据采集系统， 利用自定义总线将系统内部的结构单元模块化。该系统包括信号发生、电极传 感器阵列、数据采集、数据预处理、逻辑时序、信号背板等部分；在数据预处 理和数据采集部分，采用1 6 通道并行传输，包括1 6 通道的差动放大、1 6 通道 的解调滤波和1 6 通道的a d 转换。 3 调试各个功能模块，并能测量管道内部电势场的分布情况，初步分析e r t 并行数据采集系统测量值的完整性和有效性。 关键词：电阻层析成像实时性并行数据采集低通滤波器 a b s t r a c t e l e c t r i c a lr e s i s t a n c et o m o g r a p h y ( e r t ) i san o v e lc r o s ss e c t i o nm e a s u r e m e n t t e c h n o l o g yd e v e l o p e di nr e c e n ty e a r s i tc a na c h i e v et h ev i s u a l i z a t i o nm e a s u r e m e n to f m u l t i p h a s em e d i ac o m p o n e n tp a r a m e t e ri nt h ec l o s e dp i p ea n dp r o c e s sv e s s e li n s i d e a n di th a st h ev i r t u eo fn o n - i n t r u s i v e ，n o n - r a d i a t i o na n do n - l i n ev i s u a lm o n i t o r i n g a n di ti sn o wi nag r e a tp r o s p e c t i v ei nt w o - p h a s ef l o w a tp r e s e n t ，t h e r ea r es t i l ls o m e d i f f i c u l t i e si ni t si m p l e m e n t a t i o ni nt h ei n d u s t r i a lf i e l db e c a u s et h er e a l - t i m e p e r f o r m a n c eo f e r t c a l l ts a t i s f yt h es p e e dr e q u i r e m e n tf o ro n - l i n em e a s u r e m e n t t h i sd i s s e r t a t i o nb e g i n sw i t ht h ea n a l y s i so fr e a l - t i m ep e r f o r m a n c eo ft h ee r t s y s t e ma n dp r e s e n t san e we r ts y s t e mw i t hp a r a l l e ld a t aa c q u i s i t i o ns t r a t e g y t h e m a i nr e s e a r c h e sa r e 弱f o l l o w ： 1 t h er e a l - t i m ep e r f o r m a n c eo ft h ep a r a l l e ld a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mf o re r ti s a n a l y z e d t h el o w - p a s sf i l t e r ( l p f ) ，w h i c hc o s t st h em o s tt i m eo ft h ed a t aa c q u i s i t i o n p r o c e s s ，i ss i m u l a t e d t h er e s p o n s et i m e so fl p fa n dd a t aa c q u i s i t i o ns p e e da r e i n v e s t i g a t e dw h e nt h eb a n do ft h es i g n a lf r e q u e n c yi sf r o m6 0k h zt o2 0 0k h z w h e nt h ef r e q u e n c yi s6 0k h z ，t h ed a t aa c q u i s i t i o ns p e e dc a na c h i e v ea t7 4 2f r a m e s p e rs e c o n d ；w h e nt h ef r e q u e n c yi s2 0 0k h