（检测技术与自动化装置专业论文）基于dsp的电阻层析成像系统研究.pdf

中文摘要 电阻层析成像( e r t ) 技术是过程层析成像技术中的一个分支，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。具 有非侵入、无辐射、在线测量等优点。在地质勘探、工业过程与环境监测等方面 有许多成功应用。 在实际工业环境下，两相，多相流体具有较高的流动速度，而目前的( e r t ) 电阻层析成像系统对两相，多相被测对象，很难满足工业上的速度要求，为解决 这一问题，还有许多实际工作需要完成。 本课题从改进系统的实时性入手，着重e r t 系统设计，主要研究工作和结 果如下： 1 完成系统实时性分析，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，在此基础上，提出新的d a s 设计方案； 2 实现系统硬件平台设计，在实时性分析的基础上，以d s p 为核心，使用 c p l d 执行逻辑时序控制，设计了一套e r t 系统，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，模块化设计；调试时可通过j t a g 接口与p c 机相连，仿真及程序下载简单 方便；系统逻辑在线可编程，延时可精确控制。 3 提出峰值检测算法，针对不同的激励频率，提出在a d 转换芯片转换速 率，信号频率不同的情况下，几种适合直接数据转换的峰值检测算法，同时辅以 过零检测电路，实现信号频率在不同情况下的峰值检测。 关键词电阻层析成像动态性能滤波过渡时间d s pc p l d 峰值检测 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 so n eo ft h ee m b r a n c h m e n t so f p r o g r e s st o m o g r a p h y i ti sak i n do fs i m p l i f i e df o r mo fe l e c t r i c a li m p e d a n c e t o m o g r a p h y ( e i t ) e r th a sa d v a n t a g e so fb e i n gn o n i n t r u s i v e ，n o n r a d i a t e a n do n l i n ev i s u a l m o n i t o r i n g m o r es u i t a b l ea p p l i c a t i o n so fe r th a v eb e e n f o u n di ng e o e x p i o r a t i o n ，m o n i t o r i n go fi n d u s t r i a lp r o c e s s e sa n de n v i r o n m e n t a l a r e a s t w o m u l t i p h a s ef l o wh a s ah i g hs p e e di np r a c t i c a li n d u s t r i a lc i r c u m s t a n c e i ti sd i f f i c u l tf o re x i s t i n ge r t s y s t e mt om e a s u r et w o m u l t i p h a s ef l o ww h i c h h a ss oh i g hs p e e di n i n d u s t r y m u c hp r a c t i c a lw o r kn e e dt ob ed o n et os o l v e t h i sp r o b l e m t h ed i s s e r t a t i o ns t a r t sw i t hi m p r o v i n gt h er e a l - t i m ep e r f o r m a n c eo fe r t s y s t e ma n dp u t se m p h a s i so nt h ed e s i g no ft h ee r ts y s t e m ：t h em a i n r e s e a r c hr e s u l tj sa sf o l i o w s ： 1 t h er e a l - t i m ep e d o r m a n c eo fe r t s y s t e mi sa n a l y z e d t h r o u g ht h e r e s e a r c ho nt h ee a c hp a r t s r e s p o n s et i m eo