基于Pcap01的数据采集系统.docx

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基于Pcap01的数据采集系统

基于Pcap01的ECT数据采集系统及图像重建

ECTDataAcquisitionSystem

BasedonPcap01andImageReconstruction

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摘要

电容层析成像技术（ECT）作为过程层析成像技术（PT）的一种，是基于电容敏感机理的过程成像技术，其因结构简单，成本低，非侵入，响应速度快，非辐射等优点，近几年成为了过程层析成像技术的发展主流以及研究热点。

大部分ECT技术中的电容数据采集方法以分立元件居多，但其拥有结构复杂，指标性能差等缺点。

集成电路的方法由于其机构简单性能优良，更适合应用于实验室或工业生产中。

本文主要关于基于Pcap01的ECT数据采集系统以及ECT技术中图像重建系统和成像算法两个方面的简要介绍。

在本次数据采集系统设计方案中，包括了主控电路，电容测量电路，电容选择电路和显示电路，为了解决微小电容检测这一难点，系统采用Pcap01芯片作为电容测量芯片。

主控电路中采用STM32F103VCT6主控芯片来控制测量系统。

为了避免复杂开关列阵式控制，系统中采用16

8矩阵式模拟开关CH446作为选择电路，最终将采集出来的多路电容通过液晶屏显示出来。

图像重建算法是ECT系统中较为关键的一部分，是改善土建重建质量的重要因素。

在本文中将对典型的两种ECT图像重建算法的简要分析。

关键词：

Pcap01；STM32；图像重建

Abstract

Electricalcapacitanctomography（ECT）isakindofPTtechniquebasedonthesensitiveprincipleofcapacitance,andithasbeenthemostpopularesearchdirectionandthemaindevelopmenttechniqueofPT,duetoitsmanydistinctadvantagessuchasnoradiation,higespeedofresponse,simplestructure,lowcost,wideapplicationrange,bettersafetyandsoon.MostoftheECTsystemusingdiscretecomponents,discretecomponentsintegrated,complexstructure,andperformanceindicators,integratedcircuitsmethodismoresuitableforthecapacitivedataacuisitionsysteminthelaboratoryorindustrialuse.

ThisarticlebrieflydescribesthedataacquisitionsystemforECTbasedPcap01andsomeinstrutiongaboutECTimagereconstructiontechnologysystemsandimagingalgorithmsbrieftwoaspects.Thesystemincludesamaincontrolcircuit,thecapacitancemeasurementcircuit,capacitanceselectioncircuitanddisplaycircuit.InSTM32F103VCT6mainchip,thesystemusedtocontrolthemeasurementsystem.Pcap01capacitancemeasurementchiptomeasurethesmallcapacitance.128analogswitchmatrixCH446asaselectioncircuit,toavoidthecomplexityoftheswitcharraycontrol.Multi-channelcapacitancewilleventuallybecollectedoutoftheLCD.

ImagereconstructionalgorithmisanimportantfactortoimprovetheimagereconstrutionqualityinECTsystemresearch.InthispaperIwillmakesomeanalysisaboutthetwotypicalECTimagereconstructionalgorithm.

Keywords:

Pcap01;STM32;imagereconsruction

第1章绪论

1.1ECT系统研究意义和背景

在当今社会现代科技迅猛发展的浪潮中，数据采集系统占据了一支主流，它有着可采用电气量和非电气量的双重优势，以其强大的通用性得到了迅速的发展。

在20世纪80年代中期，发展起了一种具有良好工业前景的层析成像技术-----电容层析成像技术（ECT）。

ECT技术应用范围十分的广泛，它可以对多相流的参数进行检测，还可以检测多相流的流动过程，ECT技术与其他技术相比优势也十分明显，它在结构简单成本比较低的条件下仍然能够实现可视化。

ECT系统主要的组成部分为传感系统，数据采集系统和图像重建系统。

CDC电容数字转换器技术作为ECT技术的一部分也逐步成为了主流，应用也越来越广，在医疗工业汽车等领域中也得到了广泛的应用，比如飞机场火车站的安检仪等都用到了该技术。