z ，t h ed a t aa c q u i s i t i o ns p e e dc a na c h i e v ea t 13 6 6f r a m e sp e rs e c o n d 2 t h ep a r a l l e ld a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mf o re r ti sp r e s e n t e d b a s i n go nt h e a n a l y s i so fr e a l - t i m ep e r f o r m a n c e ，a n g oc a r da n dt w od a t aa c q u i s i t i o nc a r d sw h i c h a r eb a s e do np c ib u sa r eu s e di nt h i ss y s t e m a n ds y s t e mi sm o d u l es t r u c t u r e dw i t h t h eu s e r - d e f i n e db u st h i se r ts y s t e mc o n s i s to ft h ee x c i t i n gs i g n a ls o u r c em o d u l e ， t h es e n s o ra n ds e l e c t i o nl o g i cm o d u l e ，d a sm o d u l e ，s i g n a lp r e t r e a t m e n tm o d u l e ， l o g i ca n dt i m em o d u l ea n dt h eb a s e b o a r d t h ed a sm o d u l ea n ds i g n a lp r e t r e a t m e n t m o d u l ec o n s i s to f16g r o u p so fa m p l i f i e r s ，16g r o u p so fd e m o d u l a t o r sa n df i l t e r sa n d 1 6g r o u p so f a d 3 t h em o d u l e sa r ei n d i v i d u a l l yt e s t e da n dt h ed i s t r i b u t i o no ft h es e n s i n gf i e l di s m e a s u r e dp r e l i m i n a r i l yw i t hc o m p l e t ea n dv a l i ds i g n a l s k e yw o r d ：e l e c t r i c a lr e s i s t a n c et o m o g r a p h y , r e a l t i m ep e r f o r m a n c e ，p a r a l l e l d a t aa c q u i s i t i o n ，l o w p a s sf i l t e r 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤注盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：电然女式签字目期：矽1 年易月侈日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 签字日期：泌吖年 垧剜j 名月g e l 导师签名： 签字日期： 磊吩 y 年二 月l 叶e l f 第一章绪论 1 1 过程层析成像技术 第一章绪论 随着工业生产过程规模的不断扩大，对提高产品质量，降低成本和安全生 产等目的提出更高的要求，对过程参数的检测的要求也日益提高。尤其在多相流 体中存在着许多需要检测的空间分布参数，在参数检测手段落后的时期，人们仅 仅可以检测到一个时间或空间的平均参数，并运用这一个值来描述过程对象的对 应参数。这时的许多工业设备的设计和运行往往假设对象参数在时间和空间上是 均匀分布的，在某些情况下，借助先进的仪器设备可以获得微观上的某点数据， 但设备投资过大，从经济角度讲是不合理的。过程层析成像( p r o c e s st o m o g r a p h y ， 简称p t ) 技术就是在这种背景下发展起来的。 过程层析成像技术是2 0 世纪8 0 年代中期，随着计算机技术和检测技术的 进步正式形成和迅速发展起来的新一代过程参数检测技术；是以两相流或多相流 为主要研究对象的过程参数二维或三维分布状况的在线实时检测技术；是医学诊 断中的计算机层析成像( c o m p u t e r i z e dt o m o g r a p h y ，简称c t ) 技术在工业过程 中的“移植【l 】【2 】。 