fd a t aa c q u i s i t i o nc h a n n e l ，t h e a n a l y s i s o ft h er e a l t i m e p e r f o r m a n c e o fd a t a a c q u i r es y s t e m ( d a s ) i s a c h i e v e d b a s e do nt h ea c a d e m i cc a l c u l a t i o no ft i m ep e r f o r m a n c eo ft h ef i l t e r p a r ta n dt h ee m u l a t i o ne m p l o y e dt ov a l i d a t et h er e s u l t ，an e w d e s i g ns c h e m e o fd a si sp u tf o r w a r d 2 ah a r d w a r ep l a t f o r mo fe r t s y s t e mi sr e a l i z e d b a s e do nt h ea n a l y s i s o fr e a l t i m ep e r f o r m a n c eo fl h es y s t e m a ne r t s y s t e r n nw h i c hl h ed s p i s u s e da st h ec o n t r o ia n dd a t a p r o c e s s i n gc o r ea n dt h ec p l di su s e dt o i m p l e m e n t t h el o g i cf u n c t i o n ，i sd e s i g n e d t h es y s t e mc o n s i s t so ft h ee x c i t i n g s i g n a ls o u r c em o d u l e ，t h es e n s o ra n di t ss e l e c tl o g i cm o d u l e d a sm o d u l e ， d a t a p r o c e s s i n gm 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 e d e s i g na d o p t st h eu s e r - d e f i n e db u sa n dt h em o d u l es t r u c t u r ei nd e b u g g i n g ， t h ee r t s y s t e mi sc o n n e c t e dt op ct h r o u g hj t a gi n t e r f a c e ，s od o w n l o a d i n g a n dd e b u g g i n gt h ep r o g r a mb e c o m e s i m p l ea n dc o n v e n i e n t t h ec o n t r o ll o g i c o ft h es y s t e mc a nb ei n s y s t e mp r o g r a m m a b l ea n dt h ed e l a yt i m ec a nb e c o n t r o l l e da c c u r a t e l y 3 a c c o r d i n gt od i f f e r e n tf r e q u e n c yo ft h ee x c i t i n gs i g n a la n dd i f f e r e n t c o n v e r s i o nr a t eo fa n a l o gt o d i g i t a l ，t h r e em e t h o d st oo b t a i nt h ep e a kv a l u e m e a s u r e m e n t ，a d a p t i n g t od i r e c td a t ac o n v e r s i o n ，a r e p u tf o r w a r d t h e r e b yt h e p e a kv a l u em e a s u r e m e n to fs i g n a lf r e q u e n c yi sa c h i e v e du n d e rd i f f e r e n t c i r c u m s t a n c e 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 e t o m o g r a p h y d y n a m i cp e r f o r m a n c e ，f i l t e r i n l e r i mt i m e ，d s p , c p l d ，p e a kv a l u em e a s u r e m e n t 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，也不包含为获得基洼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：。