基于STM32单片机的电容层析成像系统技术方案

一种基于STM32单片机的电容层析成像系统，包括ECT控制模块、开关切换模块、12电极传感器模块、LCR测量仪以及上位机测量与控制软件，所述上位机测量与控制软件控制整个系统的工作以及读取LCR测量仪的电容测量数据，再将测量数据保存；Matlab成像算法调用保存的测量数据，并运行成像算法重构图像。本发明专利技术有效提高测量精度。高测量精度。高测量精度。

【技术实现步骤摘要】
基于STM32单片机的电容层析成像系统


[0001]本专利技术属于信号检测领域，具体涉及一种基于STM32单片机的电容层析成像系统。

技术介绍

[0002]在工业上对管道内部截面两相流的流动参数可视化检测的需求越来越大。电容层析成像技术(Electrical Capacitance Tomography，ECT) 是新型检测技术的一种，多以管道内截面的两相流或多相流的流动参数作为检测对象。其基本原理是不同的介质具有不同的介电常数，通过在被测管道外部布置多电极阵列式电容传感器，当被测管道内的介质分布发生变化时，必然会引起相应介电常速的变化，从而引起被测管道壁上电容传感器获取电容值的变化，根据电容传感器各极板间的电容数据，采用相应的图像重建算法将被测管道的介质分布转化为可视化图像。
[0003]随着对ECT技术研究的不断深入，我国也对ECT技术的关键问题展开了深入研究。例如针对于ECT系统的硬件设备的升级也是优化 ECT系统的有效手段，对于ECT系统中数据采集模块的升级是提升整体性能的最佳方式，如出现了以C8051F700MCU与FPGA采集卡为核心的数据采集模块，通过USB2.0通信接口连接到成像计算机，对于数据采集模块的改进设计使得数据传输效率进一步提升，从而实现被测场中的图像重建，流体参数与管道中流速空隙率的快速测量。
[0004]经过几十年的发展，电容层析成像技术已经开始从实验使阶段向工业运用过渡，技术理论的研究和技术的深入支持越加完善。伴随着对ECT成像技术的越发深入研究，对其ECT系统也提出了越来越多的要求。既要求系统有较高的采集精度与速度，对图像重建方面也要求最终重建效果要好，并且对于硬件系统的大小也要求尽可能小型化、便携带以及对功耗要求越低越好。
[0005]传统的ECT设计方法大多采用运放结构的CV测量电路测量两个电极之间的电容。虽然CV测量电路具有简单方便和快速测量的优点，但是由于电路设计以及干扰问题导致电容测量精度并不高，只能达到几十fF，不能满足精度要求非常高的场合。此外传统ECT测量系统都采用模拟开关进行电极的切换。模拟开关虽然具有非常快的切换速度，但是模拟开关导通和关断都会引入额外的并联或串联电容，这些电容往往达到几十pF，由于ECT使用的模拟开关非常多，总的额外增加的电容基本上达到一百PF以上，远远大于被测物体本身引起的电容。而且如此大的额外电容大大降低了电容测量精度，电容测量精度与电容绝对值本身成正比。此外，模拟开关还会带来导通电阻。