自从1 9 7 2 年英国人h o u n s f i e l d 研制成功第一台c t 机不久【3 】，就有人尝试 将c t 技术移植到工业现场的多相流检测中来。p t 技术特点在于：它将传统地 对过程参数的单点、局部的测量，发展为多点，截面分布式的测量；它在不破坏 干扰流体流动的情况下，获得管道或设备内部两相多相流体的二维= - 维分布信 息1 4 j p l ；为在工业条件下对基于热动力学，反应动力学和流体力学原理建立的过 程、设备，模型的证实提供一种方便的手段；还可以为优化过程设备及装置的设 计，改进过程工艺，实现两相多相流体输送，反应复杂生产过程的调整与控制 提供全面、准确的信息和辅助的研究手段。过程层析成像技术的实质是利用物理 可实现系统，对被测物场某种特性分布进行雷登变换与反变换。其工作过程为： 采用特殊设计的敏感器阵列，以非接触或非侵入方式获取被测物场的信息；运用 定性或定量的图像重建算法，在线实时地重建出被测物场地图像；通过分析和比 较不同时刻的图像信息，获得被测物场的分布状态和运动变化特征；根据从图像 信息中提取的特征参数，按照相关理论模型，输出相应的控制信号，实现对被测 过程的调节，从而保证生产过程高效、安全地运行。 基于不同敏感性原理的过程层析成像技术包括：射线技术【6 1 1 7 、电磁辐射式、 超声式【8 1 、电学式【9 】、光学式1 0 1 等。自2 0 世纪9 0 年代以来，基于电学敏感原理 第一章绪论 的电层析成像( e l e c t r i c a lt o m o g r a p h y ，简称e t ) 技术已经在许多过程检测中得 到了成功的应用i 1 ，目前已经进入工业应用研究阶段【1 3 1 。电学成像技术主要 包括：电容层析成像技术、电阻抗层析成像技术，随后发展了电磁层析成像技术。 1 2 电阻层析成像技术简介 电阻层析成像( e l e c t r i c a lr e s i s t a n c et o m o g r a p h y ，简称e r t ) 技术是电阻抗层 析成像( e l e c t r i c a li m p e d a n c et o m o g r a p h y ，简称e i t ) 技术的一种简化形式。它 的物理基础是基于不同媒质具有不同电导率，通过判断处于敏感场( 测量时建立 的电磁场) 中物体电导率分布来得知物场媒质分布状况。当场内的电导率分布变 化时，电流场的分布也会随之变化，导致场内电势分布发生变化，从而场域边晃 上的测量电压也发生变化，通过测量实际对象的边界测量电压和空场状态下对应 位置测量电压的对比，运用相应的成像算法，重建出实际对象的电导率分布，实 现可视化测型1 4 1 。 可以说e r t 技术是新一代过程参数在线检测技术，也是一种多学科交叉的 高新技术。与传统的过程参数检测技术相比具有诸多突出的优点： 1 能提供在线连续的二维仨维可视化信息； 2 可提取大量被测对象的特征参数，如流速，截面相含率，流型识别等； 3 多点、界面分布式、非侵入、无放射性测量，不破坏、干扰物场； 4 结构简单，成本低。 1 2 1e r t 技术发展概况 电阻层析成像技术的起源可以追溯到上世纪2 0 年代，当时的地质学家通过 在地上插入一定数量的电极，在其中一对电极间注入电流，同时测量其他电极上 的电位来获得地下的地层分布。随着电子技术和计算机技术的发展，上世纪7 0 年代，生物医学研究者提出了圆形电极阵列的断层电阻率测量技术( t o m o g r a p h i c r e s i s t i v i t ym e a s u r e m e n tt e c h n i q u e ) 。8 0 年代初，在临床和生物医学领域，电阻抗 层析成像技术得到了极高的重视，世界各地尤其势欧美对此领域进行了深入研 究，医学e r t 不断地得到改进，并得到了临床应用，如利用对频率谱( m u l t i - - 丘e q u e n c ys p e c t r o s c o p y ) 来检测病变组织等。但是通医学x 射线和磁共振成像 ( m a g n e t i cr e s o n a n c ei m a g i n g ，m r i ) 相比医学e r t 的空间分辨率比较低，因 此并没有广泛认可，但是，人们并没有停止对医学e r t 的研究，目前医学e r t 的研究已经可以获得三维图像【1 5 1 1 6 1 。 2 0 世纪8 0 年代中后期，医学e r t 技术被移植于工业领域，成为过程层析 2 第一章绪论 成像( p r o c e s st o m o g r a p h y ，简称p t ) 技术的一种。尽管过程e r t 技术同医学 e r t 技术之间有很多相似之处，但由于测量对象、测量目的以及运行环境条件 的不同，使得他们之间无论是在信息的获取方式、处理方法上，还是在结果的解 释、应用上都有着显著的不同；尤其是医学e r t 有丰富的先验知识可以利用， 而过程e r t 的检测对象通常是时变的，这使得过程e r t 的研究过程中存在着相 当大的困难。