李 健，崔劍雷，劉 棟

(1.天津大學(xué)精密測試技術(shù)及儀器國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300072;2.天津綠清管道科技發(fā)展有限公司，天津301700)

0 引言

常見的管道內(nèi)檢測技術(shù)有漏磁通、渦流和超聲檢測技術(shù)等。但由于當(dāng)前各類內(nèi)檢測技術(shù)具有針對性和局限性，不能同時(shí)檢測出各種類型缺陷，經(jīng)常會造成對不敏感缺陷的漏檢或缺陷評定誤差的增大。為了彌補(bǔ)這一不足，往往需要在同一管道內(nèi)運(yùn)行多種內(nèi)檢測設(shè)備以便發(fā)現(xiàn)不同類型缺陷。這不僅提高了運(yùn)行成本，而且增加了檢測過程中的風(fēng)險(xiǎn)。因此，提高管道內(nèi)檢測技術(shù)探測能力、精度和可靠度，成為了內(nèi)檢測技術(shù)一直努力探索的方向，高清晰度漏磁管道內(nèi)檢測技術(shù)的研發(fā)正是基于這一需求的產(chǎn)物［1］。

目前，國外的高清晰度管道內(nèi)檢測器制造技術(shù)已經(jīng)很成熟。1998年，英國PII公司研制出新一代系列漏磁裂紋檢測器，據(jù)稱能滿足?200～2 000 mm天然氣管道的檢測，并已完成上萬公里天然氣長輸管道的檢測任務(wù)，其對軸向焊縫開口寬度的檢測精度達(dá)到了0.1 mm［2］。但該技術(shù)屬于壟斷技術(shù)，我國每年為檢測管道缺陷花費(fèi)巨大。因此，自主研制高精度管道檢測設(shè)備是十分必要的。

高清晰度漏磁管道內(nèi)檢測器利用漏磁檢測原理，使用霍爾傳感器測量管道飽和磁化后所產(chǎn)生的磁通信號，實(shí)現(xiàn)對埋地管道缺陷的識別，其檢測精度和缺陷識別率主要取決于單位檢測面積、傳感器數(shù)量和數(shù)據(jù)采集精度。增加傳感器數(shù)量、提高采集精度可以滿足檢測要求，這就要求檢測器必須具有高速數(shù)據(jù)采集、存儲海量數(shù)據(jù)的基本功能。主控系統(tǒng)位于檢測器記錄儀艙內(nèi)，主要完成檢測過程中的數(shù)據(jù)采集、壓縮、存儲功能。因此，能否完成高速、海量數(shù)據(jù)的采集與存儲，是本文設(shè)計(jì)的主控系統(tǒng)的難點(diǎn)和關(guān)鍵。

1 檢測器總體結(jié)構(gòu)簡介

檢測器由漏磁探測艙、記錄儀艙、電池艙組成，相互間用萬向節(jié)連接。

主探頭放置于漏磁探測艙周圍，數(shù)量為132個(gè)，每個(gè)主探頭內(nèi)包含10只霍爾傳感器。檢測時(shí)探頭緊貼管壁，采集到的磁場強(qiáng)度信號被存儲至位于記錄儀艙的存儲設(shè)備中。

電池組放置于電池艙內(nèi)，向漏磁探測艙和記錄儀艙輸出5 V工作電壓。

IDOD探頭與里程輪放置于記錄儀艙外，IDOD探頭數(shù)量為12個(gè)，每個(gè)探頭內(nèi)包含10個(gè)線圈傳感器，用于辨別內(nèi)外管壁缺陷。里程輪沿管壁轉(zhuǎn)動，每轉(zhuǎn)過0.12 rad(對應(yīng)檢測器前進(jìn)3.3 mm)發(fā)出一個(gè)脈沖，檢測器每收到一個(gè)脈沖完成一次數(shù)據(jù)采集。

主控系統(tǒng)位于記錄儀艙內(nèi)，控制檢測器分別工作于調(diào)試模式和檢測模式。在調(diào)試模式，主控系統(tǒng)對檢測器中各傳感器進(jìn)行調(diào)試，并實(shí)現(xiàn)與地面標(biāo)記系統(tǒng)時(shí)鐘的同步;在檢測模式，主控系統(tǒng)完成海量傳感器數(shù)據(jù)的傳輸、壓縮和存儲功能，同時(shí)檢測電池電量以完成電源管理功能。