但一般需求较大的是那些功耗低，成本低，可以提供多元化人机工程设计的电容测量元件及数字转化系统。

PT技术是利用传感器来检测管道或者容器内部的变化，可以获得管道容器内部不同角度的投影信息，从而为密闭管道内部状态变化的检测研究提供了准确的数据，很直观。

因此PT检测技术成为了十分有前途的发展方向。

目前PT技术的研究可以包括硬场检测和软场检测两类。

硬场检测的特点是敏感场与介质分布无关，例如光学PT、微波PT等；软场检测的特点是敏感场会受到介质分布的影响，如电学PT。

在应用中，应该根据不同的需求及现场环境采用不同的PT技术，各种PT技术有着不同的特点。

如下表1-1所示为常见PT技术特点。

表1-1常见PT技术特点

传感机理

特性

敏感参数

结构

分辨率

测量

光学

干涉、散渉

复杂

高

相位，幅度

超声

反射、衰减

简单

中低

衰减量，反射时间

X，

射线

衰减

复杂

高

线性线积分

电容

介电常数

简单

低

非线性面体

ECT电容层析成像技术的原理是根据多相流中，各个分相的介质的介电常数是不同的，当多相流改变时，电容值会随着介电常数发生变化，因此多相流各相浓度的分布情况就可以用电容值的改变反映出来。

所以，利用电容传感器，用过多相流的浓度可以反映出电容值，利用多个极板所得到的多组电容数据，就可以显示出多相流体浓度的分情况，劲儿利用图像重建的算法将电容值的变化投影出来，就可以得到被测区域内部多相流的介质分布情况。

1.2ECT技术原理分析及系统组成

电容层析成像技术（ElectricalCapacitanceTomography，简称ECT），是分布在管道或容器外壁的极板作为传感器，当混合流体流过发生变化时，极板感的介电常数就会发生变化，从而引起各个极板对间电容变化。

ECT技术的原理就是感应管道，通过一定的电容测量方法测量极板对间电容值及变化量，得到管道或容器各个角度的投影数据，再利反投影，Landweber等重建算法，获得管道或容器内部的较为准确的可视化及量化信息。

ECT系统主要由三部分组成[1]。

电容传感器，电容数据采集系统和上位机。

如图1-1所示。

图像重建计算机

电极

图1-1ECT系统组成

传感器由均匀分布在管道外壁的极板阵列组成，极板间电容变化，反应管道内部填充物变化引起的介电常数变化。

数据采集系统主要通过一定的电容测量电路，测得并采集各极板对间微小电容变化。

上位PC机，与下位机进行通讯，读取电容值，并通过图像重建算法，获得管道内部实时图像以及相关参数信息。

1.3研究内容及主要工作

本文以STM32为控制核心，设计一种基于Pcap01的ECT数据采集系统，完成电容采集电路和主控芯片的控制电路的硬件设计，通过C语言编程，完成主控芯片对外围芯片的控制和驱动，从而完成整个系统的设计。

此外，本文还对ECT系统中成像系统的图像重建算法稍作分析，以LBP算法和迭代算法两种常用的图像重建算法为主。

第2章设计思想及方案

2.1数据采集技术难点和问题

ECT技术存在的难点有：

（1）被测电容微小造成测量难度大，对测量电路灵敏度，抗干扰能力提出了很高的要求。

（2）ECT技术本身的软场特性，给图像重建带来了难度。

而本设计ECT数据采集系统，主要是解决问题是电容测量的问题。

ECT数据采集系统的核心是对极板间电容的测量。

极板间电容值通常很小，本体电容大约在0.01pF~0.5pF左右，电容变化量更小，大概只有0.005pf~0.08pf左右，而杂散电容和耦合电容等测量干扰因素却很大，可以达到几十到上百皮法，这就对微小电容检测电路提出了很高的要求。

