专利名称：具备高速数据远传能力的电容成像装置的制作方法
技术领域：
具备高速数据远传能力的电容成像装置属于两相流测量领域。
背景技术：
在石油、化工、电力、冶金等工业中，大量存在着多相物质混合流动的情况，通常称之为两相流(two-phase flow或two-component flow)或多相流(multi-phase flow或multi-component flow)，如石油工业中的油/气、油/水两相流和油/气/水多相流；冶金、电力工业中各种气力物料输送管道中的气/固两相流；化学工业中非均相反应器中混合物的反应过程等等。
两相流存在于众多工程领域中，研究其流动特性及变化规律并对其相关参数进行测量对于有关的科研和设计工作以及生产过程的安全高效运行均具有十分重要的意义。例如在化工行业中，目前使用的化学反应装置绝大部分是非均相反应器，其中的多相流体力学行为，如反应器中的气泡大小、分布、合并、破碎的机制，絮状物的形状、大小、分布、形成和解体等，都与反应器的热量传递，质量传递，反应速率有着密切关系，因此就决定了反应器的转化率、选择性以及设备的效率。对非均相反应器流体力学行为的测量一直受到极大重视，它对于建立、改进反应器的数学模型以及改进生产过程都大有帮助，是掌握反应器规律并进行强化改造的最基本的依据。又如在石油工业中，从油井中抽出来的往往是由原油、天然气和水三种成分组成的混合物，如何对其中的各种成分进行准确计量将直接影响生产管理和经济核算。目前的测量方法是将多个油井中抽出的原油引入到同一个油罐中，对各种成分进行分离后再测量，这样就不能实现在线测量，而且得不到每一口油井的有关数据，对独立经济核算十分不利。此外，在冶金、电力及食品工业中，为了降低能耗，提高生产效率，各种气力物料输送系统已被广泛采用，为了保证系统能够安全高效运行，必须有与之相适应的两相流测量及调节系统。
目前，两相流已发展成为现代流体力学的一个重要组成部分，在现代力学中占有一席之地，其研究工作必将对国民经济产生重大影响。为了认清两相流的本质，建立其模型并进而进行控制，两相流的测量已成为要解决的首要问题。近年来，两相流检测技术已成为现代工业国家的一个重要科研领域。和单相流相比，由于各相间存在着界面效应和相对速度，而且相界面在时间上和空间上都是随机可变的，致使两相流具有更为复杂的流动特性，其特征参数也较单相流系统要多。鉴于两相流体的复杂性和随机性，其参数测量存在很大难度，为此国内外有关研究人员均做了大量的工作，但迄今为止，已有的测试技术和方法大多还处于实验室应用研究阶段，已商品化的产品为数甚少，且离实际应用仍有很大距离。现有的两相流测量技术分为以下几类，一是将传统的测量仪表与实验修正的方法相结合应用于两相流测量，例如用电磁流量计或各种节流装置来测量两相流的流量；其次是使用传统的单相测量仪表结合新的信号检测和处理方法对两相流进行流型识别和参数估计。这些方法多为点探头对部分参数的测量，或者是对截面平均参数的测定，这样不但得到的信息量小，而且无法对两相流的整体行为进行实时观测。近年来发展起来的粒子图象速度场仪(Partical ImageVelocimetry，简称PIV)虽然能实现对被测流速场的二维分布测量，但由于其要求被测介质具有透光性及自身测量速度的限制，要将其应用于两相流的实时在线测量还有一定的困难。
随着工业生产水平的提高，对于计量、节能和控制等方面提出了更高的要求，人们希望更多地了解两相流中各相分布的情况，对两相流参数进行准确测量的需要也越来越迫切，过程成像(Process Tomography，简称PT)技术也就随之应运而生。它利用特殊设计的敏感器空间阵列，以非接触或非侵入方式获取被测对象的场信息，运用图象重建算法重现两相/多相流体在管道内或反应装置内部某一横截面上的分布情况，从而得到两流体中离散相浓度分布及其随时间的变化情况，实现被测两相流体在某一截面上的可视化。过程成像技术的出现标志着过程参数在线检测技术发展到了一个新的阶段，它将检测技术从传统的局部空间单点测量方式发展成为对过程参数在二维/三维空间分布状况的在线、实时测量，大大提高了人们对生产过程信息的获取和分析能力，为在线检测和优化设计提供了一种全新的手段。通过PT技术，可以将所获得的有关过程的动态信息与目前广泛应用的流体动力学模型相结合，从而建立起更为符合实际情况的过程模型，并进一步优化过程设备和装置的结构和参数设计，最终改进过程工艺，提高过程效率，增进过程的安全性。此外PT技术的出现为两相流的研究提供了一种强有力的实验手段，通过和现有流体力学微观研究手段相结合，它必将促进两相流体力学理论的进一步发展，为过程工艺及设备与装置的优化设计提供新的理论依据，并进而发展出新一代智能化实时分布参数检测系统。