直到2 0 世纪9 0 年代初，电阻层析成像方法在p t 领域中的研究才 开始有文献报道。 为了促进欧洲电学成像技术的发展，1 9 9 0 年欧盟科技委员会拨款开展了一 项为期4 年的e c a p t ( e u r o p e a nc o n c e r t e da c t i o no np r o c e s st o m o g r a p h y ) 计划， 大大促进了欧洲地区e r t 技术的发展，较为突出的是：慕尼黑大学研究的定量 图像算法，在在线辨识气，液两相流流型实验中，其组份浓度的测量精度可达 2 ；英国u m i s t 大学的电机工程系的f d i c k i n 完成了m k l b 系统，数据采 集速度可达2 0 幅，秒以上【1 7 1 8 1 。随后，19 9 5 年“f r o n t i e r si ni n d u s t r i a lp r o c e s s t o m o g r a p h y 的国际性学术会议在美国加利福尼亚举行，第二次会议于1 0 9 7 年 在荷兰召开，会议涉及系统应用、图像重建算法、硬件系统开发和相关新技术四 个主题，2 0 0 1 年第二届大会在德国汉诺威举行，2 0 0 3 年第三届会议在加拿大班 夫成功举行，2 0 0 5 年第四届会议在日本召开。国际交流与合作促进了p t 技术 的发展，也带动了e r t 技术的发展。 英国u m i s t 大学在该技术领域首先做了大量研究，1 9 9 4 年开发出适用于金 属容易的e r t 系统【1 9 1 ，继m k 1 b ，1 0 0 8 年开发出的m k 2 b 系统数据采集速率 可达1 0 0 幅，j 眇，数据传输速率大于1 m b s 2 0 】；2 0 0 1 年开发出利用双极性脉冲 电流源作为激励源的电阻层析成像硬件系统设计的新原理，这一技术克服了常规 直流激励源时带来的介质电极化效应，系统的运行速度快，为解决实时性提供了 新的途径【z 。 目前在该领域领先的是英国的l e e d s 大学。1 0 9 8 年英国l e e d s 大学w i l l i a m s 教授领导的研究小组研制出i t s 1 0 0 0 型e r t 样机，该系统数据采集速度为2 5 幅，秒( 3 8 4 k h z 电流激励、1 0 4 点，幅、数字解调) ，如果采用模拟解调，其采样 速度为7 幅1 秒1 2 ：n 。2 0 0 3 年，开发出一套两相流在线数据采集和测量处理双截面 e i t 系统，采集速度可达1 0 0 0 幅秒【2 3 】，2 0 0 5 年，采用d s p 系统研发出一套高 性能的e i t 数据采集系统，当激励信号为8 0 k h z 时，双截面的数据采集速度可 以达到1 1 6 4 幅眇【2 4 1 。 在我国，对e r t 技术的研究开始于8 0 年代后期徐苓安教授带领的天津大学 p t ( p r o c e s st o m o g r a p h y ) 研究小组。之后国内一些单位也开展了该领域的研究： 北京航空航天大学和东北大学的e r t 小组在算法上取得了很好的成绩；浙江工 第一章绪论 学院开发的电阻层析成像系统已用于土壤大地测量；天津大学的e r t 科研小组， 目前已开发出t e r t 1 、2 、3 、4 型系统样机，其采样速率可达5 0 幅，秒( 4 0 k h z ， 1 0 4 点，幅，模拟解调) 2 5 1 。其中，t e r t - 4 型电阻层析成像系统已完成动态试验， 为最终设计出工业实用化的系统积累了经验。 1 2 2e r t 技术的研究现状 当前e r t 技术的研究主要集中在以下几个方面：电极阵列的优化设计，硬 件电路性能的提高，图像重建算法的改进等。通过优化电极阵列改善敏感场的特 性，通过改进硬件电路提高数据采集系统的稳定性、实时性，提高系统的分辨率 与信噪比，最后通过改进的重建算法可以获得高性能、高清晰度的重建图像，并 能快速有效地进行图像重建，以满足工业过程在线检测的要求。 当前计算机运算速度大幅提高，且e r t 技术应用时应满足实际多相流速度 要求，硬件性能的提高是e r t 技术急待解决的一个问题。而硬件性能主要集中 在数据采集的实时性问题，提高数据采集系统实时性主要包括以下几个方面因 素： 1 激励信号：作为系统激励信号，其波形、频率等对系统实时性影响是决 定性的，激励频率越高，系统的实时性越好，对数据预处理模块的要求也越高。 e r t 技术研究者曾经采用过正弦波以及方波，通过电流或是电压等激励方式，试 图减少前端引入的干扰，找到一种快速简单获得传感器幅值信息的方法。 2 电极系统：电极系统作为数据采集通道前端传感器，其性能的好坏直接 影响采集到的信号质量，进而影响后续信号调理，去除噪声，数据采集等电路的 复杂性及实时性。 