专利名称：一种基于工业标准的多截面过程数据采集系统的制作方法
技术领域：
本实用新型属于过程参数检测技术领域，具体涉及一种截面过程数据采集和信号处 理技术。
背景技术：
截面信息检测技术是通过采用基于辐射、电磁和光学等原理的阵列式传感器，获取 被测对象特定剖面二维分布信息和图像的检测技术。其中，基于电学敏感原理的截面过 程参数检测技术采用空间敏感阵列，以非接触或非侵入方式获取被测物场的分布信息， 可以提供被测物场分布的实时信息，是实现可视化检测的核心技术。电学截面过程参数 检测技术的出现标志着过程参数在线检测技术发展到了一个新的阶段，它将检测技术从 传统的局部空间单点测量方式发展成为对过程参数在二维/三维空间分布状况的在线、实 时、多点监测，大大提高了人们对生产过程信息的获取和分析能力，为在线检测和优化 设计提供了一种全新的手段。通过对所获得的有关过程数据动态信息的提取和分析，可 以建立更为符合实际情况的过程机理模型，并进一步优化过程设备和装置的结构和参数 设计，最终改进过程工艺，降低能耗，提高生产效率及安全性，并进而开发出新一代智 能化实时分布参数检测系统。
作为截面过程参数检测技术的主要研究内容，基于电学敏感原理的截面过程参数检 测技术的物理基础是基于不同的媒质具有不同的电学特性(如电导率、磁导率和介电 常数等)，通过判断敏感场中的电学特性的分布及变化，可获知物场的媒质分布和变化 状况。其工作的基本原理是通过对被测物场施加一定电信号(如电流、电压或电磁感应) 的激励，当物被测场内介质的分布发生改变时，被测物场的电学特性分布也随之变化时， 引起物场内电、磁分布特性的变化，从而场域边界上的测量信号(电压或电流信号)也 发生变化，通过对场域边界分布的阵列式传感器上测量数据的分析和处理，即可得到物 场中媒质的分布状况；或运用相应的成像算法重建出实际对象的物场分布图像，实现可
视化测量，如利用测量数据进行图像重建就是一般意义上的电学层析成像技术。但是， 传统的过程参数检测技术的数据采集系统的实时性难以满足对快速变化工业过程有效测 量所要求的信息量。同时，作为电学层析成像系统工作时，由于电学的敏感场具有"软 场"特性，其有限的边界数据所具有的信息量对解决这种非线性场的图像重建问题具有 相当大的困难。因此，针对截面过程参数检测技术数据采集系统的一次边界测量数据， 应用现代信号处理技术，模式识别等方法直接进行分析和特征提取，成为对截面过程信 息检测的一种重要方法，是目前截面过程参数检测技术研究中的重要内容。为满足复杂、 快速变化的工业过程需要，优化截面数据采集系统的工作模式，提高数据采集系统的实
3时性能，设计截面过程信息检测高速数据采集系统，对提高被测敏感场有效数据的获取 能力，充分提取和挖掘过程中的有用信息，改善被测物场重建图像的空间分辨率具有重 要的价值。
传统的截面过程参数检测数据采集系统，大多采用以模拟的电子元件为基础，实现 信号发生、滤波、解调，以及数据转换和传输的控制方式。截面过程参数检测数据采集 系统的主要工作方式为对被测场域边界上分布的一个(或一对)电极输入激励电信号， 在同一截面边界上分布的其他电极(或电极对)上对感应电信号进行检测。其中，激励 信号为正弦波或脉冲交变的电流或电压信号。在截面过程参数检测技术书记采集系统中 暴露出的主要问题有①数据采集系统电路主要以模拟电子元件为基础，当切换激励信 号的通道时，检测电极端信号由于电路中模拟滤波、解调等作用，使信号稳定时间较长， 使得数据采集的速度较慢，无法满足对快速变化工业过程测量所要求的实时性。②数据 采集系统的工作模式及程序控制主要基于Windows操作系统，由计算机中央处理器 (CPU)执行固定程序，通过系统地址、数据总线或串行接口向数据采集电路发送初始 化及控制命令，控制灵活性低、实时性差。③由于采用一般的商用计算机数据总线或串 行接口进行数据传输，不仅传输速度有限，而且与目前工业领域普遍使用的工业标准不 兼容，致使数据采集系统很难实现工业化应用。 在数据转换部分采用单通道"串行" 工作模式，对一幅截面所有数据的检测周期较长，不能满足快速变化工业过程中截面有 效信息检测的需要。 在采用单截面的数据测量时，对物场空间的过程变化的信息釆集 不完整，数据无法满足对快速变化过程截面分布有效信息分析的需要。
