摘 要：在傳統(tǒng)的實(shí)時(shí)無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)中，信號(hào)傳輸采用模擬信號(hào)或數(shù)字信號(hào)通過模擬電臺(tái)實(shí)時(shí)傳輸，信號(hào)在傳輸過程中容易受到現(xiàn)場(chǎng)工作環(huán)境干擾和帶寬限制，從而導(dǎo)致信號(hào)的失真，嚴(yán)重影響后續(xù)處理精度。因此基于數(shù)字信號(hào)傳輸特點(diǎn)及數(shù)字無(wú)線網(wǎng)絡(luò)新進(jìn)展的深入研究，討論現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)傳輸系統(tǒng)的組成、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)技術(shù)在實(shí)時(shí)無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用、相關(guān)軟硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法。實(shí)驗(yàn)表明該檢測(cè)系統(tǒng)性能穩(wěn)定、靈敏度高。

關(guān)鍵詞：數(shù)字無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)；實(shí)時(shí)無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)；信號(hào)傳輸與控制；模擬電臺(tái)實(shí)時(shí)傳輸

中圖分類號(hào)：TP393文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1004-373X(2008)08-182-03

Application of Digital Wireless Network Technology in Realtime

Nonconstructive Detection System

WANG Kaizhi，LIU Cuishan，LUAN Jiangfeng，DING Qimin

(Mechanic Engineering School，Liaoning Shihua University，F(xiàn)ushun，113001，China)

Abstract：Traditional RealTime NonConstructive Detection System (RTNCDS) transmits analog / digital realtime signals via analog radio stations，which is vulnerable to the working circumstances and is confined by bandwidth，resulting in signal distortion that seriously affects the accuracy of consequential signal processing.Now based on the characteristics of digital signals latest development of Digital Wireless Network Technology (DWNT)，the components of modern digital signal transmission system，application of DWNT in RTNCDS，design of supporting software hardware，and application methods are discussed，the tests show this system has a stable performance and a high sensitivity.

Keywords：digital wireless network system;realtime nonconstructive detection system;signal transmission control;analog radio realtime transmission

在當(dāng)今無(wú)線測(cè)控工作站的檢測(cè)信號(hào)與控制信號(hào)傳輸過程中，一種是傳統(tǒng)的模擬式傳輸，以FMFM為代表；一種是數(shù)字式傳輸，以PCM為代表。兩種方法各具特點(diǎn)，模擬式傳輸實(shí)現(xiàn)起來比較簡(jiǎn)單，不需要專用的控制芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)控制，實(shí)時(shí)性好，不足之處是傳輸精度不高且易受環(huán)境干擾；數(shù)字式傳輸實(shí)現(xiàn)起來比較復(fù)雜，需使用專門的智能控制芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)位控制。在檢測(cè)狀態(tài)進(jìn)行數(shù)字通信時(shí)，要保證數(shù)據(jù)位的同步極為困難，成為制約數(shù)字式無(wú)線通信工程應(yīng)用的主要瓶頸。而其優(yōu)點(diǎn)則是傳輸精度高，安全性好，是未來無(wú)線通信發(fā)展的方向。尤其在現(xiàn)代無(wú)損檢測(cè)過程中，由于現(xiàn)場(chǎng)工作環(huán)境惡劣，不可控干擾因素較多，信號(hào)的抗干擾能力就顯得非常重要。