工业过程成像(Process Tomography，简称PT)技术起于二十世纪八十年代中后期。其自诞生之日起就得到了迅猛发展，目前国际上已见报道的过程成像系统已有光学成像、正电子成像、X-射线成像、γ-射线成像、核磁共振成像、超声成像、阻抗成像、电容成像(Electrical Capacitance Tomography)、电阻成像(Electrical ResistanceTomography)、电磁成像等。在国际上，欧洲众多国家一直处于过程成像技术研究的前列，其中尤以英国最为突出。目前较著名的过程成像研究小组有英国曼彻斯特理工学院(University of Manchester Inst itute of Science and Technology，缩写为UMIST)和利兹大学(Leeds University)的研究组。除此之外，英国其它大学及公司、德国、挪威、荷兰、美国、澳大利亚、南非、及日本等国的相关研究机构也开展了大量研究工作。以欧洲国家为主的研究机构自1992年起每年都组织一次题为ECAPT(the EuropeanConcerted Action on Process Tomography)的会议；1995年和1997年ECAPT还与美国工程基金会联合主办了两届题为“Frontiers in Industrial ProcessTomography”的国际会议；1999年4月及2001年8月全球第一、二届过程成像大会“WorldCongress on Industrial Process Tomography”分别在英国和德国召开。目前有关研究机构还建立了相应的网站(http//www.vcipt.org.uk；http//www.tomography.umist.ac.uk；http//www.ce.umist.ac.uk/ptcenter等)和公司(Process Tomography Limited Corporation)。
在众多过程成像技术中，电学式成像(以电容成像和电阻成像为主)由于其简单、价廉等特点已成为最具工业应用前景的技术，研究和开发以工业应用为目标的电学式成像系统已经成为目前该领域国际研究的热点。
电容成像系统是最早发展起来的一种过程成像技术。由于它具有快速、廉价、非侵入等特点，极适合于工业应用。
一个典型的电容成像系统如图1所示。它由电容传感器、电子测量电路和成像计算机三大部分组成。在流体流动管道上沿管道周边均匀地贴上一圈电极，任意两个不同极板，组成一个两端子电容，依次在单个极板上施加激励，测量它和其余极板所构成的两端子电容的输出值，由于管道内流型分布的影响，各对极板间的电容值也不同，这些电容值包含了与相分布有关的信息，测量电路的输出将受管道内相分布的影响，将这些测量值送入计算机按一定的算法进行图像重建就可以得到管道截面的相分布图像。

发明内容
本发明的目的在于“具备高速数据远传能力的电容成像装置”。
当今国际已见报道的电容成像系统在电子测量电路和成像计算机之间进行连接以实现数据采集和交换时多采用图2所示的方案，即采用商业化的数据采集卡和测量系统之间完成电气连接，测量系统的工作完全由成像计算机来控制。这种方式的最大特点是减小了硬件系统的复杂度，即只需完成测量电子电路的设计和开发。但由于数据采集卡和测量系统之间的连接通过扁平电缆完成，因此成像计算机和测量系统之间的距离受到限制，通常在1米左右，而工业应用通常希望将成像计算机放在控制室中，其距离被测对象通常都有几十甚至上百米的距离。另外，采用这种方案的系统其测量硬件系统的工作完全由成像计算机来控制，这在一定程度上增加了成像计算机的工作任务，对实时成像是及其不利的。