这些问题都直接或间接影响截面过程参数检测技术数据采集系统的工作性能和应用 范围。虽然研究人员在加快数据采集速度、提高系统性能方面提出了很多改进和优化措 施，如改进滤波器的滤波时间、优化阵列电极结构、改进信号处理或图象重建算法等。 但由于基于模拟器件设计的局限性，数据采集速度和精度的提升空间受到很大的限制。 针对这些问题，设计"一种基于工业标准的多截面过程数据采集系统"，主要采用基于
工业系统应用标准"紧凑型外设部件互连总线"(Compact Peripheral Component Interconnect,简称Compact PCI总线)接口和现场可编程门阵列(Field- Programmable Gate Array,简称FPGA)控制及信号处理的并行数据采集系统。该设计方案主要有以下 优点(1)由于采用Compact PCI总线技术，系统更适合于工业化应用；(2)随着FPGA 的应用，系统的控制灵活性也大大提高。(3)并行式数据采集方案的应用，可大幅度减 少截面信号采集是检测电极的切换次数，从而使数据采集系统的实时性提高；(4)数据 采集系统可方便的实现被测过程多截面的信号采集，可增加对被测物场空间的截面过程 信息的采集量。
实用新型内容
针对传统的截面过程数据采集系统实时性、信息采集量和工业化标准等问题，本实
4用新型的目的是提出适合于快速变化的复杂工业过程截面信息采集的一种基于工业标准 的多截面过程数据采集系统设计方案。本实用新型的技术方案如下
一种基于工业标准的多截面过程数据采集系统，包括截面敏感电极阵列模块、信号 发生及模式选择模块、信号调理模块、AD采集及信号预处理模块、Compact PCI总线和 CPU或计算机模块组成，其特征为-
所述的截面敏感电极阵列模块，由1个或1个截面以上的截面敏感电极阵列构成， 每个截面分布若干个电极，电极类型根据被测介质敏感特性的不同，配置成电阻、电容 或电磁感应电极类型；
所述的信号发生及模式选择模块，包括Compact PCI接口、 FPGA、信号发生、恒压 或恒流源和电极通道选择电路，其中，Compact PCI接口电路用于FPGA电路与CPU或 计算机的通信及数据传输；FPGA电路用于控制信号发生和电极通道选择电路，实现系 统激励策略及工作模式的选择以及与信号调理模块和AD采集及信号预处理模块之间的 协调工作；信号发生电路利用由FPGA电路控制的DDS芯片输出频率可控的激励信号； 恒压或恒流源电路用于将信号发生电路产生的激励信号转换为可选择幅值的恒定电压或 电流信号；电极通道选择电路用于根据FPGA控制信号建立被选择通道，将恒压或恒流 源电路转换的激励信号传送到激励电极；
所述的信号调理模块，包括电极驱动、截面选择和差分放大电路，其中，截面选择 电路，通过所述的FPGA电路的控制信号实现逻辑地址，对多截面的工作截面进行选择； 放大电路，根据所述的FPGA电路所选定的放大倍数，对从电极上采集到的感应信号进 行差分放大，输出有效信号；
所述的AD采集及信号预处理模块，采用并行同步的工作方式，将经信号调理模块 的被测模拟信号转换成数字信号，由FPGA电路分别对各路数字信号进行数字滤波、数 字解调、存储预处理，并控制Compact PCI接口电路通过Compact PCI总线传输给CPU 或计算机模块。
