基于FPGA的新型电容数据采集系统设计

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。

为了获得较宽的输入范围(2X 唧)，将外部参考电压 哪的电压偏置为2V，则运放的输入范围为一2V～+2V。运放在电路中起两方面作用：一是将
A／D转换电路与前级电路隔离；二是提高前级电路的驱动能力。

2．2 数据处理模块的设计
为了实现对数据的快速存储，在系统中使用了一个Micron公司的128 MB的DDR2 SDRAM芯片。

图4给出了DDR2存储器工作时的状态机的转换结构图。系统初始化完成以后，状态机进入IDLE状态。然后根据不同的请求指令，状态机转换到相应的状态，并将指令发送至DDR2存储芯片，同时触发计数器开始计数。当满足规定的时间间隔后，控制器可以再次接受新的指令并根据请求转换为相应的工作状态。

2．3数据传输模块的设计
本系统采用的是利用专用PCI接口芯片PCI9054实现数据传输，将复杂的PCI总线接口转换为简单的I／0接口。

在进行数据流的传输方面，该板卡采用的是存储器空间，并用DMA方式进行数据高速传输[61。图5所示为PCI9054进行目标设备DMA读写时的结构图。主机或FPGA只需发出DMA开始信号后，即可由PCI9054完成DMA 的所有操作。可见，DMA 操作大幅度减轻了主机端CPU的负担。

3 软件算法设计

本系统在滤波设计中用卡尔曼滤波器代替了原有的FIR等频域滤波器。由于卡尔曼滤波的基本方程是时间域内的递推形式，其计算过程是一个不断“预测一修正”的过程，在求解时不要求存储大量的数据，并且一旦观测到了新的数据，随时可以算出新的滤波值，便于实时处理 。

由于卡尔曼滤波算法涉及到矩阵运算， 为了便于FPGA处理，把矩阵运算分解成一系列加减乘除运算单元，利用DSP Builder的加减乘除等模块来实现。由于算法的实现采用了并行的硬件处理技术，使其执行速度有了很大提高。在本设计中，将卡尔曼滤波算法的6个基本方程分解如下。

4 系统测试结果分析

4．1速度测试结果
在测试过程中，设定正弦激励信号的频率为500 kHz，由于A／D采集的频率为40 MHz，所以单周期内采样80个点，系统一个通道需要采样2 0481 9 0个点，则采集一个通道数据的周期约为26／500 kHz=52 Its， 一帧数据共需采集激励15个通道，即进行15次A／D采集，其周期为780 Its，考虑通道的切换 1和系统稳定时问 ， 其中1约为10 S，72约为20 Its，则完成一帧数据共需时问为780+10+20=810 Its， 即每秒町以采集l 000帧数据，大大提高了数据采集速度。

4．2 精度测试结果
采用叠加高斯白噪声的正弦信号作为输入信号，对建立的滤波器模型进行仿真。图6给出r滤波误差结果。由图可知当采样信号超过500日{，待信 达到稳定，误差在0．13V以内。所以在系统的一·个通道采集的2 048个点滤波后要抛去前500个数据，然后进行相敏解调。

实验表明，该系统满足电容层析成像系统的实时性要求，数据采集速率较采用频域滤波器的系统有较大改善，同时d王保持了一定的采集精度 该系统较大的数据吞吐率和较高采集精度， 为ECT技术在航空发动机尾气等高速检测设备的应用提供了空间。