鉴于上述两个主要原因，我们发明了“具备高速数据远传能力的电容成像装置”。主要目的是满足成像计算机和传感器测量系统(即被测工业管道或反应器)之间通常需要满足一定的距离的要求。该系统和现有以见报道的电容成像系统相比在数据采集和传输的方式上做了较大的改进。系统的结构框图如图3所示本发明的特征在于它含有(1)单片机子系统，它含有微处理器；总地址译码电路，它的输入端与上述微处理器的地址信号输出端相连；地址锁存器，它的输入端与上述微处理器的地址信号输出端相连，它的控制信号输入端与上述微处理器输出的控制信号相连，它的输出端与上述微处理器的地址总线相连；通讯接口芯片，它的输入端分别与上述微处理器的地址、数据总线和输出的控制信号以及总地址译码电路的输出端相连，它的串行发送信号输出端与发送电平转换电路输入端相连，它的串行接收信号输入端与接收电平转换电路输出端相连；发送电平转换电路，它的输出端经过串行通讯电缆与成像计算机的ISA通讯接口卡的接收电平转换电路的输入端相连；接收电平转换电路，它的输入端经过串行通讯电缆与成像计算机的ISA通讯接口卡的发送电平转换电路的输出端相连；外扩RAM，它的输入端分别与上述微处理器的地址、数据总线和输出的控制信号以及总地址译码电路的输出端互连；(2)激励电路，它含有从地址译码电路，它的输入端经过自定义总线接口板分别与单片机子系统的地址总线和控制信号以及总地址译码电路的输出相连；数据锁存电路，它的数据输入端经过自定义总线接口板与单片机子系统的数据总线相连，它的控制信号输入端分别与上述从地址译码电路的输出以及经过自定义总线接口板的与单片机子系统输出的控制信号相连；激励正弦信号发生电路，它的输入分别与上述数据锁存电路的输出和从地址译码电路的输出以及经过自定义总线接口板与单片机子系统输出的控制信号相连，它的输出与激励信号滤波放大电路的输入相连；激励信号滤波放大电路，它输出的激励信号经过总线接口板与所有信号调理电路的CMOS切换开关输入端互连；解调正弦信号发生电路，它的输入分别与上述数据锁存电路的输出和从地址译码电路的输出以及经过自定义总线接口板与单片机子系统输出的控制信号相连，它的输出与激励信号滤波放大电路的输入相连；解调信号滤波放大电路，它输出的解调信号经过总线接口板与所有信号调理电路的CMOS切换开关输入端互连；时钟信号发生电路，它的输出与上述激励正弦信号发生电路和解调正弦电路的输入互连；(3)敏感电极它由在流体流动管道上沿管道径向周边均匀贴上的一圈电极构成，每个电极分别对应一个信号调理电路，各电极的输出与相应信号调理电路的CMOS切换开关的另一个输入端相连；(4)信号调理电路，它含有通道选择电路，它的输入端经过总线接口板与单片机子系统的总译码电路的输出相连；信号调理译码电路，它的地址信号输入端通过总线接口板与单片机子系统的地址总线相连，它的控制信号输入端与上述通道选择电路的输出相连；控制信号锁存电路，它的数据信号输入经过总线接口板与单片机子系统的数据信号相连，它的控制信号输入端分别与上述信号调理译码电路的输出以及经过总线接口板与单片机子系统输出的控制信号相连；CMOS切换开关，它的一个输入端经过总线接口板与激励正弦信号发生电路的输出端相连，另一个输入端与该信号调理电路对应的电极互连，它的控制信号输入与上述控制信号锁存电路的输出相连；电容/电压变换电路，它的输入与上述CMOS切换开关的输出相连；交流放大电路，它的输入与上述电容/电压变换电路的输出相连；可变增益选择电路，它的输入与上述交流放大电路的输出相连，它的控制信号与上述控制信号锁存电路的输出相连；乘法解调电路，它的一路输入与上述可变增益选择电路的输出相连，另一路输入与经过总线接口板的解调正弦信号发生电路的输出相连；低通滤波电路，它的输入与上述乘法解调电路的输出相连；D/A高位数据锁存电路，它的数据输入端经过自定义总线接口板与单片机子系统的数据总线相连，它的控制信号分别与上述控制信号锁存电路的输出以及经过总线接口板与单片机子系统输出的控制信号相连；静态电容补偿D/A转换电路，它的数据输入端分别与上述D/A高位数据锁存电路的输出以及经过总线接口板与单片机子系统的数据总线相连，它的控制信号输入端分别与上述信号调理译码电路的输出以及经过总线接口板与单片机子系统输出的控制信号相连；差动放大电路，它的两个模拟输入端分别与上述低通滤波电路的输出端以及静