基于DSP的电容层析成像系统及其软件设计

论文摘要

电容层析成像(ECT)技术是目前较为广泛研究的一种两相流参数检测技术,它具有成本低、速度快、非侵入性、适用范围广和安全性能佳等优点,已在诸多方面得到了研究和应用。但是技术还不完善,目前主要集中在实验室的研究应用,真正的工业现场应用不多。本文以基于DSP的电容层析成像系统为研究对象,主要探讨了电容层析成像图像数据采集系统方面有关的问题。其中以微小电容检测电路最为关键,详细分析了微小电容检测方法和检测原理,以及微小电容信号采集的技术难点,这主要体现在由于被测电容是微小信号,其远小于电路中存在的杂散电容和耦合电容,最后采用了交流法电容测量电路和相敏解调技术解决了微小电容测量中的技术难点,此技术的优点在于具有低漂移、高信噪比、建立时间快速的特点;同时采用DSP芯片作为核心控制芯片,分析了DSP做为核心控制芯片的优势和对系统性能的改善作用,其主要优点在于提高了数据和处理速度,可以方便、快速地与上位机实时通信,提高了数据采集的实时性;设计数据采集系统的上位机和下位机软件,由软件控制实现对耦合电容的误差补偿,以及对数据采集过程的控制和上下位机的通信。主要完成的工作如下:简要地说明了多相流检测技术对于科研及工业生产的重要意义,对过程层析成像技术的研究现状及发展趋势进行了分析和总结;根据电容传感器结构参数的影响和设计原则,设计加工出了12电极电容传感器;设计了通过一个交流法电容测量电路来检测微小电容;将相敏解调原理应用到系统中,以实现对噪声信号的抑制;分析了耦合电容对系统的影响,通过硬件电路、软件实时补偿消除了耦合电容;开发了以DSP为核心的软件系统;在数据采集系统上进行了试验,验证了方法的可行性,较好的解决了微弱电容的测量问题,提高了系统的抗噪能力。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 过程层析成像技术原理
• 1.1.1 过程层析成像的数学理论
• 1.1.2 过程层析成像系统组成及其原理
• 1.2 国内外研究现状和面临的问题
• 1.2.1 国内外研究现状
• 1.2.2 面临的问题
• 1.3 课题来源以及主要研究内容
• 第2章 电容层析成像系统
• 2.1 电容层析成像的工作原理
• 2.1.1 电容层析成像系统的数学基础
• 2.1.2 正问题求解
• 2.1.3 逆问题及图像重建算法
• 2.2 电容层析成像系统的组成
• 2.2.1 传感器系统
• 2.2.2 数据采集系统
• 2.2.3 成像系统
• 2.3 ECT 硬件系统的总体设计
• 2.4 本章小结
• 第3章 微小电容检测电路设计
• 3.1 引言
• 3.2 极板阵列控制电路
• 3.3 交流电容检测和解调滤波电路
• 3.3.1 传感器电容值仿真
• 3.3.2 交流电容检测原理与电路实现
• 3.3.3 解调和滤波原理与电路实现
• 3.3.4 差分可控放大电路
• 3.4 信号发生器和增益发大电路
• 3.5 本章小结
• 第4章 DSP 数据采集控制电路设计
• 4.1 引言
• 4.2 DSP 最小系统板设计
• 4.2.1 复位和时钟电路
• 4.2.2 电源电路
• 4.2.3 Flash 的接口设计
• 4.3 DSP 通信模块设计
• 4.3.1 A/D 转换电路
• 4.3.2 D/A 转换电路
• 4.3.3 串口通信电路
• 4.4 本章小结
• 第5章 系统软件开发和设计
• 5.1 下位机软件设计
• 5.1.1 软件开发环境
• 5.1.2 耦合和静态电容测量模块
• 5.1.3 数据采集和通信模块
• 5.2 上位机软件设计
• 5.2.1 串口通信控制模块
• 5.2.2 数据存储与再现模块
• 5.3 本章小结
• 第6章 系统实验及结果分析
• 6.1 静态特性实验
• 6.2 系统稳定性实验
• 6.3 数据采集效果实验
• 6.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