2 主控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

漏磁場檢測的數(shù)據(jù)量非常龐大，要提高系統(tǒng)的探傷精度，需要進(jìn)一步增加探頭排列密度，減小采樣時(shí)間間隔。然而，目前檢測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲速度和存儲容量都已接近極限［3］。因此，必須對檢測器主控系統(tǒng)重新設(shè)計(jì)，本文設(shè)計(jì)的主控系統(tǒng)硬件構(gòu)成如圖1所示。

圖1 主控系統(tǒng)硬件構(gòu)成示意圖Fig 1 Schematic diagram of hardware structure of MCS

本文設(shè)計(jì)的主控系統(tǒng)須在一次采樣時(shí)間間隔內(nèi)(0.41～0.66 ms)同時(shí)采集144路數(shù)據(jù)。FPGA具有高速、可編程的優(yōu)點(diǎn)，本文以Altera公司的FPGA作為主控系統(tǒng)的前端，產(chǎn)品型號為Cyclone III系列EP3C55F484I7，利用FPGA并行處理能力［4］，使其每接收到一個(gè)里程輪脈沖信號完成一次144路探頭數(shù)據(jù)的并行接收。

PC104plus產(chǎn)品在電氣特性和機(jī)械特性上可靠性高，其中CPU板卡具有易操作、計(jì)算能力強(qiáng)的特點(diǎn)，同時(shí)支持PCI總線，可以連接高速外接設(shè)備。本文設(shè)計(jì)的主控系統(tǒng)采用的PC104plusCPU板卡型號為研華PCM—3362Z2，其作為檢測器主控系統(tǒng)的核心，可完成檢測器在調(diào)試模式和采集模式下的工作。在調(diào)試模式下，CPU板卡通過RS—485串口與上位機(jī)通信，CPU接收到上位機(jī)調(diào)試指令后完成相應(yīng)的調(diào)試工作。其中，主探頭、IDOD探頭的調(diào)試通過PCI9054接口芯片完成，溫度傳感器、姿態(tài)傳感器的調(diào)試通過RS—232串口完成，與地面標(biāo)記器的主時(shí)鐘同步通過RS—485總線完成;在采集模式下，CPU板卡通過 PCI9054接口芯片接收32位數(shù)據(jù)，利用CPU對接收數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮處理，之后將壓縮數(shù)據(jù)通過SATA存儲接口寫入固態(tài)硬盤，同時(shí)，通過RS—232串口完成電池電量檢測工作。檢測結(jié)束后，主控系統(tǒng)從記錄儀艙取出，檢測數(shù)據(jù)通過千兆網(wǎng)口傳輸至上位機(jī)。

FPGA與PC104plus的連接選用PLX公司生產(chǎn)的PCI9054芯片。該芯片完成本地總線到PCI總線的數(shù)據(jù)傳輸，支持DMA傳輸方式。DMA傳輸方式可使數(shù)據(jù)直接通過芯片進(jìn)入CPU板卡內(nèi)存，而不用通過CPU將數(shù)據(jù)寫入內(nèi)存，這樣不但極大提高了數(shù)據(jù)傳輸速度，也降低了CPU功耗，CPU可以將有限的資源用于數(shù)據(jù)壓縮，這對于本文設(shè)計(jì)的主控系統(tǒng)至關(guān)重要。普通數(shù)據(jù)傳輸與DMA數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶Ρ热鐖D2所示。

圖2 DMA與普通數(shù)據(jù)傳輸方式對比示意圖Fig 2 Schematic diagram of comparison between DMA and general mode of data transmission

由于工作環(huán)境限制，設(shè)計(jì)選用2.5 in(1in=2.54 cm)寬溫固態(tài)硬盤，容量為256 GB，滿足了數(shù)據(jù)存儲要求。

3 主控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

主控系統(tǒng)軟件程序須支持檢測器兩種工作模式的切換。程序總體流程為:檢測器主控系統(tǒng)啟動，系統(tǒng)程序開機(jī)自運(yùn)行，若在系統(tǒng)程序運(yùn)行的前20 s內(nèi)外界進(jìn)行干預(yù)，檢測器進(jìn)入調(diào)試模式，若20s內(nèi)無外界干預(yù)，檢測器進(jìn)入采集模式。

3.1 調(diào)試模式軟件程序設(shè)計(jì)