态电容补偿D/A转换电路的输出端相连，它的控制信号输入端与上述控制信号锁存电路的输出相连；A/D转换电路，它的输入端和上述差动放大电路的输出端相连，它的控制信号输入端分别与上述信号调理译码电路的输出以及经过总线接口板与单片机子系统输出的控制信号相连；A/D数据锁存电路，它的输入与上述A/D转换电路的输出相连，它的输出经过总线接口板与单片机自系统的数据信号互连，它的控制信号输入与上述信号调理译码电路的输出以及经过总线接口板与单片机子系统输出的控制信号相连；(5)自定义总线接口板STD，上述微处理器通过该总线接口板分别与上述激励电路和信号调理电路互连；(6)ISA通讯接口卡，它含有地址设定电路，它的输入来自通讯接口卡上的ISA地址手动设置跳线，输出端与地址比较电路的一路输入相连；地址比较电路，它的一路输入与上述地址设定电路的输出相连，另一路输入经ISA总线接口板与成像计算机的地址总线相连；
ISA译码电路，数据信号输入端经过ISA总线接口板与成像计算机的地址总线相连，它的控制信号输入端分别与上述地址比较电路的输出以及经过ISA总线接口板与成像计算机输出的控制信号相连；控制锁存电路，它的数据输入端经过ISA总线接口板与成像计算机的数据总线相连，它的控制信号分别与上述ISA译码电路的输出以及经过ISA总线接口板与成像计算机输出的控制信号相连；通讯接口芯片，它的控制信号输入端分别与上述ISA译码电路和控制锁存电路的输出以及经过ISA总线接口板与成像计算机输出的控制信号相连，它的数据信号经过ISA总线接口板与成像计算机的数据总线互连，它的串行信号发送端与发送电平转换电路的输入相连，串行信号接收端与接收电平转换电路的输出相连；发送电平转换电路，它的输出通过串行通讯电缆与单片机子系统的接收电平转换电路的输入相连；接收电平转换电路，它的输入通过串行通讯电缆与单片机子系统的发送电平转换电路的输出相连；ISA总线接口板，上述成像计算机通过该总线接口板与上述地址比较电路、译码电路、通讯接口芯片互连。
该发明的主要特征是采用单片机(micro-processor/micro-controller)作为测量系统的核心控制部件，完成对电容传感器阵列的激励、电容电压变换、信号调理和放大、乘法解调、零点校准和A/D采样，测量系统的工作由单片机控制和协调。成像计算机通过自行开发的通讯接口卡和测量系统之间采用RS-485串行方式进行连接，当测量系统收到来自成像计算机的命令后将测量结果以串行方式发送给成像计算机。通讯接口芯片采用美国EXAR公司的ST16C550，最高波特率可达1.5MBps。由于采用RS-485差分传输方式，在1.5MBps的速度下可以达到几十米的传输距离。目前系统最高数据采集速度达到200帧/秒(8电极)，通讯速率最高可达1.5Mbps。最大通讯距离可达300米(当通讯速率为500Kbps时)。电容传感器采用圆形传感器，成像软件截面单元剖分数为32×32，使用LBP算法成像时，在线成像速度可达80帧/秒。


图1.典型电容成像系统机构。
图2.现有典型ECT系统机构图。
图3.具备高速数据远传能力的电容成像装置原理框图。
图4.本发明中的微控制器模块电路方框图。
图5.本发明中的激励信号模块电路方框图。
图6.本发明中的信号调理模块电路方框图。
图7.本发明中的ISA通讯模块电路方框图。
图8.本发明中的自定义总线物理接口。
图9.图4的电路原理图。
图10.图5的电路原理图。
图11.图6的电路原理图。
图12.图7的电路原理图。
具体实施例方式本发明所述的总线接口板采用DIN41612总线板，总线的物理结构见图9。
本发明总线各个管脚的电器连接定义如表1表1.具备高速数据远传能力的电容成像装置自定义总线接口及描述


本发明中各网络标号定义及作用如表2表2.具备高速数据远传能力的电容成像装置网络标号定义及描述


在图4和图9中，微处理器U1采用89E52；总地址译码电路U3、U9分别采用74LS138、74LS154；外扩RAM U10、U11采用6264；通讯接口芯片U4采用ST16C550；发送电平转换电路U5和接收电平转换电路U6采用MAX485，自定义总线插口器件J1采用DIN41612，地址锁存器U2采用74LS573。