j 童蚜、签字日期：沙，。矿年 ，月，j 闩 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解：苤洼盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫壅盘鲎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：勺文蜂 导师签名：考山； 签字日期：沙寸中年 月 j f 日 签字日期：矿_ 年 ，月日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 多相流动状态广泛存在于自然界和工业生产过程的流动体系中，随着科学 技术的迅速发展和人民生活水平不断提高，两相，多相流动的研究在工业生产过 程和人类生活中的地位日益重要。比如在石油、化工、冶金、制药等领域都要 广泛的应用到两相，多相流的测量。多相流流动参数的准确测量，一直是工程技 术和科学研究领域急需解决而迄今尚未能很好解决的研究课题【12 1 。随着时代的 发展，从包含的学科内容和对发展国民经济的意义来讲，多相流及检测方法的 研究具有重要地位。对于多相流来说，要认清现象，获得概念，建立模型并进 行过程的预测、设计和控制，首先要解决的就是多相流的检测技术问题。 1 ，2 国内外两相流检测方法的研究现状 随着科学的发展，两相流体流动参数检测技术也再不断的进步。 一、使用传统的单相检测仪表采用实验修整的方法应用于两相流。最常见 的是采用节流装置，也有采用电磁流量计，但均有很大的局限性 3 - 7 1 。 二、使用传统的单相流检测仪表，采用新的信号检测和处理方法( 如：噪 声检测理论、模糊评判理论、谱分析技术等) 进行两相流流动状态的辨识及参 数估计【8 - 1 到。 三、利用新的检测手段和信号处理技术实现两相流的检测，其中有许多方 法可以用来测量两相流的二维或三维参数分布。 应用于两相流参数测量的具体新型传感技术有：辐射线技术、激光技术、 光纤技术、核磁共振技术、超声波技术、微波技术、光谱技术、新型示踪技术、 相关技术、过程层析成像技术等陋17 1 。 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 ) 技术是二十世纪八十年代 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；它以两相流或多相流为主要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，采用非侵入或非接触方式测量，能在线连续的提供 二维或三维的可视化信息，并可经过进一步处理提取若干有关被测两相流体的 第一章绪论 特征参数；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”【1 8 】。 p t 技术特点在于：它将传统的对过程参数的单点、局部的测量，发展为多 点、截面分布式的测量；它在不破坏、不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，三维分布信息；为在工业条件下对基于热动力 学、反应动力学和流体动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。 目前已有多种基于不同敏感原理的p t 技术问世，如：射线技术( x 射线、 y 射线) 1 e 2 0 、超声技术、光学技术、微波技术、电学技术等【2 3 】。其中， 基于电学敏感原理的电层析成像( e t ) 技术已在许多过程检测中取得了较为成 功的应用【2 4 】，目前己进入工业应用研究阶段2 6 1 。 1 3 电阻层析成像原理及技术发展 电阻层析成像( e r t ) 技术是e t 技术中的一个分支，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 ) 技术的种简化形式。其检测 机理是：物场内电阻( 或电导率) 分布的变化对应于两相流介质分布的变化， 在管壁处不同电极对上施加恒定激励( 电流或电压) ，然后通过测量其它电极上 的输出变化( 电压或电流) 并依据一合适的图像重建算法获得反映被测介质分 布变化的断层图像，从而实现两相流参数的测量。