本实用新型的数据采集系统的积极效果在于(1)传感器阵列可以根据被测对象的 需要进行配置，可选择测量截面的层数，且每个截面中的电极通道可编程选择，且并行 同步工作，可实现各种需要的激励和数据采集工作模式，并可方便的实现多传感器的融 合，从而提高采集数据中信息的有效性。(2)采用适合工业领域运用的Compact PCI总 线标准作为系统总线，不仅提高数据的传输稳定性和实时性，也兼容工业标准，适合在 工业领域的推广和使用。(3)采用FPGA对各个模块进行控制，工作模式和功能实现可 由FPGA编程的形式简单完成，提高了控制灵活性。(4)采用基于FPGA的数字信号处理 技术(包括数字滤波和数字解调等)，相对传统的基于模拟电路的数据采集系统信号处 理功能大大加强，提高了数据采集速度，保证数据采集的实时性和快速性。(5)数据采 集系统可方便的实现多通道并行、多截面采集，相对单通道、单截面采集可以获得更大 的数据量。
附图1为本实用新型系统结构图。
附图2信号发生及模式选择模块结构图。
附图3信号调理模块结构图。
附图4 AD采集及信号预处理模块结构图。
附图5电阻截面信息采集系统截面敏感电极阵列形式。
附图6截面电极通道选择示意图。
附图7双截面釆集截面选择示意图。
具体实施方式
本实用新型的技术方案为(参照附图1 5):基于工业标准的多截面过程数据采集 系统结构如附图1所示。主要由截面敏感电极阵列、信号发生及模式选择模块、信号调 理模块、AD采集及信号预处理模块、Compact PCI总线和CPU或计算机组成。其中
截面敏感电极阵列可选择实现1个或2个截面以上的电极阵列，每个截面可均匀或 以一定的间隔形式分布若干个电极，电极类型可以根据被测介质敏感特性的不同，配置 成电阻、电容或电磁感应电极等形式。
信号发生及模式选择模块具体结构如附图2所示，主要由CompactPCI接口、FPGA、 信号发生、恒压或恒流源和电极通道选择等电路组成。Compact PCI接口电路可根据 Compact PCI总线协议标准设计实现，主要功能完成FPGA电路与CPU或计算机的通信 及数据传输；FPGA电路可根据系统工作模式与性能的需要选择相应的FPGA芯片实现， 主要功能是控制信号发生和电极通道选择电路的工作形式，实现系统激励策略及工作模 式的选择，以及与信号调理模块和AD采集及信号预处理模块之间的协调工作；信号发 生电路选用直接数字频率合成(Digital Direct Frequency Synthesis,简称DDS)芯片或采 用FPGA编程方式实现，主要功能是实现频率可控的多种形式的激励信号，包括单、 双极性脉冲信号和正弦信号；恒压或恒流源电路采用电压控电压源(VCVS)或电压控电 流源(VCCS)方案，主要功能将信号发生电路产生的激励信号转换为可选择幅值的恒定 电压或电流信号；电极通道选择电路采用数字式模拟开关芯片，实现由FPGA控制建立 的被选择通道将信号发生或恒压或恒流源的激励信号传送到激励电极。
信号调理模块具体结构如附图3所示，主要由电极驱动、截面选择、FPGA和程控 (差分)放大等电路组成。电极驱动电路采用模拟驱动电路技术，主要是减小接触电阻、 电容和电感等杂散信号对被测信号的影响；截面选择模块选用数字式模拟开关芯片，通
过FPGA控制信号实现逻辑地址，对多截面的工作截面进行选择；程控(差分)放大电 路由高精度仪表运算放大器或程控放大器芯片构成，可对截面中电极(相邻电极)上的 感应信号进行(差分)放大，输出有效信号。FPGA电路实现截面选择和程控(差分)
6放大电路的逻辑地址的设定和放大倍数的选择输出，并负责与AD采集及信号预处理模 块和信号发生及模式选择模块之间的逻辑通信。
AD采集及信号预处理模块结构如附图4所示。主要由AD转换器阵列、FPGA、数 据存储和Compact PCI接口电路等组成。AD转换器阵列电路采用若干采样频率为1MHz 以上的AD转换芯片构成，工作形式为并行同步进行，将经信号调理模块的被测模拟信 号转换成数字信号。FPGA实现数字信号的数字滤波数字解调和存储调等预处理，实现 将预处理后的数字信号存储在存储电路中的控制功能，同时控制Compact PCI接口电路 通过Compact PCI总线传输给CPU或计算机模块。
CPU及计算机模块主要进行经Compact PCI总线传输数据的分析处理和图像重建等 功能.