单片机U1的数据信号DATA0-DATA7经总线接口插件J1送入信号调理电路，同时经地址锁存器U2产生低位地址ADATA0-ADATA7，连同高位地址ADATA8-ADATA15组成外部地址总线。地址总线低3位ADATA0-ADATA2也经过总线接口插件送入信号调理电路。地址译码电路把三个高位地址ADATA15-ADATA15进行译码，产生片选信号CSRAM1、CSRAM2、CSEXITE、ASSST、SSTREAD、SSTWRI；其中的CSEXCITE结合4个低位地址ADATA0-ADATA3经译码电路U9产生测量通道选择信号BOARD0-BOARD11以及正弦信号发生电路板选择信号CSDDS。地址信号ADATA0-ADATA13、片选信号RAM1、RAM2结合数据信号DATA0-DATA7以及读写信号-RD和-WR分别接到外扩RAM U10、U11。数据信号DATA0-DATA7与SSTREAD、SSTWRI、ASSST结合-RD和-WR接到通讯芯片ST16C550，产生的异步串行通讯信号TX、RX，经电平转换电路U6、U7转换电平后接入接口J2，再经过串行通讯电缆接到ISA通讯卡。
在图5和图10中，从地址译码电路U13采用74LS138；数据锁存电路U14采用74LS273；激励正弦信号发生电路U18和参考正弦信号发生电路U19采用DDS(直接数字正弦波发生器)AD7008；时钟信号发生电路U17采用50MHz有源晶振；激励信号滤波放大电路U20、U21和参考信号滤波放大电路U22、U23都采用运算放大器LM6364；自定义总线插口J3采用DIN41612。
来自自定义总线接口J3的地址信号ADATA0-ADATA3结合片选信号CSDDS经译码器U13产生片选信号CSSOURCE1、CSSOURCE2、CSREF1、CSREF2、DATALOCK。数据锁存信号DATALOCK结合-WR控制锁存电路U14，U14的输入是数据信号DATA0-DATA7，输出的CDATA0-CDATA7送往U18和U19的数据总线。U18产生的正弦波信号经过U21、U22放大、滤波后输出的激励信号SINE_EXC接入总线插口J3；U19产生的正弦波信号经过U22、U23放大滤波后输出的解调信号SINE_REF也接入总线插口J3。
在图6和图11中，通道选择电路JP1采用12×2的跳线插座；信号调理译码电路U24采用74LS138；控制信号锁存电路中U29采用74LS573，U44采用74LS04；CMOS切换开关U30采用ADG201；电容/电压变换电路U31采用LM6364；交流放大电路U32和U33也采用LM6364；可变增益选择电路U34和U35都采用ADG201；乘法解调电路U36采用MPY634；低通滤波电路U37和U38都采用LM6364；静态电容补偿D/A转换电路U40采用AD7245；D/A高位数据锁存电路U27采用74LS573；差动放大电路U39采用PGA204；A/D转换电路U41采用AD1674；A/D数据锁存电路U42和U43采用74LS244；自定义总线插口J4采用DIN41612。
在图6和图11中，U30构成CMOS激励/测量切换开关。敏感电极极板经屏蔽电缆再经插座J5接入U30，U30另外一个输入是经过自定义总线板的激励信号SINE_EXC。当U30的控制信号EX_CTRL为低电平时，DEV_CTRL为高电平，此时激励信号SINE_EXC通过U30接到J5，该通道对应的极板被设定为激励电极；反之当EX_CTRL为高电平时，J5通过U30接到U31，此时该通道对应的极板被设定为测量电极。电容/电压变换电路由运算放大器U31和电容C21、电阻R21构成。运算放大器U32和U33以及多路开关U34、U35构成可变增益交流放大电路，其放大倍数由GAIN1及GAIN2的数值决定，其输出送往模拟乘法器U36。U36另一路输入信号来自总线接口板的正弦信号SINE_REF。两路信号相乘后经电阻分压，送入由U37、U38构成的三阶低通滤波/放大电路，该滤波/放大电路的输出为与被测电容成正比的直流信号。可选增益差分放大器件U39增益由AMP0、AMP1控制，其正输入端信号来自U38，负输入端信号来自采用U40。U40的作用是补偿空管电容值。U39的输出信号ADINPUT送往采用U41。U41转换完成后输出的数据信号AD0-AD11送往锁存器U42、U43。U42、U43输出的信号通过总线接口板接入单片机子系统的数据总线DATA0-DATA7。