要求电路具备以下特征[8]：

（1）较高的测量灵敏度和精度。

因为极板输出电容非常微小，管道内介质变化引起的微小电容变化更小，要感应微小敏感量，要求电容检测电路有较高的灵敏度和测量精度。

（2）大的动态测量范围。

相邻极板和相对极板之间电容有较大差距，而对于三维电容传感器[9]，不同极板对间电容值差异会更大。

因此，为了适应不同数量级之间的变化，得到准确的电容数据，数据采集系统要求具备足够的动态测量范围。

（3）很强的杂散电容抑制能力。

ECT系统存在的电容，除了极板间电容以外，也附加了一定大小的杂散电容[10]。

这些杂散电容包括极板与屏蔽罩之间的电容，极板选择模拟开关耦合电容（约8PF）以及连接极板与检测电路之间芯线与屏蔽罩和地之间电容。

以上杂散电容高达150PF，影响测量结果精度。

因此要求数据采集系统有一定的杂散电容抑制能力。

（4）较好的实时性。

工业管道内部两相或多相流运动速度往往很高，为了适应管道内部流体速度，保证图像重建速度，较为真实反应管道内部信息，满足实际需要。

（5）低漂移

因为待测电容微小，为保证数据采集系统长期稳定工作，要求系统具备低漂移的特性，以免漂移量覆盖测量值。

（6）线性度好

要求整个数据采集系统有较强的抗干扰能力，并能保证不同数量级信号处理能力的一致性。

2.2传统测量方法

传统的电容检测方法多由分立元件实现，常用的检测方法有[18]：

谐振法、震荡法、充放电法、交流电桥法。

这些方法构成的检测电路一般有充放电电容测量电路，交流C/V电容检测电路，AC电桥电容测量电路，交流锁相放大电容测量电路[14]，基于电荷放大原理的电容测量电路。

其中较为常用的是充放电测量电路和交流C/V电容检测。

（1）直流充放电检测

直流充放电电路是一定时钟控制开关闭合，给待测充放电，输出与电容和频率成正比的电压。

如图2-1所示的差动式直流充放电电路是典型应用。

由频率f控制充放电周期，模拟开关S1，S4闭合，S2，S3断开，电路处于充电周期，在放电周期，S1，S4断开，经过分析运算得，

公式（2-1）

式中K为差动放大器D3的放大倍数。

a）电路b）开关波形

图2-1差动式直充放电电路

该电路CS1，CS2分别等效源极和检测极对地的杂散电容。

CS1，CS2电容接地，流经该电容的电流不经过电路，因此差动式充放电电路有较好的杂散电容抑制能力。

且电路结构简单，成本低，运行速度快。

软件补偿后达到较好的稳定性。

但有漂移量较大缺点，并存在注入问题。

（2）交流C/V电容检测电路[15]

交流C/V电容检测电路，如图2-2所示，由C/V转换电路，交流放大电路，相敏解调和低通滤波和AD转换等几部分构成。

图2-2C/V电容检测电路

其中，交流C/V转换如图2-3所示。

激励源Vs的作用与被测电容Cx，产生交流电流，通过Rf，Cf构成的放大电路，获得交流电压Vo。

输出电压：

公式（2-2）

当Rf足够大时，使得

时，公式可化为

公式（2-3）

图2-3交流C/V电路

从公式2-3可得出，输出电压与被测电容成正比。

该电容检测电路与上述直流充放电电路一样，也是通过Cs1，Cs2接地起到杂散电容抑制作用，电路分辨率和信噪比较高，漂移小。

但是电路复杂，成本较高，工作频率受到限制[16]。

被测电容值经过C/V转换，转化为电压值后，由放大电路放大该电压信号，在相敏解调电路中以信号发生器产生的信号作为参考信号，进行相关运算，剔除干扰、噪声，捕捉有用信号，再由滤波滤掉与被测电容无关的交流信号。

此后输出结果通过A/D转换，转化为数字。

2.3系统整体方案

传统的测电容的方法本身具有很大的局限性，它们是分立元件，造成尺寸特别大，抗噪音等干扰条件的能力也很差，这些都不适用于工业生产，测量结果不准确就会导致图像重建的质量差，因此集成芯片电容检测电路得了了快速的发展。