1 傳統(tǒng)模擬系統(tǒng)組成

測(cè)量系統(tǒng)組成如圖1，圖2所示。

在傳統(tǒng)模擬系統(tǒng)中，測(cè)量站基本組成為：傳感器組、數(shù)據(jù)采集器、單片機(jī)或PLC控制系統(tǒng)和通訊適配器及模擬電臺(tái)。信號(hào)傳輸一般分為2組，一組是采集信號(hào)傳輸，一組是測(cè)量站工作控制信號(hào)傳輸。在傳輸過程中，可以采用模擬式傳輸，或現(xiàn)代的數(shù)字電臺(tái)傳輸。要保證信號(hào)穩(wěn)定傳輸，一般要求用兩組信號(hào)通道分別傳輸，傳輸過程中還要考慮到電源干擾及檢測(cè)部件如射線源的輻射干擾等。對(duì)于信號(hào)采集系統(tǒng)而言，數(shù)據(jù)采集器采集的模擬信號(hào)如果直接通過模擬電臺(tái)傳輸，傳輸精度及帶寬由于各種現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的影響，其效果難以保證，即便是信號(hào)通過模/數(shù)轉(zhuǎn)換后經(jīng)由數(shù)字電臺(tái)傳輸，傳輸精度及帶寬也不能保證實(shí)時(shí)信號(hào)能為后續(xù)處理系統(tǒng)接受。控制部分一般是利用單片機(jī)或PLC實(shí)現(xiàn)。單片機(jī)和PLC的造價(jià)可能較低，但單片機(jī)前期開發(fā)及量產(chǎn)少問題困擾著系統(tǒng)開發(fā)者?？刂凭群拖到y(tǒng)調(diào)試上，單片機(jī)和PLC系統(tǒng)調(diào)試需要有專門的外圍設(shè)備和專業(yè)技術(shù)人員的支持。遙控測(cè)量站動(dòng)作所需的控制信號(hào)由模擬FM電臺(tái)傳輸，控制信號(hào)的精度由于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境影響有時(shí)也不能保證。系統(tǒng)調(diào)試過程中的工作量及系統(tǒng)運(yùn)行過程中的人機(jī)互動(dòng)過程實(shí)現(xiàn)也極其困難，特別是在遙控站系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)修復(fù)及人工控制又為系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用提出了難題。因此，傳統(tǒng)模擬信號(hào)傳輸系統(tǒng)及部分?jǐn)?shù)字信號(hào)傳輸系統(tǒng)在應(yīng)用過程中有很多不足及難以預(yù)料的問題。

2 數(shù)字系統(tǒng)組成

其測(cè)量系統(tǒng)組成如圖3，圖4所示。

在數(shù)字系統(tǒng)組成中，模擬信號(hào)經(jīng)由傳感器組傳輸?shù)綌?shù)字?jǐn)?shù)據(jù)采集器中，經(jīng)過濾波、放大、模/數(shù)轉(zhuǎn)換等轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)傳入測(cè)量站控制機(jī)?？刂茩C(jī)經(jīng)由Intel公司的WIFI無(wú)線網(wǎng)絡(luò)端口與主控機(jī)進(jìn)行無(wú)線聯(lián)網(wǎng)，通過對(duì)主機(jī)與測(cè)量站控制機(jī)的分別設(shè)置，使測(cè)量站控制機(jī)成為主控機(jī)的一個(gè)遠(yuǎn)程終端，實(shí)現(xiàn)對(duì)其完全遠(yuǎn)程控制。通過無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，測(cè)量站控制機(jī)采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及圖象傳輸至主控機(jī)，同時(shí)主控機(jī)對(duì)測(cè)量站控制機(jī)進(jìn)行全面控制，并且通過RS 232端口或USB端口控制其他外圍設(shè)備。如果在測(cè)量過程中，無(wú)線信號(hào)傳輸有較強(qiáng)烈的干擾（如X射線干擾），可利用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行機(jī)器工作狀態(tài)預(yù)覽。測(cè)量站控制機(jī)采集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)，干擾去除后，再把有用信號(hào)無(wú)線傳輸至主控機(jī)。主控機(jī)在接收信號(hào)的同時(shí)并控制測(cè)量站設(shè)備進(jìn)行下一次信號(hào)采集準(zhǔn)備，一切就緒后，打開采集系統(tǒng)進(jìn)行下一次工作。如此添加中間存儲(chǔ)環(huán)節(jié)，通過全數(shù)字的無(wú)線信號(hào)傳輸，提高了數(shù)字信號(hào)傳輸精度，也提高了抗干擾能力及控制精度。