图7和图12中，地址设定电路中RP1采用1×8排电路；JP2采用8×12跳线插座；地址比较电路U46采用74LS688；ISA译码电路U45采用74LS154；控制锁存电路U49采用74LS573；通讯接口芯片采用ST16C550；发送电平转换电路U54和接收电平转换电路U55都采用MAX485。
成像计算机通过ISA总线接口J6将成像计算机的数据总线DATA0-DATA7、地址总线ADATA0-ADATA11、地址使能信号AEN、读使能信号-RD、写使能信号-WR接到该通讯卡上。地址总线高8位ADATA4-ADATA11被送往U46。U46另外一组输入S0-S7来自RP1和JP2构成的地址选择器。当S0-S7的设定值与ADATA4-ADATA11的数值相同的时候，U46的输出变为0，地址译码器U45被选通，地址信号ADATA0-ADATA3被输入U45，译出的信号ASSST、SSTREAD、SSTWRI被送往U50，结合-RD、-WR控制采用ST16C550的U53的输入/输出。CSCTRL则送往U47B，和-WR一起控制锁存器U49。U49的输入信号为DATA0-DATA7，输出信号包括U53的片选信号CSSST、复位信号RESETSST。U53的串行输出/输入信号被分别送往RS485电平转换芯片U54和U55，再送往插座J7，通过串行通讯电缆与单片机子系统相连。
权利要求
1.具备高速数据远传能力的电容成像装置，包括单片机子系统、激励电路、敏感电极、信号调理电路和ISA通讯接口卡，其特征在于，它含有(1)单片机子系统，它含有微处理器；总地址译码电路，它的输入端与上述微处理器的地址信号输出端相连；地址锁存器，它的输入端与上述微处理器的地址信号输出端相连，它的控制信号输入端与上述微处理器输出的控制信号相连，它的输出端与上述微处理器的地址总线相连；通讯接口芯片，它的输入端分别与上述微处理器的地址、数据总线和输出的控制信号以及总地址译码电路的输出端相连，它的串行发送信号输出端与发送电平转换电路输入端相连，它的串行接收信号输入端与接收电平转换电路输出端相连；发送电平转换电路，它的输出端经过串行通讯电缆与成像计算机的ISA通讯接口卡的接收电平转换电路的输入端相连；接收电平转换电路，它的输入端经过串行通讯电缆与成像计算机的ISA通讯接口卡的发送电平转换电路的输出端相连；外扩RAM，它的输入端分别与上述微处理器的地址、数据总线和输出的控制信号以及总地址译码电路的输出端互连；(2)激励电路，它含有从地址译码电路，它的输入端经过自定义总线接口板分别与单片机子系统的地址总线和控制信号以及总地址译码电路的输出相连；数据锁存电路，它的数据输入端经过自定义总线接口板与单片机子系统的数据总线相连，它的控制信号输入端分别与上述从地址译码电路的输出以及经过自定义总线接口板的与单片机子系统输出的控制信号相连；激励正弦信号发生电路，它的输入分别与上述数据锁存电路的输出和从地址译码电路的输出以及经过自定义总线接口板与单片机子系统输出的控制信号相连，它的输出与激励信号滤波放大电路的输入相连；激励信号滤波放大电路，它输出的激励信号经过总线接口板与所有信号调理电路的CMOS切换开关输入端互连；解调正弦信号发生电路，它的输入分别与上述数据锁存电路的输出和从地址译码电路的输出以及经过自定义总线接口板与单片机子系统输出的控制信号相连，它的输出与激励信号滤波放大电路的输入相连；解调信号滤波放大电路，它输出的解调信号经过总线接口板与所有信号调理电路的CMOS切换开关输入端互连；时钟信号发生电路，它的输出与上述激励正弦信号发生电路和解调正弦电路的输入互连；(3)敏感电极它由在流体流动管道上沿管道径向周边均匀贴上的一圈电极构成，每个电极分别对应一个信号调理电路，各电极的输出与相应信号调理电路的CMOS切换开关的另一个输入端相连；(4)信号调理电路，它含有通道选择电路，它的输入端经过总线接口板与单片机子系统的总译码电路的输出相连；信号调理译码电路，它的地址信号输