e r t 技术具有非接触或非侵 入、多点或截面分布式测量、无辐射、在线可视化监控、能获得管道或设备内 部二维，三维分布信息、结构简单、成本低、响应速度快等优点，已在地质勘探 与环境监测p ”、气，液混合过程研究、多相流( 油，水天然气混合物) 流型识别 及流动参数的在线测量【2 8 】等方面有不少成功应用。 1 3 1 发展概况 早在上世纪初地球物理学领域出现电阻率成像( r e s i s t i v i t yi m a g i n g ) 技术， 用于勘测地层中油岩层分布，做法是将电极置入大地，在一对电极上注入激励 电流，测量其它电极上的电位变化来获得地层电阻率分布 2 9 3 0 。随着电子技术 和计算机技术的发展，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 cr 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 ) 3 1 】。2 0 世纪8 0 年代 第一章绪论 中后期医学e r t 技术被移植于工业领域，成为过程层析成像( p r o c e s s t o m o g r a p h y ，p t ) 技术的一种p “。 该技术一直处于较为领先的是英国u m i s t ，1 9 9 8 年开发出的m k 2 b 系统数 掘采集速率可达1 0 0 幅，秒，数据传输速率大于1 m b s ：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【3 3 】。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 rr 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) 。其中，t e r 丁- 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 3 2 研究方向及技术难点 1 3 2 1 研究方向 虽然p t 技术是医学工程中c t 技术在工业领域中的发展，由于测量对象、 测量目的以及运行环境的不同，使得p t 技术无论是在信息的获取方式和信息的 处理方法上，还是在测量结果的解释和应用上与c t 技术有着显著的不同之处： p t 技术所检测的物场常常具有非均匀性，而所采用的敏感场又多具有软场性质， 且二者之间相互作用情况复杂；与c t 相比，p t 系统的观测角度更少，且每个 观测角度下所获得的测量数据也更为有限。以上这两个因素造成p t 系统的数据 处理和图像重建困难很大；被测物场变化很快( 以两相管流为例，流速一般是 在每秒几米至几十米之间) ，为做到实时动态成像，测量数据采集时间要尽可能 的短图像重建算法的实时性要强；敏感器空间阵列的选择和设计，不仅要考 虑与被测管道、设备、装置的几何形状、性质的“匹配”问题，还应考虑对工作环 境、条件的适应问题，实现对被测物场的非接触测量；应能根据所采集的测量 数据进行图形重建，并提取出有关被测物场的特征参数信息。同时，电阻层析 成像技术要求被检测物场的连续相必须具有一定的导电性，敏感场的激励信号 为低频的交流电流并且敏感场分布要受场内媒质( 物场) 分布的影响，敏感场 与物场的相互作用为非线性的。检测信号为弱的交流电压信号其变化微小，要 求测量电路必须具有高的灵敏度和信噪比。 第一章绪论 作为p t 技术的一个热点，e r t 技术的研究主要集中在三个方面： 第一：硬件性能的提高：硬件方面包括传感器子系统，电极阵列的优化设计， 数据采集系统稳定性、信噪比、实时性的提高； 第二：图像重建算法的改进：要求开发高性能的图像重建算法，实现快速有 效的定量图像重建，以满足工业过程在线监测的要求； 第三：工业领域的应用丌发：技术最终要为生产和科研服务，应用性的开 发包括开拓技术的应用领域和针对不同对象的适用范围，这样会促进e r t 技术 的发展，使之成为真正实用的在线监测技术。 1 3 2 2技术难点 而当前由于计算机运算速度大幅提高，加之该技术应用时应满足实际多相 流速度，数据采集系统的实时性问题一直作为硬件性能提高的一个瓶颈。而数 据采集的实时性问题，实际是从电极传感器检测信号在电极对采集段上出现， 经过数据采集通道，进入数据处理，直到分析结果出现之间所经过的延时时间， 提高数据采集系统实时性受到以下几个方面因素的制约： 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，e 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。研究表明，提高系统激励信号频率，可以缩短系统中关键环节的响应时间， 并且客观上促进数据转换速率的提升，从而使系统的实时性在整体上得到提高， 因此是提高系统实时性的本质方法。 