本文采用的是电容测量芯片是由德国ACAM公司研发的Pcap01,它是带有单片机处理单元的一款专门进行电容测量的数字转换芯片方案。

这颗芯片测量范围覆盖了从几fF到几百nF，而且可以非常简单的通过配置来满足各种不同应用的需求。

主控芯片采用了STM32系列。

STM32系列的特点是高性能，低成本，低功耗。

而且它还拥有ARMCortex-M3內核处理器，可以同时对多个操作并行执行，加快了应用程序的执行速度。

图2-4为整体系统框图。

图2-4整体系统框图

如图2-4所示。

本文所设计的系统，包括电容传感器，极板选择电路，液晶显示电路，及主控芯片STM32。

本系统由STM32控制矩阵开关来选择被测的电容，通过I2C通讯来配置电容传感器，以及控制其工作，通过SPI通讯来控制液晶显示被测的电容值。

第3章数据采集系统的硬件设计

3.1电容传感器

对于电容传感器的测量来说，传统的电路方式有其无法克服的局限性。

复杂的模拟电路设计，难以扩展的电容测量范围，都会给开发带来非常大的阻力。

德国ACAM公司专利的PICOCAP®测量原理则给电容测量提供了革命性的突破。

在2011年推出了最新的带有内部DSP单片机的单芯片电容测量方案Pcap01,这个芯片会使电容测量提高到一个前所未有的水平。

3.1.1测量原理

PICOCAP测量原理展示了对于电容测量的新的革命性的方式。

在这个原理中，一个传感器的电容和一个参考电容被连接到同一个放电电阻，组成了一个Low-pass低通滤波。

电容首先被充电到电源电压，然后通过电阻进行放电。

而放电到一个可控制阈值电压的水平将会被芯片内部的非常高精度时间数字转换器TDC所记录下来[11]。

这个测量过程将会在传感器和参考电容上重复交错进行，应用同样的电阻。

计算的结果是测量的比值结果，是与电阻和比较器温度相关性有关。

传感器和参考电容数值的选择应该为统一范围来降低增益偏移。

实践角度讲，对于被测电容没有大小的限制。

传感器几乎可以从0fF到几十nf。

PICOCAP同时也支持差动电容传感器的测量带有内部的线性补偿[12]。

3.1.2Pcap01芯片的主要特点

（1）一颗芯片可以适合多种应用，测量灵活性非常高；低测量功耗，在10Hz最低仅2µA；测量精度最高达22位有效位,4aFrms精度；测量频率可以最高达500kHz。

（2）非常宽的电容测量范围,从几fF到上百nF。

（3）超低增益和offset漂移。

（4）18位高分辨率温度测量。

（5）48-位DSP,4kbyteOTP,4kbyteSRAM。

（6）内部或者外部时钟振荡。

（7）最多可以支持6个IO口。

（8）IIC,SPI,PWM,PDM接口。

（9）宽的电源电压范围从2.1V到3.6V。

（10）宽操作温度范围（-40°C到+125°C）。

（11）QFN32或者QFN24封装。

内部结构原理图如图3-1所示：

图3-1Pcap01内部结构原理图

3.1.3Pcap01的工作模式

Pcap01芯片提供了多种测量方式：

（1）单一传感器，漂移模式如图3-2：

原理图中的传感器部分：

在任何可能的情况下，请连接为漂移模式，不要连接为接地模式。

图3-2单一传感器，漂移模式连接图

（2）单一传感器，接地模式如图3-3：

图3-3单一传感器，接地模式连接图

本系统中使用的是单一传感器，漂移模式。

3.1.4Pcap01的连接

Pcap01的接线图如图3-4所示：

图3-4Pcap01的接线图

如图3-8，Pcap01所需的外设非常少，仅需几个滤波电容（C1、C2、C3）即可。

14引脚为OTP编程引脚，在普通操作中接下拉电阻然后接地。

本系统使用的是QFN24封装，引脚少，使用更简便。

15、17引脚为I2C通讯总线，18脚为I2C使能引脚，接高电平使能I2C通讯，接低电平使能SPI通讯。

11脚可以作为中断引脚来使用，只需在配置寄存器配置一下。

其他不用引脚可悬空。

3.2主控电路

主控芯片：

STM32F103VCT6

STM32F103x8和STM32F103xB增强型系列使用高性能的ARMCortex-M332位的RISC内核，工作频率为72MHz，内置高速存储器（高达128K字节的闪存和20K字节的SRAM），丰富的增强I/O端口和联接到两条APB总线的外设。

所有型号的器件都包含2个12位的ADC、3个通用16位定时器和1个PWM定时器，还包含标准和先进的通信接口：

多达2个I2C接口和SPI接口、3个USART接口、一个USB接口和一个CAN接口。

STM32F103xx中等容量增强型系列产品供电电压为2.0V至3.6V，包含-40°C至+85°C温度范围和-40°C至+105°C的扩展温度范围。

一系列的省电模式保证低功耗应用的要求。

芯片引脚图如图3-5所示：

图3-5STM32F103VCT6引脚图

最小系统原理图如图3-6所示：

图3-6STM32最小系统板原理图

3.3矩阵开关

CH446是8x16矩阵模拟开关芯片。

CH446包含128只模拟开关，分布于8x16信号通道矩阵的各个交叉点，每只模拟开关都可以独立的开启或者关闭，从而实现8x16信号通道的任意路由。

如图3-7所示：

图3-7CH446结构图

串行地址输入方式下的控制步骤：

通过DAT引脚依次提供7位地址并用CS/CK引脚的7个上升沿移入CH446，通过DAT引脚提供数据、向STB引脚提供一个高电平脉冲。

主控芯片通过SPI总线连接CH446，SPI提供的一字节8位数据的位7将被CH446丢弃，SPI的位6到位0作为地址，单片机SPI的串行数据输出引脚连接DAT引脚提供开关数据，单片机使用一个独立引脚控制CH446的STB引脚。