3 数据采集通道：作为数据采集的实现环节，数据采集通道在实现方式、 功能电路设计、芯片选择上直接影响系统实时性。针对采集到的信号，在功能电 路设计和芯片选择上，应当考虑有充裕的带宽，响应时间短的信号调理电路以及 方便实用的数据传输通道。 4 数据处理方法：作为数据采集通道的终端，算法的优劣，处理器的速度， 是最终影响系统实时性的因素。 在这些问题当中，数据采集过程中数据的预处理模块耗时所占比重相对较 大，减少数据预处理过程的耗时将大大提高系统的实时性，同时提高激励信号的 频率，这样将有效的提高系统的实时性。 4 第一章绪论 1 2 3 现有的研究成果 e r t 技术硬件方面的研究成果主要表现在：传感器的优化与设计，主要是 克服了e r t 软场问题，尽可能提高敏感场灵敏度分布的均匀的实时性【2 6 】【2 7 】；改 善硬件电路，提高系统的实时性【2 8 】【冽；多电极阵列系统的研究，形成三维图像， 提取物场信剧剐：多信息融合技术：将多种测量技术与层析成像技术相结合，用 于工程实际。 1 3 课题主要研究内容 为提高e r t 数据采集系统的实时性，实现在线检测，本研究课题在国家8 6 3 计划资助项目( 项目号：2 0 0 6 a a 0 4 2 1 6 7 ) 和天津市应用基础研究计划资助项目 ( 项目号：0 5 y f j m j c l l 6 0 0 ) 的支持下，完成的主要工作如下： 1 e r t 并行数据采集系统实时性分析：通过对数据采集通道各环节的研究， 完成对数据采集系统( d a s ) 的实时性分析。对滤波环节的时间性能进行理论分 析，并作仿真验证。 2 e r t 并行数据采集系统硬件平台设计：在实时性分析的基础上，采用基 于p c i 总线的数字加卡和数据采集卡设计了一套e r t 并行数据采集系统，并 将系统内部的结构单元模块化。该系统包括信号发生、电极传感器阵列、数据采 集、数据处理、逻辑时序、信号背板等部分。采用自定义总线，简洁方便。 3 完成系统的软件设计。完成系统运行所需要的程序，包括：信号发生模 块，激励电极层与激励电极选通模块，差动放大模块，数据采集模块的程序。 4 完成e r t 并行数据采集系统整体模块的调试，通过简单试验，采集数据 模拟管道内电势场分布情况，验证了系统的可靠性，通过数据采集卡的采集程序， 完成数据采集，初步验证系统的实时性性能。 1 4 论文的组织结构 本论文各章安排如下： 第一章绪论。简单阐述多相流测量和电阻层析成像( e r t ) 技术，包括多 相流测量的内容、发展；e r t 技术的原理、发展概况和研究方向；同时阐述本论 文的主要研究内容和组织结构。 第二章e r t 数据采集系统实时性能分析。针对e r t 系统对实时性的要求， 分析了e r t 数据采集系统中各环节的时间需求；对其中关键的滤波环节动态性 第一章绪论 能进行了理论分析和仿真，得出影响该环节动态性能的基本因素及其作用方式； 并在比较不同阶数滤波电路动态性能的基础上，定性分析了滤波器阶数对于时间 性能的影响。 第三章e r t 并行数据采集系统的设计。采用基于p c i 总线的数字i o 卡和 数据采集卡设计e r t 并行数据采集系统1 6 路模拟信号同时并行采集。使系 统各功能单元模块化，自定义背板总线，系统包括信号发生、电极传感器阵列、 数据采集、数据处理、逻辑时序、信号背板等部分。 第四章系统的工作流程。完成系统信号发生模块，激励电极层与激励电极 选通模块，差动放大模块，数据采集模块的程序。 、 第五章系统调试。介绍了作者所开发的数据采集系统，包括信号发生、电 极阵列、数据采集和逻辑时序等部分；应用所设计的系统进行实验研究，验证系 统的可靠性和实时性。 第六章总结与建议。 6 第二章e r t 数据采集系统实时性分析 第二章e r t 数据采集系统实时性分析 系统的实时性是e r t 系统的一个重要指标，本e r t 并行数据采集系统的主 要目的就是为了提高系统的实时性，在更短的时间内采集到更多的有用信息。 系统的实时性性能在很大程度上取决于数据采集系统( d a s ) 的时间性能。 数据采集系统主要包括：信号发生模块、电极选通模块、差动放大、解调 滤波模块、数据采集单元等部分，其中解调滤波模块是整个系统中耗时最大的 部分。现从分析数据采集系统动态性能出发，对e r t 系统的数据采集系统中各 电路运行所需时间进行研究，目的在于寻求节省数据采集时间的方法，指导今 后的设计方向，以期提高系统数据采集速度。 