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 影晌采集到的信号质量，如果电极阵列与激励信号形式匹配良好，且抗干扰能 力较强，在电极采集端可以得到高频小噪声信号，就可以在后续数据采集中省 去一部分响应时间很长的信号调理电路，简化数据采集通道，在去除噪声方面 节省等待时间。 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，其获取幅值信息的方法，现 有电子技术以及计算机技术的水平，决定了可采用的具体实现方式，也因此决 定了此后电路的可改进程度，所以，在决定幅值信息的获取方法时，应当从原 有系统经验、电子、计算机技术发展现状三个方面去论证。而对应采集到的传 感器信号，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，接收到经过数据转换的信号 第一章绪论 可能是需要加工才可以得到幅值信息的信号，或者为纯粹的幅值信息，两者都 作为数据处理对象，等待应用于实时成像算法，前者需要更长的处理时间，而 算法的优劣，处理器的速度，两者的配合情况，都是可以最终影响系统实时性 的因素。 在提高实时性所有可做的工作中，硬件电路平台的设计由于其开发周期长， 一经实现可改动程度有限，和其对信号实时性的决定性影响，较之数据处理的 算法实时性更为重要。而在其中，激励信号的频率作为提高系统实时性的根本 因素，数据采集实现方法作为提高系统实时性的现实因素，是今后进行系统改 造，提高系统实时性的两条主线。其它的方面或作为补充，或由之决定，可在 改进系统的同时达到提高系统实时性的目的。 1 3 3 研究成果及现有系统 硬件方面研究成果主要表现为： 激励信号频率的提升：激励信号频率已经由原有的几k h z 几十k h z ， 提高到目前的2 0 0 k h z 【”】； 激励方式的改变：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 的途径删。 。 传感器的优化与设计：主要是克服和解决e r t 软场问题，尽可能提高 敏感场灵敏度分布的均匀性，同时采取抗干扰屏蔽措施，提高检测信号 的质量【3 4 3 5 】； 数据采集实现方法的改变：数据采集系统( d a s ) 采用关键功能电路并 行或全部并行的方式，减少一次激励或是整块电极板的等待时间；改模 拟滤波为数字滤波，将获取幅值信息用数字信号处理的方法实现 3 4 】。 高质量的图像重建算法：主要是算法在收敛性上的改进、精度和实时性 的提高 3 6 3 7 】： 表1 1 为国内外几套e r t e i t 系统d a s 采集速度的比较 表1 1国内外几套e r t 系统d a s 的采集速度的比较 3 4 3 6 l 工作频测量值 e r t 系统电极数目幅，秒各注 窒 ，幅 a c t3 ( 1 9 9 4 )3 0k h z3 24 6 47 5自适应电流 第一章绪论 ( r e n s s e l a e ru n i v )模式 u m l s tm k 一2 a ( 1 9 9 8 )5 0k h z1 61 0 41 0 0d s p ( m a n c h e s t e ru n i v ) i t s l 0 0 0 型样机 1 62 5数字解调 3 8 4 ( 1 9 9 9 )1 0 4 k h z 1 66 7开关解调 ( l e e d su n i v e r s i t y 7 ) t e r t l 型样机 2 34 ( 1 9 9 9 )1 61 0 41 4 开关解调 k h z ( 天津大学) t e r t 4 型样机 ( 2 0 0 1 )4 0 k h z1 61 0 45 0 开关解调 ( 天津大学) e i t 双截面 ( 2 0 0 3 )2 0 0 k h z1 61 0 41 0 0 0d s p ( l e e d su n i v e r s i t y ) 1 4 课题主要内容及作者所做主要工作 为解决石油工业中多相流动过程的检测难题，针对e r t 系统性能的改进和 提高，研究课题在国家8 6 3 计划( 项目号：2 0 0 1 a a 4 1 3 2 1 0 ) 和国家自然科学 基金( 项目号：5 0 2 7 6 0 4 3 ) 的支持下，主要完成的工作如下： 1 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，在此基础上，提出新的d a s 设计方案； 2 系统硬件平台设计：在实时性分析的基础上，以d s p 为核心，设计了 一套e r t 系统，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，模块化设计；调试时可通过j t a g 接口与p c 机相连，仿真及程序下载简单方便；系统逻辑在线可编程，延时可精 第一章绪论 确控制。 