基于数字滤波的电容层析成像数据采集系统设计与实现

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1、基于数字滤波的电容层析成像数据采集系统设计与实现摘要：针对电容层析成像ECT（electricalcapacitancetomography）数据采集系统中的高频噪声干扰问题，在对ECT系统数据采集与控制原理分析的基础上，基于数字滤波原理和FPGA技术，设计了一个基于数字滤波与FPGA技术相结合的改进分布式算法FIR低通数字滤波器。该滤波器的采样频率为1.5MHz、通带截止频率为20MHz，选则窗函数设计方法，利用Madab中的FDATool工具箱对滤波器系数进行提取与量化，最后利用Quarters对实例进行仿真

2、验证，实验结果表明，FIR数字滤波器能够实现数据采集系统中高频信号的滤波功能，与传统DA算法的�V波器相比，具有占用资源消耗小及采集速度快等特点。中国8/vie　　关键词：电容层析成像，数据采集系统，分布式算法，FIR低通滤波器　　中图分类号：TP391.4文献标志码：A：1007-2683（2017）01-0096-07　　0引言　　电容层析成像技术又称ECT，是基于电容值敏感原理的过程层析成像技术，它具有响应快、成本低、安全、可视、非侵入性等优点，在气液两相流空隙率测量、两相流分相含量检测及流型识别、图像重建

3、算法等诸多领域中应用越来越广泛。　　ECT系统的组成主要包括电容敏感单元、数据采集系统及图像重建这三大部分。其中，最为关键一环就是数据采集。在数据采集的过程中，由于受到外界和信道的干扰，采集到的信号往往夹杂着一些噪声，这时我们就需要运用数字滤波技术削弱噪声干扰信号，提取最终所需的信号经处理在计算机中进行成像。根据单位脉冲响应的不同可将数字滤波器分为FIR（finiteimpulseresponse）数字滤波器和IIR（infiniteimpulseresponse）数字滤波器。FIR滤波器相比于IIR阶次较高、耗

4、资源，但因没有反馈回路且采用非递归的实现方式，稳定性和线性度十分优良，所以在数字通信、音频信号处理、数据采集等实时性和稳定性要求高的场合，具有广泛的应用。目前，FPGA技术发展逐渐成熟，因内部包含规整的逻辑单元阵列和充足的线性资源被适用于各种领域的信号处理任务，尤其是数字滤波技术。基于FPGA实现滤波器在高速实时、灵活性、功耗等方面优点尤为突出。鉴于此，本文提出了基于FPGA的FIR数字滤波器的硬件结构，运用运算速度较快的分布式算法并加以改进。　　1ECT数据采集系统　　数据采集系统主要负责数据采集的控制与传输，

5、C/V转换、相敏解调、A/D转换等任务，具体原理框图如图1所示。　　1）ECT数据采集系统中的数据采集过程由多通道扫描系统控制，扫描系统根据计算机的指令对截面内多相流体进行扫描，其实质就是测量任意一对电极问的电容值，同时使其它闲置电极可靠接地，最后再把数据传输给计算机作为成像处理。　　2）C/V转换的作用是将所测量的电容值转换为与其成正比的交流电压信号，转换后的交流信号中混杂着许多噪声信号，无法直接使用，根据信号与信号之间的相关性，噪声与信号之间不相关的原理，我们可以把干扰信号尽可能地滤除掉，提取所需的有效信号。

6、　　3）相敏解调又称相关解调，其作用是将交流电压转化为直流电压。目前，相敏解调最广泛使用的方法是乘法解调。乘法解调主要由乘法器和低通滤波器组成，与正弦电压激励信号同频同相的正弦信号作为参考信号经乘法器对电压信号进行整流；与参考信号正交或不同频的信号和高频分量、交流成分等被低通滤波器有效抑制，最后只有反映电容值变化的直流成分。　　2滤波器设计基础　　（1）　　（2）　　（3）　　（4）　　（5）　　2.2FIR滤波器的基本结构　　通过对FIR滤波器系统函数的分析和演变可得到多种实现结构，其中常用的结构主要有直接型、

7、级联型和线性相位型。　　1）直接型结构。由于FIR滤波器系统的差分方程是卷积和公式，也是输入x（n）链的横向结构，所以直接型结构也可称为卷积型或横截型。通过分析FIR滤波器的系统函数可知，将输入x（n）的延时链展开就可得到直接型结构，其结构如图2所示。这种滤波器结构简易，清晰明了，包括若干的“抽头延迟”、加法器及乘法器。　　2）级联型结构。将系统函数分解成实系数二阶因子的乘积形式，就可以得到FIR滤波器的级联型结构，分解过程如式6所示。　　（6）式中，H（z）为h（n）的z变换，β0i、β1i、β2i为实数。FI

8、R滤波器的级联结构如图5所示，系统分为若干个二阶因子，且都包含了图2的直接型结构。这种结构的优势是它的每一节控制一对传输零点，因而广泛运用到控制零点传输的系统中。其结构如图3。　　3）线性相位结构。FIR滤波器能够在工程中被广泛应用，最重要的一个原因是它的相位是线性的，可以保证相位不失真。在图像处理和通信系统的诸多领域中，保持一定频率范围内的相位完整性是一个理想的系统特性