以下通过具体实施例对本实用新型作进一步的说明。
本实用新型可以应用于单层或多层截面过程数据采集系统模式。即可以实现截面电 阻、电容或电磁信息的检测，又可以将几种截面过程数据采集组合实现数据采集系统。
以双截面的电阻截面信息采集系统为例，介绍基于工业标准的多截面过程参数数据 采集系统实施方式。在电阻截面信息采集系统中，电极的激励模式选择相邻激励，激励 信号选择双极性正弦电流信号。本实施方案中运用2个截面电极阵列模块，每截面采用 16电极等间距分布；激励电流设定为lmA。按照附图l、附图2、附图3、附图4，将各 个功能模块组合成电阻截面信息采集系统。
截面敏感电极阵列配置成电阻信息检测电极的形式。电阻截面信息采集系统的电极 阵列形式如附图5所示。
信号发生及模式选择模块中信号发生电路选用DDS芯片AD9852，由FPGA逻辑编程控 制输出幅值及频率可调的正弦电压信号；VCCS将DDS芯片输出的正弦电压信号转换为 恒定的正弦电流信号，选用可编程仪表放大器芯片AD8250和AD711组合；电极通道选择 电路实现激励电极通道选通逻辑功能，由两片数字式多路模拟开关MAX306芯片构成，其 中公共端为地和激励电流，通过FPGA输出逻辑对芯片地址选择端控制，实现多路中的一 路的选通，单个截面激励电极通道选择电路示意图如附图6所示。对双截面数据采集系 统，采用2个附图6所示的单元，由FPGA输出逻辑对电路的地址选择端控制，实现双截 面的电极选通功能，构成激励回路，Compact PCI接口由FPGA控制，实现与CPU或计 算机的通信和数据传输。
信号调理模块中的电极驱动电路主要是为了减小电极接触阻抗和杂散电容对有效信 号的影响，对于双截面数据釆集系统，釆用两组截面电极驱动电路组成，每组截面电极 驱动由16个放大器LF411构成；截面选择电路由2选1数字式模拟开关芯片ADG333 构成，每个ADG333芯片集成了4组2选1数字式模拟开关，因此选用4片ADG333对 2个截面的检测电极通道进行选择，如附图7所示；差分放大电路由16路可编程增益放 大器构成，每一路由两片可编程增益放大器AD8250构成，由FPGA逻辑输出控制差分
7放大倍数；FPGA除实现截面选择和16路差分放大倍数的选择以外，还需实现与AD采 集及信号预处理模块和信号发生及模式选择控制模块之间同步协调的逻辑。
AD采集及信号预处理模块中的AD转换电路由8个AD转换芯片AD7367组成，每个 AD7367含两个采集通道，实现同一截面相邻电极构成的16路电势差信号的同步采集； FPGA输出逻辑控制AD7367的采集和转换功能，并编程实现数字滤波和数字解调；存储 器由两片通用RAM构成；Compact PCI接口由FPGA控制，实现与CPU或计算机的通 信和数据传输。
信号发生及模式选择模块和信号调理模块的FPGA主要进行各个功能电路的控制， 选择FPGA芯片EP1C6240C8; AD采集及信号预处理模块除了控制部分单元电路的操作 外，还需进行数字滤波和数字解调等处理，选择FPGA芯片EP2C35F484C8。信号发生 及模式选择模块和AD采集及信号预处理模块中的Compact PCI接口芯片选择PCI9054。