檢測器在進(jìn)入管道前需要在現(xiàn)場與上位機(jī)進(jìn)行通信，對各部分進(jìn)行調(diào)試以確定檢測器是否工作正常，若不正常則更換部件，確保管道檢測順利進(jìn)行。由于調(diào)試現(xiàn)場存在潛在的爆炸性環(huán)境和地面標(biāo)記系統(tǒng)的接口限制，本文設(shè)計(jì)的主控系統(tǒng)只采用串口通信的方式對主控系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試。調(diào)試模式程序流程圖如圖3所示。

圖3 主控系統(tǒng)調(diào)試模式程序流程圖Fig 3 Program flow chart of MCS modulating mode

3.2 采集模式軟件程序設(shè)計(jì)

檢測器進(jìn)入管道轉(zhuǎn)入采集模式后，開始對管道進(jìn)行檢測，若使檢測器正常工作，主控系統(tǒng)必須滿足技術(shù)指標(biāo)，即數(shù)據(jù)傳輸速度達(dá)到6.7MB/s，可存儲245 GB檢測數(shù)據(jù)。

為了滿足數(shù)據(jù)傳輸速度這一技術(shù)指標(biāo)，主控系統(tǒng)采用了DMA數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。軟件部分，使用PLX SDK對PCI9054DMA控制器進(jìn)行初始化并控制傳輸過程。由于主控系統(tǒng)前端FPGA緩存數(shù)據(jù)位于0x0000-0x1FFF這一連續(xù)地址空間內(nèi)，故本文設(shè)計(jì)中采用了BLOCK DMA傳輸方式，同時(shí)利用中斷配合DMA傳輸，使PCI9054接收到FPGA緩存滿這一中斷信號后方可開始DMA傳輸。

檢測器從進(jìn)入管道直至檢測結(jié)束，會產(chǎn)生約245 GB檢測數(shù)據(jù)。本文在將數(shù)據(jù)儲存入硬盤前，利用了霍夫曼與LZW壓縮編碼結(jié)合的算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行了數(shù)據(jù)壓縮，節(jié)省了存儲空間，對以后提高管道漏磁檢測系統(tǒng)的分辨率和延長檢測距離有著重要的意義。

檢測器工作于采集模式時(shí)，為了保證數(shù)據(jù)的連續(xù)傳輸和數(shù)據(jù)存儲的正常進(jìn)行，主控系統(tǒng)使用了雙緩沖和多線程技術(shù)。雙緩沖開辟于PC104plusCPU板卡的內(nèi)存中，單個(gè)緩沖區(qū)大小為32MB，兩者均可作為DMA數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪康牡刂罚渲幸痪彌_區(qū)數(shù)據(jù)存滿后，由數(shù)據(jù)存儲線程完成對數(shù)據(jù)的壓縮并存儲入硬盤。同時(shí)，另一緩沖區(qū)由DMA傳輸線程完成DMA數(shù)據(jù)的接收。依次輪流完成數(shù)據(jù)傳輸。采集模式下程序流程圖如圖4所示。

圖4 主控系統(tǒng)采集模式程序流程圖Fig 4 Program flow chart of MCS acquisition mode

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本文對該主控系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中對主控系統(tǒng)FPGA緩存寫入固定格式數(shù)據(jù)，緩存大小為32 kB，數(shù)據(jù)格式為0X00000000～0X00001FFF，循環(huán)填滿緩存。PC104plusCPU主板通過PCI總線反復(fù)讀取緩存數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳輸方式采用DMA方式。實(shí)驗(yàn)進(jìn)行5次，每次實(shí)驗(yàn)持續(xù)進(jìn)行3 h，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)Tab 1 Datas of test result

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:數(shù)據(jù)正確率為100%，未發(fā)生數(shù)據(jù)錯(cuò)誤和丟失。

5 結(jié)論

本文針對高清晰度漏磁管道內(nèi)檢測器的單位時(shí)間采集數(shù)據(jù)量和總采集數(shù)據(jù)量大的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了以PC104plus CPU板卡為核心的主控系統(tǒng)。滿足了檢測器在調(diào)試模式和采集模式下的工作要求，設(shè)計(jì)方案切實(shí)可行。

［1］馮慶善.在役管道三軸高清漏磁內(nèi)檢測技術(shù)［J］.油氣儲運(yùn)，2009(10):72-75，84，93-94.

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［4］劉福奇.FPGA嵌入式項(xiàng)目開發(fā)實(shí)戰(zhàn)［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2009.