2 1 数据采集时间性能分析 通过已有的经验知道，e r t 系统中各部分的时间性能是与激励频率有关的， 在a d 转换速度足够高的情况下，激励频率越高，动态性能越好，现以激励正弦 波频率2 0 妊i z 时数据采集实时性分析如下： 差动放大器如采用仪表放大器，其建立时间( s e t t l i n gt i i n e ) 一般为2 u s , - , 1 5 u s ， 如p g a 2 0 2 为2 u s ；相敏解调如采用乘法解调器，建立时间不到1 u s ，如a d 7 3 4 的建立时间为2 0 0 n s ；a d 转换所需的时间视a d 芯片的最高数据转换频率而定， 如a d 采集卡的数据吞吐率( t h r o u g h p u tr a t e ) 为每通道5 0 0 k h z ，相应的其转 换一个数据需要的时间为2 u s ；为了充分衰减2 0 蛆z 信号以达到平滑滤波的效 果，将四阶巴特沃思低通滤波器截止频率设为2 k h z ，此时低通滤波器的稳定时 间高达4 0 0 u s 。此处的滤波器时间参数都带有阶数、电路形式等条件限制，换做 其它电路结构的滤波器时间性能不会有巨大的改变，阶数对时间的影响也是大 致呈倍增的关系，不会出现本质的变化，因此完全可以使用以上数据进行定性 分析。 由以上数据可知，差动放大、信号解调、数据转换三个环节所需的时间加 起来最多不过2 0 u s ，如果以时间性能最优来设计，甚至只需3 5 u s ，而整个滤 波环节，不管是作为消除噪声还是平滑滤波，所需时间超过2 0 0 u s 。如果在数据 采集环节如考虑到数据采集系统之外的处理器读写数据时间，作为指令时钟在 1 0 0 瑚z 以上的处理器来说，其读写数据指令所需时间均在1 0 1 0 0 n s 之间，即 使考虑可靠性，一个数据重复采样而引起的多次读写，其最终多需时间也不会 7 第二章e r t 数据采集系统实时性分析 超过1 u s ，所以在整个数据采集环节，滤波电路的耗时巨大。 直观上看，改善滤波环节时间性能即输出稳定时间可以提高整个系统时间 性能，但另一方面，滤波环节滤波性能好坏，直接影响系统抗干扰能力，因此 有必要对滤波环节输出稳定时间做深入分析，继而通过改进滤波电路或采用其 它实现方法，以求在不影响系统精度的前提下改善系统的时间性能。 2 2 滤波环节输出稳定时间分析 滤波环节包括不同用途的滤波电路，用于去除噪声干扰的带通滤波电路， 用于对正弦波信号进行平滑滤波以取得被测物场幅值信息的低通滤波电路，现 分别分析影响其稳定时间的因素。 2 2 1 低通滤波器输出稳定时间分析 二阶低通滤波器( l p f ) 电路结构如图2 1 1 3 1 1 。 c l 系统传函么( s ) 为： 图2 - 1 二阶低通滤波器结构 u t 彳g ) 2 鬲而丽1 ( 2 _ 1 ) 激励信号( s ) 为：阶跃信号、正弦波信号、冲击信号。 稳定时间分析： u 。g ) = 彳g 炒，g ) 对u o ( s ) 进行反拉氏变换，得到在时域下的输出电压值 ( f ) ； 当g ) ：三为单位阶跃输入时，输出响应： s 第二章e r t 数据采集系统实时性分析 啪陋枷牛一厄去s i n b h ) = 1 - u l ( f ) 沼2 ) 当( f ) = s i n 噱f ， g ) 2 了竺4 - 毒为正弦波输入时，输出响应： s 。旺 吼) = 击卜沁) + 1 。厄去fs i n ( 去) = 一击s j n h ) 也( f ) ， 。( 2 _ 3 ) 其中鸭为激励正弦波信号频率，口= a r c t 孤号孚，卢= 咖志； 当u o ) = 艿o ) ，u g ) = 1 为冲击输入时；输出响应： u 。o ) = 去p 面s m 丽1 ，= u ，o ) ； ( 2 4 ) 求得的稳定时间如下： 对于采用12 位a i d 转换的本系统，以上三种信号作为输入信号经过l b f 电路输出稳定时间如下： 输入为阶跃信号稳定所需时间t l ： i 。) 亿) l 2 r c i n ( , 压4 0 9 6 ) ； ( 2 - 5 ) 输入为正弦波信号稳定所需时间t 2 ： 眦】 2 r c i n ( 蔫枷9 6 沼6 ) 输入为冲击信号稳定所需时间t 3 ： u 伍) | r c l n ( 篙) ； 沼7 ) 9 第二章e r t 数据采集系统实时性分析 设f = r c ，以= 去可以看出，改变滤波器的结构参数f 可以改变有效信号 的稳定时间t ，但仅改变输入信号的频率无不影响稳定时间t 。 2 2 2 带通滤波器输出稳定时间分析 二阶带通滤波器( b p f ) 电路结构如图2 2 。 传递函数： u i n 广c 2 骖 图2 2 二阶带通滤波器电路结构 以g ) 2 句币i 面r c s 而两 汹) 与低通滤波器类似，对阶跃信号、正弦波信号、冲击信号三种激励信号的 稳定时间如下： 输入为阶跃信号稳定所需时间t i = i u , 亿】 志jp 巧1 而h 丽4 0 9 6 x 2 x a ”z ； 输入为正弦波信号稳定所需时间t 2 - 眦) i 志j 妒而1 而h 函两4 0 9 6 x 丽2 x a , , ： ( 2 - 1 0 ) 输入为冲击信号稳定所需时间t 3 = l o 第二章e r t 数据采集系统实时性分析 陆卟志却陬lh 瑞沼 其中，兀= 荔蠹为中心频率； 彳矿= l + 乏为同相比例放大增益；设 q 2 匹= 砺l ，无= 兀可以看出，当如固定后，改变滤波器的结构参数兀可 以改变有效信号的稳定时间t 因为是带通滤波器，中心频率即为输入信号频率， 所以改变输入信号的频率z 也具有同样的效果。 