CH446通过串行方式与STM3通讯，其串行方式的接线图如图3-8所示：

图3-8CH446串行输入电路图

3.4显示电路

3.4.1液晶介绍

在本系统中采用的是MzLH01-12864LED显示模块。

MzLH01-12864为一块128X64点阵的LCD显示模组，模组自带两种字号的二级汉字库，并且自带基本绘图GUI功能，包括画点、画直线、矩形、圆形等；此外还自带有两种字号的ASCII码西文字库。

模组上为串行SPI接口，除电源和背光之外通讯仅需要连接一根从机选择线（SS）、一根时钟线（SCK）、一根数据线（SDA）以及一根BUSY线即可；接口简单、操作方便；与各种MCU均可进行方便简单的接口操作。

3.5元件间的通讯

3.5.1Pcap01与STM32的通讯

Pcap01同时支持I2C和SPI两种通讯，在本文设计的系统中使用的是I2C通讯方式。

STM32有内置的I2C接口，各个芯片间的I2C总线接口连接着微控制器和I2C总线，可以控制全部的I2C总线拥有疼的时序，协议，仲裁和定时。

I2C是PHILIPS公司推出的串行总线。

目前很多器件上都已经配有了I2C总线的接口，都是通过I2C总线来实施控制，因此它的应用也是非常的广泛。

I2C总线是一种具有自动寻址、高低速同步和仲裁等功能的高性能总线，能够实现完善的全双工数据传送，是各种总线中使用信号线最少的。

I2C总线只有两根信号线：

数据线SDA和时钟线SCL。

所有进入I2C总线系统中的设备都带有I2C总线接口，符合I2C总线电气规范的特性，只需将I2C总线上所有节点的串行数据线SDA和时钟线SCL分别与总线的SDA和SCL相连即可。

各节点供电可以不同，但须共地，另外SDA和SCL须分别接上拉电阻。

数据线SDA和时钟线SCL都是双向传输线，平时均是处于高电平备用状态，只有当需要关闭I2C总线时，SCL线才会箝位在低电平。

在I2C总线上，SDA的作用是传送有效数据，它上传送的每一位有效数据对应于SCL线上的一个时钟脉冲。

因此，只有当SCL线上为高电平（SCL=1）时，SDA线上的数据信号才会有效（高电平表示1，低电平表示0）；SCL线为低电平（SCL=0）时，SDA线上的数据信号就会无效。

只有当SCL线为低电平（SCL=0）时，SDA线上的地平状态才允许发生变化。

时序图如图3-9所示：

图3-9I2C总线信号时序

3.5.2液晶与STM32的通讯

在本系统中，液晶与STM32的通讯方式是采用SPI通讯方式。

SPI（SerialPeripheralInterface，串行外围设备接口）是由Motorola公司开发，它可以为微控制器和外围设备的通讯连接提供一个低成本且使用简介的接口。

这种接口用途十分广泛，不仅可以用来连接存储器，转换器，时钟日历等，甚至还可以连接其他的处理器。

SPI接口由于其应用范围广，因此支持这种接口的元器件的种类也十分丰富。

SPI主要使用4个信号：

主机输出/从机输入（MOSI）、主机输入/主机输出（MISO）、串行SCLK或SCK和外设芯片（CS）。

有些处理器有SPI接口专用的芯片选择，称为从机选择（SS）。

在SPI传输线连接的主机和外设中都存在着一个串行以为寄存器，首先主机向它的SPI串行寄存器内写入一个字节来完成一次传输。

串行寄存器通过MOSI信号线将刚刚写入的字节传输给外设，与此同时，外设将自己内部的移位寄存器中的数据通过MISO信号线再返送回主机。

这样就实现了两个寄存器将各自储存的内容进行交换。

这里要说明一下，在外设中，读写操作是同步完成的，在主机的移位脉冲信号下，数据按位依次传输，高位在前地位在后，是一种全双工通讯模式，因此传输速度上要比I2C总线快，速度可以到到几百Mbps，是一个更有效的协议。

如果仅仅只是进行写的操作的话，主机就只需要输出字节