3 峰值检测算法：针对不同的激励频率，在a d 转换芯片性能不同的情况 下，几种适合直接数据转换的峰值检测算法，辅以过零检测电路，实现信号频 率处于不同情况下的峰值检测。 1 5 本论文的组织结构 本文各章的安排如下： 第一章绪论。简要概括过程层析成象的原理和该技术的发展情况，以及现有技 术的特点比较，概括在实现系统特别是硬件系统中的技术难点；同时对本课题 课题来源和研究内容及作者在其中做的主要贡献作了介绍；并说明论文的组织 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。 。 第三章系统硬件设计。介绍e r t 系统的硬件设计方案，并设计一套基于d s p 的e r t 硬件系统平台。该系统为模块化设计思想，在前一章实时性分析的理论 基础上，将模拟去噪滤波环节前置，并采取并行结构，在数据通道后端直接对 经过调理的电极传感器差模信号进行数据转换，略去了模拟平滑滤波环节。该 系统包括信号发生模块、电极阵列及逻辑选通模块、数据采集模块、d s p 数据 处理模块、逻辑时序模块、电源模块及系统总线。系统设计工作于1 0 0 k h z 激励 信号下，成像速度在1 0 0 幅，秒以上。 第四章算法实现及软件流程。介绍了峰值检测算法的几种实现方法及各自特 点，给出了各种方法的时间性能，a d 转换芯片数据转换速度与峰值测量精度之 间关系，同时给出系统软件流程图。 第五章调试中问题及改进意见。介绍系统为调试方便所作设计，并提出系统改 进建议。 第二章e r t 数据采集系统实时性能分析 第二章e r t 数据采集系统实时性能分析 一个典型的e r t 系统( 见图2 1 ) 一般由获取被测物场的敏感场激励单元 及空间敏感阵列、数据采集系统( d a s ) 、图像重建与显示、特征参数分析与提 取、控制单元五部分组成。 图2 1 典型e r t 系统基本构成 动态性能是e r t 系统的一个重要指标，随着数据处理环节技术的改进，其 处理速度不断提高，因此在系统时间中所占比重已经很小，系统的动态性能在 很大程度上取决于数据采集系统( d a s ) 的时间性能。 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 在e r t 中，数据采集系统时间性能改善是提高系统性能的一个关键问题， 现在就此问题进行如下分析。 假如采取e r t 测量管道横截面上相浓度分布、相含率，并判断流型，那么 其采集速度可用如下方法确定。如图2 - 2 所示，设电极数目为n ，尺寸为a x b ， 采用相邻激励方式，离散相最大直径为d ，速度为v s ，为了测量结果可靠，在 离散相d 流过电极空间范围时，应该至少采集到n ( n 一3 ) 2 个数据，离散相运 动时间f _ ( b + d ) ，、，s ，采集速度应为：n ( n 一3 ) 2 x ( i ( b + d ) ，v s ) ，如果考 第二章e r t 数据采集系统实时性能分析 虑到电极的有效作用范围k ，则最小采集速度 。：燃(d6，尼1)d “ i f 6 + ) 矿。一1 7 图2 2 数据采集速度与电极尺寸关系示意图 ( 2 1 ) 如果取n = 1 6 ，a = 1 0 m m ，b = 3 0 m m ，v s = 2 m s ，k = l ，d = l0 m m ，那么算得 其最小采集速度应为：5 2 0 0 次，s ，或5 0 幅图像数据，s ，一个数据采集周期应小 于2 0 0 u s 。 已有的e r t 系统中数据采集部分普遍采用图2 3 所示电路，包括差动放大、 滤波、解调和模拟，数字转换环节。 来自电极 图2 - 3e r t 数据采集系统原理框图 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， 激励频率越高，动态性能越好，现以激励正弦波频率2 0 k h 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 m e ) 一般为 2 u s “1 5 u s ，如p g a 2 0 2 为2 u s ，a d 6 2 4 为1 5 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 j 匿片的最高数据转换频率而定，如a d l 6 7 4 的数据吞吐率( t h r o u g h p u tr a t e ) 第二章e r i 数据采集系统实时畦能分析 为1 0 0 k h z ，相应的其转换一个数据需要的时间为1 0 u s ，而a d s 7 8 1 0 的数据吞 吐率为8 0 0 k h z ，数据转换时间为1 2 5 u s ；二阶巴特沃思带通滤波器中心频率为 2 0 k h z 时，其稳定时间为1 3 0 u s 左右；为了充分衰减2 0 k h 