技术实现思路

[0006]为了克服已有技术的不足，本专利技术提供了一种基于STM32单片机的电容层析成像系统，采用高精度LCR测量仪测量电容，用电磁继电器代替模拟开关进行电极的切换；由于LCR测量仪的电容测量精度达到0.05％，加上电磁继电器非常小的导通电容(几PF)，最终设计的ECT 系统的电容测量精度达到1fF。
[0007]本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：
[0008]一种基于STM32单片机的电容层析成像系统，包括ECT控制模块、开关切换模块、12电极传感器模块、LCR测量仪以及上位机测量与控制软件，所述上位机测量与控制软件控制整个系统的工作以及读取LCR测量仪的电容测量数据，再将测量数据保存；Matlab成像算法调用保存的测量数据，并运行成像算法重构图像；上位机测量与控制软件通过串口与ECT控制模块通信，用于向控制模块发送每次切换的激励电极编号和接收电极编号；控制模块根据接收的激励电极和接收电极编号输出对应的控制信号，控制开关切换模块，选中对应编号的激励电极和接收电极，将对应编号的激励电极和接收电极连接至LCR 测量仪的信号激励端口和信号接收端口；LCR测量仪即可测量该激励接收电极对的电容；上位机测量与控制软件再通过串口实时读取LCR 测量仪的电容测量数据，当用于图像重构的所有66个电极对的电容测量完毕，Matlab成像算法读取测量完的测量数据，并运行算法进行图像重建。
[0009]进一步，所述ECT控制模块包括单片机STM32F103C8T6、CPLD 芯片EPM3064ATC100
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10以及电平转换芯片SN74LVC4245A；单片机通过串口接收上位机发送的激励电极和接收电极编号，然后将编号的二进制数据通过IO引脚PB0，PB1，PB3，PB4，PB8，PB9发送到 CPLD可编程逻辑芯片，CPLD中的电路对发来的编号译码，生成对应的控制信号K1_1，K1_2，
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K12_1，K12_2；这些控制信号通过电平转换芯片送给后面的开关切换模块，控制开关切换模块里面继电器的通断，使得对应编号的激励电极和接收电极被选中，分别连接到 LCR测量仪的信号激励端口和信号接收端口，其余未选中电极均被接地；单片机直接通过插针焊接控制模块电路板的底部，控制信号通过线缆连接到开关切换模块。
[0010]所述单片机是STM32F103C8T6，可编程逻辑器件CPLD采用的是Altera3.3VCPLD芯片EPM3064ATC100
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10，由于CPLD输出IO引脚是3.3V逻辑，而开关切换模块中的继电器需要5V逻辑控制，因此 CPLD输出的24个控制信号还要经过3个电平转换芯片 SN74LVC4245A转换成5V逻辑；单片机中存储了66个电极对的激励电极和接收电极编号，table_A和table_B常量数组中分别存储了66 个激励电极和接收电极编号。按照从左到右的顺序，table_A[i]和 table_B[i]对应第i个电极对里面的激励电极和接收电极编号，电极对编号和组成该电极对的激励电极和接收电极编号如表1所示：
[0011][0012]表1
[0013]单片机每次接收到上位机软件发来的电极对编号指令，就会将表中对应的激励电极编号table_A[i]和接收电极编号table_B[i]通过引脚 PB0，PB1，PB3，PB4发送到CPLD，CPLD对发来的编号译码，生成对应的每个电极的控制信号K1_1，K1_2，
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K12_1，K12_2，控制每个电极的继电器的通断，使得该电极对编号的激励电极和接收电极被选中，并连接到LCR测量仪的信号激励端口和信号接收端口，其余电极均接地。
[0014]由于本专利技术需要对单片机发来的激励电极编号和接收电极编号译码并控制后面的开关切换模块，这部分存储、译码和控制电路用CPLD 设计可以减少电路规模和芯片数量，更有利于集成。由于这部分电路并不复杂，对速度要求也不高，唯一的要求是CPLD的IO引脚数量要大于30个以上。因为后面的开关切换模块一共使用了24个控制信号，再加上单片机连接到CPLD的IO引脚，因此CPLD可以提供的 IO引脚数量至少大于30个。本专利技术的CPLD电路中，CPLD的PB0， PB1，PB3，PB4以及PB8，PB9六个引脚连接到上面单片机的对应引脚。单片机发送的激励电极编号table_A[i]和接收电极编号table_B[i] 对应的四位二进制数由PB0，PB1，PB3，PB4输入本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于STM32单片机的电容层析成像系统，其特征在于，所述系统包括ECT控制模块、开关切换模块、12电极传感器模块、LCR测量仪以及上位机测量与控制软件，所述上位机测量与控制软件控制整个系统的工作以及读取LCR测量仪的电容测量数据，再将测量数据保存；Matlab成像算法调用保存的测量数据，并运行成像算法重构图像；上位机测量与控制软件通过串口与ECT控制模块通信，用于向控制模块发送每次切换的激励电极编号和接收电极编号；控制模块根据接收的激励电极和接收电极编号输出对应的控制信号，控制开关切换模块选中对应编号的激励电极和接收电极，将对应编号的激励电极和接收电极连接至LCR测量仪的信号激励端口和信号接收端口；LCR测量仪即可测量该激励接收电极对的电容；上位机测量与控制软件再通过串口实时读取LCR测量仪的电容测量数据，当用于图像重构的所有66个电极对的电容测量完毕，Matlab成像算法读取测量完的测量数据，并运行算法进行图像重建。2.如权利要求1所述的基于STM32单片机的电容层析成像系统，其特征在于，所述ECT控制模块包括单片机STM32F103C8T6、CPLD芯片EPM3064ATC100
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10以及电平转换芯片SN74LVC4245A；单片机通过串口接收上位机发送的激励电极和接收电极编号，然后将编号的二进制数据通过IO引脚PB0，PB1，PB3，PB4，PB8，PB9发送到CPLD可编程逻辑芯片，CPLD中的电路对发来的编号译码，生成对应的控制信号K1_1，K1_2，
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K12_1，K12_2；这些控制信号通过电平转换芯片送给后面的开关切换模块，控制开关切换模块里面继电器的通断，使得对应编号的激励电极和接收电极被选中，分别连接到LCR测量仪的信号激励端口和信号接收端口，其余未选中电极均被接地；单片机直接通过插针焊接控制模块电路板的底部，控制信号通过线缆连接到开关切换模块。3.如权利要求2所述的基于STM32单片机的电容层析成像系统，其特征在于，所述单片机是STM32F103C8T6，可编程逻辑器件CPLD采用的是Altera3.3VCPLD芯片EPM3064ATC100
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10，由于CPLD输出IO引脚是3.3V逻辑，而开关切换模块中的继电器需要5V逻辑控制，因此CPLD输出的24个控制信号还要经过3个电平转换芯片SN74LVC4245A转换成5V逻辑；单片机中存储了66个电极对的激励电极和接收电极编号，table_A和table_B常量数组中分别存储了66个激励电极和接收电极编号。4.如权利要求3所述的基于STM32单片机的电容层析成像系统，其特征在于，所述单片机每次接收到上位机软件发来的电极对编号指令，就会将表中对应的激励电极编号table_A[i]和接收电极编号table_B[i]通过引脚PB0，PB1，PB3，PB4发送到CPLD，CPLD对发来的编号译码，生成对应的每个电极的控制信号K1_1，K1_2，
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K12_1，K12_2，控制每个电极的继电器的通断，使得该电极对编号的激励电极和接收电极被选中，并连接到LCR测量仪的信号...

【专利技术属性】
技术研发人员：李超，孙峻涛，黄国兴，卢为党，彭宏，张昱，徐禺昕，
申请(专利权)人：浙江工业大学，
类型：发明
国别省市：