航空发动机结构复杂、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[1]。

电容层析成像技术ECT(Electrical Capacitance Tomography)具有非侵入、可视化、响应速度快等优点，使其在中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[3]。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，在保证一定信噪比的同时，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[4]。

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(t)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CycloneII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12 bit的位宽、40 MS/s的转换速率。AD9224的输入范围由参考端VREF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(2×VREF)，将外部参考电压VREF的电压偏置为2 V,则运放的输入范围为-2 V～+2 V。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/O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[6]。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[7]。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-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[8]。

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。

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，同时也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。

参考文献

[1] 张立峰.电容层析成像系统的设计及应用研究[D].天津: 天津大学,2003.

[2] 崔自强. 双模态电学层析成像技术研究[D].天津:天津大学,2009.

[3] 孙猛,刘石, 李志宏，等. 利用ECT对稀疏气固两相流动 进行浓度测量[J]. 锅炉技术， 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] 朱惠静.PC19054及其在高速数据采集系统中的应用[J]. 国外电子测量技术，2008,27(2):72-74.

[7] 吴建. 基于FPGA的PCI数据采集卡的研究与开发[D].长沙: 中南大学．2007.

[8] 何子述,夏薇,等.现代数字信号处理及其应用[M].北京： 清华大学出版社，2009.

[9] YANG W Q.Hardware design of electrical capacitance tomography systems[J]. Measurement Science and Technology 1996，7(3)：225-232.