2.1 傳感器組及數(shù)字信號(hào)采集器的組成

該系統(tǒng)可以應(yīng)用于現(xiàn)有的多種檢測(cè)技術(shù)中，即能把傳感器組所得到的檢測(cè)信號(hào)通過信號(hào)采集器變?yōu)閿?shù)字信號(hào)的所有系統(tǒng)中。該系統(tǒng)不但能完成常規(guī)信號(hào)（如溫度，壓力，流量等傳感器組采集的信號(hào)）和非常規(guī)信號(hào)（攝像頭，各種內(nèi)窺鏡，聲納信號(hào)等）的傳遞工作，更可應(yīng)用于無(wú)損檢測(cè)工程領(lǐng)域，用以傳輸超聲波測(cè)量信號(hào)和X射線檢測(cè)圖像的數(shù)字信號(hào)。比如，超聲波探頭信號(hào)，當(dāng)超聲波探頭換能器將探傷回波轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，信號(hào)采集器即可設(shè)計(jì)為具有信號(hào)放大、濾波、整定、模/數(shù)轉(zhuǎn)換等功能的結(jié)合體，當(dāng)信號(hào)經(jīng)過一系列整定變?yōu)閿?shù)字信號(hào)后，再經(jīng)由測(cè)量站控制機(jī)端口進(jìn)入計(jì)算機(jī)進(jìn)行儲(chǔ)存和傳輸，完成信號(hào)采集；而對(duì)于X射線數(shù)字實(shí)時(shí)成像采集設(shè)備——平板檢測(cè)器（FPD），若平板檢測(cè)器能直接輸出數(shù)字圖象，便可以直接通過數(shù)據(jù)電纜，經(jīng)過測(cè)量站控制機(jī)端口進(jìn)入計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)和傳輸；對(duì)于需要轉(zhuǎn)換的信號(hào)，可以先經(jīng)過專有設(shè)備轉(zhuǎn)換為測(cè)量站控制機(jī)所能采集的信號(hào)，再進(jìn)入計(jì)算機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)和傳輸。

2.2 測(cè)量站控制機(jī)

測(cè)量站控制機(jī)在整個(gè)測(cè)量站中處于核心地位，對(duì)于能否實(shí)現(xiàn)測(cè)量站的正常工作及穩(wěn)定信號(hào)傳輸有極其重要的作用，所以對(duì)其選擇一定要慎重。測(cè)量站控制機(jī)性能必須滿足以下幾點(diǎn)：

（1） 具有低功耗、高效率特性、最好能直接由標(biāo)準(zhǔn)電池組直接驅(qū)動(dòng)；

（2） 工作溫度區(qū)限必須寬、散熱性良好、適用于溫度變化大的場(chǎng)合；

（3） 耐沖擊、耐震動(dòng)、適用于各種現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境；

（4） 體積適中，對(duì)于一些移動(dòng)采集測(cè)量站尤為重要；

（5） 擁有數(shù)字無(wú)線傳輸能力，支持無(wú)線傳輸協(xié)議；

（6） 系統(tǒng)能和主控機(jī)進(jìn)行良好的系統(tǒng)兼容，能保證順利的軟件對(duì)接；

（7） 有豐富的外圍接口，能與多種信號(hào)采集器及工業(yè)控制器PLC等設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸與控制。

基于以上幾點(diǎn)和現(xiàn)有的軟件流行趨勢(shì)，應(yīng)該選擇盒式工控機(jī)和單片機(jī)等應(yīng)用廣泛的工業(yè)控制機(jī)。這種工控機(jī)具有良好的接口性能，擁有LAN接口，能支持WIFI無(wú)線傳輸協(xié)議，有擴(kuò)展功能。最好采用裝有Windows XP Embedded 系統(tǒng)的工控機(jī)，這樣就能更好地實(shí)現(xiàn)測(cè)量站的穩(wěn)定工作和信號(hào)傳輸。

2.3 通訊適配器及通訊協(xié)議的選擇

考慮現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工作環(huán)境，合理地選擇通訊適配器及通訊協(xié)議，對(duì)于是否能穩(wěn)定、高效、保證傳輸精度也很重要。對(duì)于一般測(cè)量站與主控機(jī)，因其在可視的范圍內(nèi)，可以選擇現(xiàn)在通用的WIFI信號(hào)適配器。在WIFI信號(hào)能滿足的情況下，如需遠(yuǎn)距離傳輸控制，可以添加無(wú)線網(wǎng)絡(luò)路由器，經(jīng)路由器與INTERNET廣域網(wǎng)進(jìn)行連接，進(jìn)行合理配置后，擴(kuò)展為遠(yuǎn)距離傳輸，多點(diǎn)傳輸與控制。例如，在油品常輸管線冰堵點(diǎn)定位檢測(cè)中，檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)工作人員、遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)人員、介質(zhì)加壓泵站人員都需要同時(shí)了解實(shí)時(shí)檢測(cè)狀態(tài)，通過該系統(tǒng)可良好實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)傳輸與控制。如果不能保證工作場(chǎng)合有廣域網(wǎng)連接，也可添加WIFI信號(hào)功率放大器或者添加現(xiàn)有的數(shù)傳電臺(tái)，如Motorola公司的GM系列車載電臺(tái)，工作于VHF/UHF頻段，可進(jìn)行無(wú)線數(shù)傳（9線制標(biāo)準(zhǔn)串行RS 232接口），或者美國(guó)MDS公司遙測(cè)遙控系列數(shù)字電臺(tái)（采用數(shù)字信號(hào)處理、糾錯(cuò)編碼、軟件無(wú)線電、數(shù)字調(diào)制解調(diào)和表面貼片一體化設(shè)計(jì)等技術(shù)，具有高性能、高可靠性的特點(diǎn)，電臺(tái)能提供標(biāo)準(zhǔn)232數(shù)據(jù)口并可直接與計(jì)算機(jī)、地震數(shù)據(jù)采集器、RTU數(shù)據(jù)終端、GPS接收機(jī)、數(shù)碼相機(jī)等連接）。

