文獻標識碼： A
文章編號： 0258-7998(2014)01-0072-03
航空發動機結構復雜、工作環境惡劣。對其準確快速檢測一直是航空公司面臨的重大技術難題。
航空發動機排出的尾氣主要是大量的排放氣體、未完全燃燒液滴以及機械磨損產生的金屬屑等混合多相流體。通過檢測、分析這些顆粒物特性，能夠實時地反映發動機工作狀態，為發動機視情維修提供依據[1]。
電容層析成像技術ECT(Electrical Capacitance Tomography)具有非侵入、可視化、響應速度快等優點，使其在中低速多相流體過程參數檢測中擁有顯著的優勢[2]。目前，已有ＥＣＴ系統在稀相煤粉氣固兩相流檢測中應用的報道[3]。相關文獻未見ECT系統對高溫、高速的航空發動機尾氣這種特殊氣固兩相流檢測的報道。數據采集速度是制約ECT系統在航空發動機尾氣檢測應用中的瓶頸之一。針對這一問題，本文設計了一種新型高速數據采集系統，在保證一定精度的同時顯著提高了數據采集的速度。主要包括以下兩方面的工作：
(1)硬件改進：應用DDR2存儲技術和PCI總線技術提高數據的吞吐率。
(2)軟件改進：應用卡爾曼濾波器替代傳統的FIR濾波器，因為不需要時域和頻域之間的轉換，在保證一定信噪比的同時，可提高濾波效率。
圖1為ECT系統結構圖，主要由三部分組成：陣列式電容傳感器、數據采集與信號處理單元以及圖像重建與分析顯示單元[4]。
1 系統總體方案
基于ECT的航空發動機氣路檢測系統總體設計框圖如圖2所示。
本系統采用兩片FPGA芯片作為核心處理器。一片選用Xilinx公司的Spartan-6系列XC6SLX16-2CSG324,用于控制12 bit高速模數轉換器AD9224直接對C/V轉換電路輸出VO(t)進行采樣，并將A/D轉換后的信號存儲到DDR2中。另一片選用了Altera公司的CycloneII系列EP2C5Q208C8N芯片，實現存儲數據的濾波與相敏解調，并以DMA的方式將處理后的數據通過PCI總線傳送給上位機以完成圖像重建。
2 數據采集系統的設計
數據采集系統主要由A/D轉換、信號處理和PCI總線數據傳輸三大部分組成。
2.1 A/D轉換設計
由于ECT系統采集到的信號微弱，因此，A/D轉換電路的精度將直接影響成像效果。本系統采用美國ADI公司的高速芯片AD9224。AD9224具有12 bit的位寬、40 MS/s的轉換速率。AD9224的輸入范圍由參考端VREF控制，支持直流或交流耦合的單端或差分輸入。本文所采用的系統激勵頻率為500 kHz，并且采用串行的方式采集數據。因此，選用交流耦合單端輸入方式，如圖3所示。
為了獲得較寬的輸入范圍(2×VREF)，將外部參考電壓VREF的電壓偏置為2 V,則運放的輸入范圍為-2 V～+2 V。運放在電路中起兩方面作用：一是將A/D轉換電路與前級電路隔離；二是提高前級電路的驅動能力。
2.2 數據處理模塊的設計
為了實現對數據的快速存儲，在系統中使用了一個Micron公司的128 MB的DDR2 SDRAM芯片。
圖4給出了DDR2存儲器工作時的狀態機的轉換結構圖。系統初始化完成以后，狀態機進入IDLE狀態。然后根據不同的請求指令，狀態機轉換到相應的狀態，并將指令發送至DDR2存儲芯片，同時觸發計數器開始計數。當滿足規定的時間間隔后，控制器可以再次接受新的指令并根據請求轉換為相應的工作狀態。
2.3 數據傳輸模塊的設計
本系統采用的是利用專用PCI接口芯片PCI9054實現數據傳輸，將復雜的PCI總線接口轉換為簡單的I/O接口。
在進行數據流的傳輸方面，該板卡采用的是存儲器空間，并用DMA方式進行數據高速傳輸[6]。圖5所示為PCI9054進行目標設備DMA讀寫時的結構圖。主機或FPGA只需發出DMA開始信號后，即可由PCI9054完成DMA的所有操作[7]。可見，DMA 操作大幅度減輕了主機端CPU的負擔。
3 軟件算法設計
本系統在濾波設計中用卡爾曼濾波器代替了原有的FIR等頻域濾波器。由于卡爾曼濾波的基本方程是時間域內的遞推形式，其計算過程是一個不斷“預測-修正”的過程，在求解時不要求存儲大量的數據，并且一旦觀測到了新的數據，隨時可以算出新的濾波值，便于實時處理[8]。
由于卡爾曼濾波算法涉及到矩陣運算，為了便于FPGA處理，把矩陣運算分解成一系列加減乘除運算單元，利用DSP Builder的加減乘除等模塊來實現。由于算法的實現采用了并行的硬件處理技術，使其執行速度有了很大提高。在本設計中，將卡爾曼濾波算法的6個基本方程分解如下。
實驗表明，該系統滿足電容層析成像系統的實時性要求，數據采集速率較采用頻域濾波器的系統有較大改善，同時也保持了一定的采集精度。該系統較大的數據吞吐率和較高采集精度，為ECT技術在航空發動機尾氣等高速檢測設備的應用提供了空間。
參考文獻
[1] 張立峰.電容層析成像系統的設計及應用研究[D].天津: 天津大學,2003.
[2] 崔自強. 雙模態電學層析成像技術研究[D].天津:天津大學,2009.
[3] 孫猛,劉石, 李志宏，等. 利用ECT對稀疏氣固兩相流動 進行濃度測量[J]. 鍋爐技術， 2010，41(4):6-9.
[4] BOLTON G T, KORCHINSKY W J, WATERFALL R C. Calibration of capacitance tomography system for liquidliquid dispersions [J].Meas Sci Technol,1998,9(11):1797-1800.
[5] Complete 12-Bit, 40 MSPS Monolithic A/D Converter [S]. 1999.
[6] 朱惠靜.PC19054及其在高速數據采集系統中的應用[J]. 國外電子測量技術，2008,27(2):72-74.
[7] 吳建. 基于FPGA的PCI數據采集卡的研究與開發[D].長沙: 中南大學．2007.
[8] 何子述,夏薇,等.現代數字信號處理及其應用[M].北京： 清華大學出版社，2009.
[9] YANG W Q.Hardware design of electrical capacitance tomography systems[J]. Measurement Science and Technology 1996，7(3)：225-232.