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 3 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5 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 m h z 以上的处理器来说，其读写数据指令所需时间均在1 0 10 0 n s 之 i 刈，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 由d a s 原理框图可知，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 - 4 系统传函a 皓土 邪) 2 而面杀研 娌之， 激励信号u i 心j ：阶跃信号、正弦波信号、冲击信号。 稳定时间分析： 第二章e r t 数据采集系统实时性能分析 c l 帑f r v d o 图2 _ 4 二阶低通滤波器 u o ( s ) = 爿( s ) v ( j ) 对u o 括j 进行反拉氏变换，得到在时域下的输出电压值 u o 以j ： 当u ( 。) ：三为单位阶跃输入时， 输出响应 u o ( 归1 卜牛一厄去s i n ( 去，+ 州r ) - 。， 当v ( ，) = s i n q “ u ( 占) = 盎为正弦波输入时， 输出响应 既( f ) 2 高 一s 访( 峨f + 口) + 1 。玉- - 未l , 哪n ( 西1 蟊r + ) = 一丽1 s i n ( f + a ) + u ：( f ) ( 2 - 4 ) 其中钱为激励正弦波信号频率，a = a r c t a n 篙笋，= a r c t a n 志； 当v ( f ) = 巧( 咖u ( j ) = 1 为冲击输入时， 输m 响麻 f ) 2 丽1 - - ts n 丽1 9 0 ( 1 户( f ) ； ) 2 丽“s i n 丽户( ) ； 求得的稳定时间如下： 对于采用1 2 位n d 转换的本系统 电路输出稳定时间如下： ( 2 5 ) 以上三种信号作为输入信号经过l b f 第二章e r t 数据采集系统实时性能分析 输入为阶跃信号稳定所需时间t i ： l u ( 墨) i c 志j 驴2 册l n ( 拒4 0 9 6 ) ；( 2 - 6 ) 输入为正弦波信号稳定所需时间t 2 ： 1 ( e ) i 2 r c i n 【i 丽l o x 2 4 0 9 6 ( 2 _ 7 ) 输入为冲击信号稳定所需时间t 3 ： ) l r c 1 n ( 篙 协8 ， 设v = r c ，工= 磐可以看出，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f n 不影响稳定时间t 。 在本系统中，对不同激励频率改变滤波电路结构参数，具体做法为固定c 值，设置不同r 值，对阶跃、正弦波、冲击三种输入信号稳定时间t 会不同， 其关系见表2 1 表2 1l p f 电路的输出稳定时间 f n ( k h z )8 04 02 0 1 052 51 2 5 r ( k q )1 0 9 02 1 8 04 3 6 58 ，7 3 01 7 4 6 03 4 9 2 06 9 8 4 0 c ( n f )1 1 t 1 ( m s ) 0 2 0 7o 4 1 50 8 3 11 6 6 23 3 2 56 6 4 91 3 2 9 8 t z ( m s ) 0 1 5 20 3 0 50 6 1 01 2 2 02 4 4 04 8 8 19 ，7 6 3 t 3 ( m s ) 0 2 2 70 4 3 8o 8 4 31 6 2 03 1 0 85 9 4 91 1 3 5 8 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 - 5 传递函数： 。南币习蕊r c s 币可 ( 2 - 9 ) 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 ，： 第二章e r t 数据采集系统实时性能分析 u l ( z ) ic 志j p ( 3 ) 石五 4 0 9 6 2 x 山 i n = = = = = = = = = = ：= = = 主 4 一( 3 呜) 一 当k 坚 图2 - 5二阶带通滤波器 ( 2 1 0 ) 输入为正弦波信号稳定所需时间t 2 ： l ) j 志j 矗而1 1 1 瓦4 0 丽9 6 x 2 x a u j ； ( 2 _ 1 1 ) 输入为冲击信号稳定所需时间t 3 ( 正) f 系统 i 电路 二二 鲕盈蔓二二刊 i 3 6 1 c p l i ) 逻辑 圈3 1 2 逻辑控制模块原理框图 如前所述，本系统使用d s k 板做为整个系统的控制和数据处理单元，需要 通过d s k 板上的地址、控制信号产生e r t 系统所需的控制信号，而且d s k 板 上的i o 信号电平为3 v ，系统功能模块数字电信号电平为5 v 。