双截面电阻信息数据采集系统工作过程首先CPU或计算机模块通过Compact PCI 总线对信号发生及模式选择模块进行初始化操作，包括激励电流选择，激励频率选择和 激励策略选择。信号发生及模式选择模块根据上位机发送的初始化命令，由FPGA输出 逻辑控制信号发生和电极通道选择电路输出恒流正弦激励信号，实现相邻激励。在激励 信号作用下，被测物场建立敏感场，被测物场边界同一截面上分布的敏感电极感应出场 域边界的分布电势，电极上的感应电势信号通过电缆传送到信号调理模块，由FPGA输出 逻辑控制截面选择和差分放大电路，实现不同截面检测电极通道的选择和并行相邻电极 电势差放大倍数的选择。调理后的差压信号进入AD采集及信号预处理模块，由FPGA 输出逻辑控制AD芯片完成转换，对转换后的数字信号进行数字滤波和数字解调等处理， 解调出来的有效信息通过RAM和Compact PCI总线接口传送到CPU或计算机，进行数 据的分析处理及图像重建操作。
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权利要求1.一种基于工业标准的多截面过程数据采集系统，包括截面敏感电极阵列模块、信号发生及模式选择模块、信号调理模块、AD采集及信号预处理模块、Compact PCI总线和CPU或计算机模块组成，其特征为所述的截面敏感电极阵列模块，由1个或1个截面以上的截面敏感电极阵列构成，每个截面分布若干个电极，电极类型根据被测介质敏感特性的不同，配置成电阻、电容或电磁感应电极类型；所述的信号发生及模式选择模块，包括Compact PCI接口、FPGA、信号发生、恒压或恒流源和电极通道选择电路，其中，Compact PCI接口电路用于FPGA电路与CPU或计算机的通信及数据传输；FPGA电路用于控制信号发生和电极通道选择电路，实现系统激励策略及工作模式的选择以及与信号调理模块和AD采集及信号预处理模块之间的协调工作；信号发生电路利用由FPGA电路控制的DDS芯片输出频率可控的激励信号；恒压或恒流源电路用于将信号发生电路产生的激励信号转换为可选择幅值的恒定电压或电流信号；电极通道选择电路用于根据FPGA控制信号建立被选择通道，将恒压或恒流源电路转换的激励信号传送到激励电极；所述的信号调理模块，包括电极驱动、截面选择和差分放大电路，其中，截面选择电路，通过所述的FPGA电路的控制信号实现逻辑地址，对多截面的工作截面进行选择；放大电路，根据所述的FPGA电路所选定的放大倍数，对从电极上采集到的感应信号进行差分放大，输出有效信号；所述的AD采集及信号预处理模块，采用并行同步的工作方式，将经信号调理模块的被测模拟信号转换成数字信号，由FPGA电路分别对各路数字信号进行数字滤波、数字解调、存储预处理，并控制Compact PCI接口电路通过Compact PCI总线传输给CPU或计算机模块。
专利摘要本实用新型属于过程参数检测技术领域，涉及一种截面过程数据采集和信号处理技术。基于工业标准的多截面过程数据采集系统主要采用了基于FPGA技术的电路设计和信号预处理方式，以及采用工业标准Compact PCI总线为数据采集系统的系统总线。系统主要由截面敏感电极阵列模块、信号发生及模式选择模块、信号调理模块、AD采集及信号预处理模块、Compact PCI总线和CPU或计算机组成。该实用新型具有根据被测对象特性可重配置特点，可实现多截面、多类型过程数据采集系统的组合方式，具有高速、并行、多通道、数字化的实时数据采集功能。可用于过程对象空间或截面具有不同特性介质分布或变化的过程监测，可广泛应用于石油、化工、冶金、制药、食品、医疗监测等领域。
文档编号G01R27/02GK201413367SQ20092009696
公开日2010年2月24日 申请日期2009年6月2日 优先权日2009年6月2日
发明者张志强, 张振杰, 峰 董, 聪 许, 骏 韩 申请人:天津大学