2 3 滤波器仿真 下面以阶跃信号和冲击信号为输入，分析典型b u t t e r w o r t h 低通滤波器的响 应的稳定时间。 图2 - 3 为典型的2 阶b u t t c r w o r t h 低通滤波器，图2 4 是阶跃响应的稳定时 间的仿真图，图2 - 5 是冲击响应的稳定时间的仿真，图2 6 是频率响应仿真图。 4 阶滤波器是2 个2 阶滤波器通过级联构成的，6 阶滤波器是通过3 个2 阶滤波 器级联而成的，因此，首先分析2 阶b u t t e r w o r t h 低通滤波器。 图2 32 阶b u t t e r w o r t h 低通滤波器 在分析低通滤波器动态性能的过程中，所有滤波器的转折频率都设为 15 k h z ，作为一个标准，对2 阶、4 阶、6 阶b u t t c r w o r t h 低通滤波器的阶跃响 应稳定时间，冲击响应稳定时间进行比较，以及他们的频率响应，结合滤波器 l 的滤波性能和系统实时性要求，在仿真的过程中，选择合适的低通滤波器。 第_ 章e r t 数据采集系统实时性分析 1 2 1 艺o 一 l 童n 弓 篓0 。l 仅2 三：蔓 善o 1 0 51 0j 52 53 5t ( i l 矗建i 4tu ： 图2 - 42 阶b u t t e r w o r t h 低通滤波器阶跃响应 霉 一 埏 褰 喜 t l c 2 0s 1 01 52 02 53 1 ；o 稳定蹦阍# 图2 52 阶b u t t e r w o r t h 低通滤波器冲击响应 霉 舂橱溪f i ( 1 斧 釉1 9 匆的艘d 鬻嚣1 钧l i 的溯 图2 - 62 阶b u t t e r w o r t h 低通滤波器频率响应图2 - 74 阶b u t t e r w o r t h 低通滤波器的阶跃响应 图2 - 7 是4 阶b u t t c r w o r t h 低通滤波器的阶跃响应稳定时间仿真图，图2 8 是4 阶b u t t c r w o r t h 低通滤波器的冲击响应稳定时间仿真图，图2 9 是4 阶 b u t t c r w o r t h 低通滤波器的频率响应仿真图。 玑 昌 夏玑 蓑o 。薯 兜0 - 0 1 0 o 秀 缀- 1 0 翳 一2 办 一3 0 o 加4 0 6 0 楼0 翟t 嚣4 0 1 挪1 8 02 1 2 器糖鬻阳l 第 轴：印 图2 - 84 阶b u t t e r w o r t h 低通滤波器的冲击响应图2 - 94 阶b u t t e r w o r t h 低通滤波器频率响应 图2 - 1 0 是6 阶b u t t e r w o r t h 低通滤波器的阶跃响应稳定时间仿真图，图2 1 1 是6 阶b u t t e r w o r t h 低通滤波器的冲击响应稳定时间仿真图，图2 1 2 是6 阶 b u t t c r w o r t h 低通滤波器的频率响应仿真图。 1 2 第二章e r t 数据采集系统实时性分析 一“t ； 主! o 4 笔豫z - ： 爱o o2 0 o 6 0 8 0 1 0 01 2 0it 01 6 01 8 02 0 0 稳定时鲥她 图2 - 1 06 阶b u t t m w o r t h 低通滤波器阶跃响应图2 1 l6 阶b u t t c r w o r t h 低通滤波器冲击响应 l u o 蕾 ：毽一l o 赛 一2 0 - 3 0 l26lc 2 0： $ g 审( k h 图2 126 阶b u t t c r w o r t h 低通滤波器频率响应 根据滤波器阶数的基本概念可知，阶数越高，电路的滤波效果越好，通过图 2 - 6 ，图2 - 9 ，图2 1 2 的频率响应仿真结果图可以验证这点，6 阶b u t t c r w o r t h 低 通滤波器的滤波效果是最好的。通过比较图2 - 4 ，图2 7 ，图2 一l o 这3 张滤波器 阶跃响应稳定时间的仿真图可以看出，2 阶低通滤波器的响应时间最快，大约为 3 5 u s ，4 阶滤波器次之，约为7 5 u s ，6 阶滤波器最慢，约为1 3 0 u s ，时间大约是2 阶滤波器的3 倍。通过比较图2 5 ，图2 8 ，图2 1 1 的滤波器冲击响应稳定时间 的仿真图，结果还是阶数高的滤波器的响应稳定时间长，这说明阶数越高，响 应的稳定时间也长，大约是2 的倍数。这是因为在滤波器中运用电容，而电容 作为储能元件，其充放电是需要时间的，高阶滤波器使用了更多的电容元件， 增加了响应的稳定时间。 通过以上分析，高阶滤波器更好的滤波效果是以牺牲其时间性能为代价的， 阶数越高，滤波效果越好，但是时间性能会降低很多。综合考虑，在实际的系 统中，选择4 阶低通滤波器，既能保证系统的滤波要求，信号的响应时间也不 是很长，可以兼顾滤波效果和实时性。