因此必须在其与 系统总线之间设计逻辑时序以及电平转换电路。 d s p 虽然在算法处理上功能很强大，但其控制功能比较弱；而c p l d 的强 项在于时序和逻辑控制。本系统设计时就是利用了d s p 和c p l d 的优点，将多 个被控芯片如a d 7 0 0 8 、程控放大器、a d s 7 8 1 0 等通过c p l d 映射到d s p 的 | 0 地址空间，利用c p l d 屏蔽a i d 转换的初始化以及读写操作过程，因此外围 操作对d s p 透明，d s p 需要处理的事件仅为设置固定地址控制字( 系统初始化 及参数设置) ，对固定地址读数据( a d 数据采集) 并对这些数据进行处理。这 样的设计符合模块化要求，便于系统升级维护。 在本系统中的数据采集处理环节，数据采集的设计在硬件中占据了很大的 比重，这也符合d s p 芯片应用的原则：用软件完成大部分的数字处理算法，d s p 的优势在于可以借助其强大的数字处理能力利用软件完成复杂的算法。 3 6 1 1e p m 7 1 2 8 本系统采用一片e p m 7 1 2 8 构成c p l d 接口模块，该芯片属于m a x 7 0 0 0 系列，其特点如下： 通过j t a g 接口可实现在线编程 内置j t a gb s t 电路 8 个逻辑阵列块 1 2 8 个宏单元 2 5 0 0 个可用门 第三章系统硬件设计 用户l ，o 引脚6 4 个 延迟时间1 5 n s 兼容3 3 v 、5 v 电源 可编程保密位，全面保护专利设计 m a x p l u s i i 开发系统提供软件设计支持a l t e r a 主编程部件( m p u ) 、 b i t b l a s t e r 串行口下载电缆、b y t e b l a s t e r 并行口下载电缆或其它厂家的编程硬件 支持器件的编程 多种流行e d a 工具与v h d l 、v e r i l o g 等多种接1 ：3 软件一起，提供了附加的 设计输入与仿真支持。 3 6 1 2 逻辑实现 如前所述，整个c p l d 接口模块是一片a l t e r a 公司的e p m 7 1 2 8 芯片， 它控制信号发生器、程控放大器及a d c 模块的初始化；接收a d c 送来的数据 有效信号和过零检测电路的过零信号，同时接收并分析d s p 方向的i o 端口读 取信号，为d s p 和a d c 之间搭起一个逻辑时序通道。 由于d s p 的个指令字为3 2 b i t ，加之c p l d 管脚有限，所以采用a 2 作为 最低地址位，d s p 数据线与系统相应数据线按照低位有效顺序连接，多余的高 位数据悬空，d s p 提供的字节读取信号b e 3 ：0 并没有使用。 c p l d 接口模块将所有需受控部分通过地址译码映射到d s p 的c e 2 存储空 间，d s p 对系统的设置和数据、信号接收通过对固定地址进行i 0 操作来实现。 c p l d 使用d s p 的c e 2 、a 4 ：2 】作为地址译码输入，译码得到的信号分别作为 电极板选择、放大器放大倍率、激励接收电极对选择数据的触发信号和信号发 生器、a d c 模块的控制信号。c e 2 与d s pe m i f 模块读写信号的译码信号作为 对c e 2 地址空间的读写信号，控制数据总线读写通道的选通。另外c p l d 还作 为d s p 外部中断的输入通道，完成a d c 数据转换完成信号和过零检测电路过 零信号的缓冲和电平转换。 由于系统电源采用5 v 供电，所以其输出高电平将高于d s p 输入高电平所 能承受的范围。解决这个问题的方法之一是采用降压芯片( 比如l 厂r 系列) 用 3 3 v 供电，3 3 v 供电可以承受5 v 的输入，同时输出也和3 3 v 兼容，但是这种 方法需要单独外接几片l 、仃芯片，占据宝贵的p c b 扳空间；方法之二是给c p l d 芯片提供双电源，其中提供给| ，0 脚的电源为3 3 v ，此时输入电压可以和5 v 及 33 v 系统兼容，同时输出电压高电平可以达到3 3 v ，可驱动3 3 v 及5 v 数字电 路。所以，输入输出数据总线通过c p l d 到d s p 实际上是因为电平转换的需要， 数据总线占用了2 8 个i o 管脚，将近总数的一半，但逻辑单元的使用相对来说 3 3 第三章系统硬件设计 却并不多，因此在芯片选型时应考虑同种规格芯片i o 管脚较多的型号，这样可 在硬件实现时尽可能多的将i o 管脚与系统逻辑信号连接，可在今后不触动原硬 件平台的基础上进行系统在线升级，这正是c p l d 和在线可编程( i s p ) 的优势 所在。 3 6 2c p l d 下载线实现 微电子技术、微封装技术和印