基于fpga和ad5933的电容层析成像系统

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1、国家自然科学基金项目（批准号：60820106002，61201350）天津市自然科学基金项目（批准号：11JCYBJC06900）基于FPGA和AD5933的电容层析成像系统AElectricalCapacitanceTomographySystemBasedonFPGAandAD5933学科专业：控制科学与工程研究生：王达指导教师：王化祥教授天津大学电气与自动化工程学院二零一二年十二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

2、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：年月日我是爱天大的！！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

3、签字日期：年月日摘要电学层析成像（ElectricalTomography，ET）技术为20世纪80年代发展起来的一种基于电磁场敏感原理的层析成像技术，具有无辐射、非侵入、响应速度快、成本低以及可视化等优点，自问世以来便受到国内外研究人员的广泛关注。电容层析成像（ElectricalCapacitanceTomography，ECT）技术作为电学层析成像技术的一种，以敏感场中介电常数分布为研究对象，可广泛应用在工业过程检测与控制中，具有非常诱人的应用前景。经过几十年的发展，电容层析成像技术已经开始从实验室向工业应用过渡，技术理论和技术支持也日

4、臻成熟和完善。随着电容层析成像技术应用的不断深入，人们对电容层析成像系统也提出了越来越多的要求。既要求系统有较快的数据采集速度、较高的数据采集精度、较好的图像重建质量，还要求系统设备小型化、集约化以及低功耗。为适应新形势发展要求、拓宽电容层析成像系统的应用范围，本文在原有电容层析成像系统基础之上，进行了新的探索研究，开发了一套基于FPGA和AD5933的电容层析成像系统。AD5933是一款低功耗、集成式阻抗谱测量芯片，采用16引脚SSOP封装，内部已经集成直接数字频率合成器、模数转换器、低通滤波器、数模转换器等模块，可通过I2C总线直接输出被

5、测介质的阻抗信息。系统采用FPGA与多片AD5933协同工作，每片AD5933负责一个电极，由“T”型组合开关确定电极状态，最终由RS232串口将测量得到数据传至上位机，进行图像重建。系统采用VHDL语言编写I2C总线模块、RS232串口通信模块，实现FPGA与AD5933通信以及与上位机通信；系统流程由FPGA内嵌8位微处理器PicoBlaze控制。经实验测试，电容层析成像系统信噪比可达70dB，数据采集速度随电容层析成像系统电极个数的不同而不同，8电极约为110帧每秒，12电极约为75帧每秒，16电极约为56帧每秒。系统体积小、功耗低，可

6、应用在对实时性要求不高但对系统体积及功耗有一定要求的场合。关键词：电容层析成像FPGAAD5933PicoBlazeI2C总线RS232ABSTRACTAsatomographytechnologybasedonelectromagneticfieldsensitiveprincipledevelopedinthe1980s,ElectricalTomography(ET)hasattractedwideattentionfromresearchersathomeandabroadforitsnoradiation,non-invasive,

7、fastresponse,lowcost,andvisualization.BeingakindofElectricalTomographytechnology,ElectricalCapacitanceTomography(ECT)technology,researchingonthesensitivefieldpermittivitydistribution,canbewidelyusedinthedetectionandcontrolofindustrialprocesses,andhasaveryattractiveapplicati

8、onprospect.TheECTtechnologyhasalreadybegunthetransitionfromthelaboratorytoindustri