表2 1 是采用4 阶低通滤波器，截止频率 为1 5 k h z ，最低激励频率为6 0 k h z ，最高激励频率为2 0 0 k h z 时的滤波器性能 分析表。 第二章e r r 数据采集系统实时性分析 表2 14 阶低通滤波器在不同激励频率下的时间性能分析 激励频率 6 08 0 1 0 01 2 01 4 0 1 6 01 8 02 0 0 ( m ) 稳定时间 6 2 5 34 0 5 83 8 9 13 7 7 93 6 9 23 5 6 43 4 6 63 3 7 5 ( u s ) 从表2 1 的仿真时间，可以计算出当系统采用6 0 k h z 的激励信号时，系统 的数据采集速度可达7 4 2 幅秒；当系统采用2 0 0 k h z 的激励信号时，系统的采 集速度可达1 3 6 6 幅秒。 在设计滤波器的过程中，如何设置截止频率也很重要，截止频率设置的越低， 其响应的稳定时间越长，滤波的衰减性能越好，因此在保证系统信号的前提下， 尽量的将截止频率设置高点，也可以提高滤波器的响应时间。 2 4 结论 由上述分析可知，系统的动态性能从硬件上来说与数据采集环节有很大的 关系，而数据采集环节的时间特性又取决于其中滤波电路的时间特性，由针对 数据采集系统中用到的带通滤波器和低通滤波器的理论计算和仿真结果可知， 滤波环节的稳定时间本质上完全由滤波电路的结构参数即r c 决定，但综合滤波 效果来说，仍然决定于激励频率和电路的实现阶数，其滤波所需时间与激励频 率近似反比，与滤波器阶数近似正比。为提高系统的动态性能，可考虑的改进 方法有： 1 提高信号发生器产生的激励频率； 2 在满足系统滤波效果前提下降低滤波环节的阶数； 可以依靠这2 种方法中较容易实现的来达到提高系统动态性能的目的。 在本系统中，为提高系统的实时性，可以将系统的激励信号的频率提高到 2 0 0 k h z ，这样激励的时间将大幅度减少。所有的电路都已经时间模块化，可以 将解调滤波模块去掉，电极信号直接进数据采集卡，采用数字解调，这样将大 大降低系统采集数据的时间，这样系统的实时性将取决于系统的计算能力，而 不在硬件环节。 1 4 第三章e r t 并行数据采集系统设计 第三章e r t 并行数据采集系统设计 在第二章系统实时性分析中已经提到，低通滤波器的稳定时间在整个数据 采集的过程中所占比重是十分巨大的。实验室现有e r t 数据采集系统样机采用 传统的相邻电极激励，循环测量其它电极对的电势差，这样激励一次，需要处 理1 3 次数据，也就是说低通滤波环节需要工作1 3 次，这样系统的实时性将大 打折扣。如果采用并行数据采集，那么激励一次，低通滤波环节只需要工作一 次就能将数据全部进行预处理，这样系统的耗时将只有原e r t 数据采集系统样 机的1 1 3 ，实时性将大幅度提高。本章主要实现并行数据采集系统的设计，希 望通过减少数据预处理过程的时间来提高系统的实时性。 3 1e r t 并行数据采集系统结构 本系统采用模块化设计，由以下几部分构成( 如图3 1 ) ，信号发生模块、 电极模块、电极选通模块、电缆驱动模块、差动放大模块、解调滤波模块、数 据采集卡、i o 控制卡、电源模块及总线背板。 遂斑管通 图3 1 并行数据采集系统结构图 本系统仍然采用传统的e r t 相邻激励模式，1 6 个电极中，选择2 个相邻的 电极，注入激励电流，然后测量相邻电极之间的边界电压，一次激励，可以获 得1 6 组电压值，激励模式如图3 - 2 所示。 第三章e r t 并行数据采集系统设计 谚嚣 搬骋筠 蒯醚i 也雉 图3 2 激励与测量原理图 向 系统开始运行后，所有的控制命令由数字i o 卡通过背板总线传递给各个模 块，首先，信号发生器产生系统所需要的正弦波信号，通过电极选通模块，可 以选择要激励的电极层以及相应层的电极，被测信号通过差动放大和解调滤波 模块后，进入数据采集卡，经过a d 转换后，将数据保存到指定文件内，完成 一次激励的数据采集过程。整个采集过程所需要的数据传递，电源供电都通过 背板总线供给各个模块。 下面各节中就各功能模块的工作机理及实现方式作进一步说明。 3 2 数据采集卡与数字i o 控制卡 本系统采用中泰公司的数据采集卡p c i - 8 3 4 4 a 和数字i o 控制卡p c i - 8 4 0 1 进行数据采集和控制，其中p c i 一8 3 4 4 是双端8 路并行的数据采集卡，采用2 块 可以保证本系统1 6 路数据采集的要求，系统控制信号全部由p c i - 8 4 0 1 给出。 下面就分别讨论二者的特性与功能。 3 2 1p c i 8 3 4 4 a 数据采集卡口2 1 输入通道数：双端8 路并行 输入信号范围：0 v 1 0 v ，一5 v + 5 v ，0 m a 一- 2 0 m a 输入精度：1 2 b i t 最大采样频率：5 0 0 乜路 启动转换方式：软件启动定时启动外触发启动 开关量部分： 电平方式：t t l 1 6 第三章e r t 并行数据采集系