入端通过总线接口板与单片机子系统的地址总线相连，它的控制信号输入端与上述通道选择电路的输出相连；控制信号锁存电路，它的数据信号输入经过总线接口板与单片机子系统的数据信号相连，它的控制信号输入端分别与上述信号调理译码电路的输出以及经过总线接口板与单片机子系统输出的控制信号相连；CMOS切换开关，它的一个输入端经过总线接口板与激励正弦信号发生电路的输出端相连，另一个输入端与该信号调理电路对应的电极互连，它的控制信号输入与上述控制信号锁存电路的输出相连；电容/电压变换电路，它的输入与上述CMOS切换开关的输出相连；交流放大电路，它的输入与上述电容/电压变换电路的输出相连；可变增益选择电路，它的输入与上述交流放大电路的输出相连，它的控制信号与上述控制信号锁存电路的输出相连；乘法解调电路，它的一路输入与上述可变增益选择电路的输出相连，另一路输入与经过总线接口板的解调正弦信号发生电路的输出相连；低通滤波电路，它的输入与上述乘法解调电路的输出相连；D/A高位数据锁存电路，它的数据输入端经过自定义总线接口板与单片机子系统的数据总线相连，它的控制信号分别与上述控制信号锁存电路的输出以及经过总线接口板与单片机子系统输出的控制信号相连；静态电容补偿D/A转换电路，它的数据输入端分别与上述D/A高位数据锁存电路的输出以及经过总线接口板与单片机子系统的数据总线相连，它的控制信号输入端分别与上述信号调理译码电路的输出以及经过总线接口板与单片机子系统输出的控制信号相连；差动放大电路，它的两个模拟输入端分别与上述低通滤波电路的输出端以及静态电容补偿D/A转换电路的输出端相连，它的控制信号输入端与上述控制信号锁存电路的输出相连；A/D转换电路，它的输入端和上述差动放大电路的输出端相连，它的控制信号输入端分别与上述信号调理译码电路的输出以及经过总线接口板与单片机子系统输出的控制信号相连；A/D数据锁存电路，它的输入与上述A/D转换电路的输出相连，它的输出经过总线接口板与单片机自系统的数据信号互连，它的控制信号输入与上述信号调理译码电路的输出以及经过总线接口板与单片机子系统输出的控制信号相连；(5)自定义总线接口板STD，上述微处理器通过该总线接口板分别与上述激励电路和信号调理电路互连；(6)ISA通讯接口卡，它含有地址设定电路，它的输入来自通讯接口卡上的ISA地址手动设置跳线，输出端与地址比较电路的一路输入相连；地址比较电路，它的一路输入与上述地址设定电路的输出相连，另一路输入经ISA总线接口板与成像计算机的地址总线相连；ISA译码电路，数据信号输入端经过ISA总线接口板与成像计算机的地址总线相连，它的控制信号输入端分别与上述地址比较电路的输出以及经过ISA总线接口板与成像计算机输出的控制信号相连；控制锁存电路，它的数据输入端经过ISA总线接口板与成像计算机的数据总线相连，它的控制信号分别与上述ISA译码电路的输出以及经过ISA总线接口板与成像计算机输出的控制信号相连；通讯接口芯片，它的控制信号输入端分别与上述ISA译码电路和控制锁存电路的输出以及经过ISA总线接口板与成像计算机输出的控制信号相连，它的数据信号经过ISA总线接口板与成像计算机的数据总线互连，它的串行信号发送端与发送电平转换电路的输入相连，串行信号接收端与接收电平转换电路的输出相连；发送电平转换电路，它的输出通过串行通讯电缆与单片机子系统的接收电平转换电路的输入相连；接收电平转换电路，它的输入通过串行通讯电缆与单片机子系统的发送电平转换电路的输出相连；ISA总线接口板，上述成像计算机通过该总线接口板与上述地址比较电路、译码电路、通讯接口芯片互连。
全文摘要
具备高速数据远传能力的电容成像装置属于两相流测量技术领域，其特征在于使用单片机经过总线控制激励电路和信号调理电路，使用通讯芯片经RS485串行电缆与接在计算机上的ISA通讯卡连接。它大大提高了数据远传能力。当通讯波特率为500kbps的时候最大通讯距离可以达到300米。从而避免把成像计算机置于恶劣的工业现场，大大提高了其实用性。
文档编号G01N27/22GK1558220SQ20041000116
公开日2004年12月29日 申请日期2004年2月3日 优先权日2004年2月3日
发明者陆耿, 彭黎辉, 张宝芬, 陆 耿 申请人:清华大学