文档介绍：国家自然科学基金(60532020,60472077,50337020)
国家科技支撑计划项目(2006BAI03A00)资助
天津大学博士学位论文
基于 FPGA 与 DSP 的数字化 ECT 系统
Digital ECT System Based on FPGA and DSP
(申请博士学位)
一级学科:控制科学与工程
学科专业:检测技术与自动化装置
研究生:张雪辉
指导教师:王化祥教授
天津大学电气与自动化工程学院
二零零八年七月
独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的
研究成果,除了文中特别加以标注和致谢之处外,论文中不包含其他人已经发表
或撰写过的研究成果,也不包含为获得天津大学或其他教育机构的学位或证
书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中
作了明确的说明并表示了谢意。
学位论文作者签名: 签字日期: 年月日
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解天津大学有关保留、使用学位论文的规定。
特授权天津大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检
索,并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校
向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。
(保密的学位论文在解密后适用本授权说明)
学位论文作者签名: 导师签名:
签字日期: 年月日签字日期: 年月日
中文摘要
电学层析成像(Electrical Tomography,ET)技术是基于电磁场理论的新型
测量技术。作为一种无损可视化测量手段,ET 技术具有响应速度快、成本低廉
等优点,在工业多相流测量和医学监护等领域具有重要的应用价值。
电容层析成像(Electrical Capacitance Tomography,ECT)技术是一种基于
电容敏感机理的电学成像技术。该项技术在工业过程检测与控制中具有广阔的应
用前景,是一种非常有发展潜力的 ET 技术。
ECT 系统广泛采用模拟滤波解调方法,由于受模拟器件自身的约束,限制
了成像的精度和速度,且模拟器件不便于系统性能的提升与功能的扩展。为了克
服传统模拟 ECT 系统存在的缺点,进一步提高系统的精度与速度,本课题进行
了 ECT 系统的数字化研究,主要工作如下:
1. 基于 ECT 敏感场的‘软场’特性分析,SOL
构建 ECT 成像系统敏感阵列电极的三维模型,对 ECT 敏感阵列电极进
行了优化设计。
2. 设计并实现了一套基于 FPGA 与 DSP 的 16 电极数字化 ECT 系统。FPGA
与前端硬件电路接口,完成系统逻辑控制和信号预处理,简化了控制与
接口电路,提高了系统工作的可靠性;DSP 连接 FPGA 和 PC 主机,实
现信号后处理、图像重建算法,最后通过 PCI 接口将图像灰度值传送给
PC 主机进行成像。
3. 利用 FPGA 和 DSP 实现了三种数字解调方法,并利用 FPGA 实现了扫
频和多频激励及多频测量信号的解调。
4. 基于对各种图像重建算法的研究,得出乘累加(MAC)运算是各种成像
算法的主要运算,利用具有硬件乘法器的 DSP 实现了线性反投影算法和
Landweber 预迭代等图像重建算法,结果表明比利用 PC 机实现成像算
法速度有明显提高。
5. 对本数字化 ECT 系统进行了一系列性能测试,系统信噪比为 ;
并进行了静态及动态实验,实验表明本系统具有实时性强、测量精度高、
成像效果清晰、工作稳定可靠以及可扩展性强的特点。
关键词:电容层析成像可编程逻辑阵列数字信号处理器相敏解调图像重建
- I -
ABSTRACT
Electrical tomography (ET) is a novel measurement technique based on the
ic theory. As a kind of nondestructive and visible measurement
technique, electrical tomography has found many important applications in both
industrial and medical areas for its fast response and low cost.