2.4 主控機(jī)的選擇

在選擇主控機(jī)時(shí)，要考慮到主控站工作環(huán)境、數(shù)據(jù)傳輸與儲(chǔ)存能力、數(shù)據(jù)處理能力、外圍擴(kuò)展接口（連接更多的后期數(shù)據(jù)處理專業(yè)設(shè)備）等特點(diǎn)。對(duì)于移動(dòng)主控機(jī)工作站，可以選擇車載電腦甚至手提電腦。對(duì)于需要強(qiáng)大的后期處理能力的，可以選擇圖形工作站等有特殊要求的計(jì)算機(jī)。對(duì)于要求測(cè)量系統(tǒng)高精度控制或使用在特殊控制的場(chǎng)合，可以選擇能外接特殊控制系統(tǒng)并可把信號(hào)通過無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸給測(cè)量站工控機(jī)的主控機(jī)。

3 結(jié) 語(yǔ)

通過把數(shù)字無(wú)線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于無(wú)損檢測(cè)的實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)中，可以實(shí)現(xiàn)原有設(shè)備的模擬式傳輸轉(zhuǎn)換為數(shù)字傳輸。對(duì)于工作現(xiàn)場(chǎng)沒有干擾，數(shù)據(jù)傳輸量少的情況，可以選擇功能簡(jiǎn)單，造價(jià)較低的測(cè)量站工控機(jī)、單片機(jī)。對(duì)于多組信號(hào)采集，可添加多個(gè)信號(hào)采集設(shè)備和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)路由器、無(wú)線信號(hào)中繼器等設(shè)備進(jìn)行設(shè)備功能擴(kuò)展。對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)工作環(huán)境復(fù)雜，無(wú)線信號(hào)干擾嚴(yán)重的場(chǎng)合，可以先進(jìn)行信號(hào)采集與儲(chǔ)存，結(jié)束后，關(guān)掉干擾源，再以設(shè)定的傳輸方式進(jìn)行測(cè)量站與主控站計(jì)算機(jī)的無(wú)線信號(hào)傳輸。

本系統(tǒng)也可添加無(wú)線網(wǎng)關(guān)等聯(lián)入Internet廣域網(wǎng)，進(jìn)行超遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸與控制，真正實(shí)現(xiàn)安全、穩(wěn)定、高效的異地控制方案。把互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和現(xiàn)代無(wú)損檢測(cè)技術(shù)良好地結(jié)合和運(yùn)用。通過其他功能擴(kuò)展，還可實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)大的控制功能與作用。經(jīng)實(shí)驗(yàn)室和生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明：由于采用全數(shù)字無(wú)線信號(hào)傳輸、數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確及時(shí)、控制精度高，抗干擾能力強(qiáng)、達(dá)到了預(yù)期效果。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］姜連祥，汪小燕.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)計(jì)綜述［J］.單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2006（11）:1316.

［2］李洪濤，皇甫堪，王展，等.AT89C51單片機(jī)在無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸中的應(yīng)用［J］.單片機(jī)及嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2003（6）:5860.

［3］陳如明.信號(hào)系統(tǒng)與高速無(wú)線數(shù)字傳輸［M］.北京:科學(xué)出版社，2000.

［4］梁森，王侃夫，黃杭美.自動(dòng)檢測(cè)與轉(zhuǎn)換技術(shù)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

作者簡(jiǎn)介 王開治 男，遼寧撫順人，在讀碩士研究生。主要從事自動(dòng)檢測(cè)與控制技術(shù)方向的研究。