涂 煊

（上海工業(yè)自動(dòng)化儀表研究院1，上海 200233；工業(yè)過(guò)程自動(dòng)化國(guó)家工程研究中心2，上海 200233）

基于WIA-PA的無(wú)線超聲檢漏裝置的設(shè)計(jì)

涂 煊1，2

（上海工業(yè)自動(dòng)化儀表研究院1，上海 200233；工業(yè)過(guò)程自動(dòng)化國(guó)家工程研究中心2，上海 200233）

基于WIA-PA技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種以TMS320VC5402最小系統(tǒng)為核心的新型無(wú)線超聲泄漏檢測(cè)裝置。通過(guò)搭建無(wú)線超聲檢漏硬件電路，并利用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)對(duì)泄漏所產(chǎn)生的超聲波強(qiáng)度信號(hào)進(jìn)行FIR濾波，再經(jīng)過(guò)FFT處理和計(jì)算得到泄漏量。通過(guò)WIA-PA無(wú)線通信模塊與DSP處理單元通信程序的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了泄漏數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸。經(jīng)測(cè)試，無(wú)線超聲檢漏裝置安裝方便、測(cè)量準(zhǔn)確、通信可靠。

WIA-PA 無(wú)線 超聲泄漏 數(shù)字信號(hào)處理（DSP） 快速傅里葉變換（FFT）

0 引言

目前在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，一個(gè)剛剛開(kāi)始且相當(dāng)令人矚目的應(yīng)用，就是借助無(wú)線超聲波檢漏裝置并輔以無(wú)線溫度變送器、無(wú)線壓力變送器等智能無(wú)線傳感器配合，組成無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)各種泄漏進(jìn)行檢測(cè)。其主要應(yīng)用于石油化工等工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中各類氣體管道的泄漏檢測(cè)，也包括在管道、精餾塔、反應(yīng)釜以及儲(chǔ)罐上安裝的各類閥門的泄漏檢測(cè)。如果應(yīng)用常規(guī)的人工檢測(cè)方式，將耗費(fèi)巨大的人力成本，而且對(duì)于管路、閥門發(fā)生的細(xì)小的泄漏，人工很難及時(shí)發(fā)現(xiàn)、定位和維修。對(duì)于一個(gè)大型石油化工廠在沒(méi)有發(fā)生任何大的泄漏事故的情況下，通過(guò)每五年對(duì)全廠的卸壓閥進(jìn)行的例行檢查發(fā)現(xiàn)，大約有30％以上的卸壓閥都存在一定程度上的泄漏情況，并且超過(guò)了規(guī)定的允許值。這將成為石油化工產(chǎn)品泄漏和環(huán)境污染的主要來(lái)源。

在工業(yè)環(huán)境下，采用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)來(lái)完成工業(yè)參數(shù)測(cè)量，由于其功耗低、安裝方便、整體成本低等優(yōu)勢(shì)，得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。本文通過(guò)采用以短程無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.15.4為基礎(chǔ)的、具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)規(guī)范（wireless networks for industrial automation-process automation，WIA-PA），設(shè)計(jì)具有低功耗、高靈敏度的無(wú)線超聲檢漏裝置，實(shí)現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)氣體管道以及閥門泄漏的精確測(cè)量。該裝置無(wú)需排線放線，安裝部署靈活，投資小，具有相當(dāng)大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和環(huán)保價(jià)值。

1 設(shè)計(jì)背景

1.1 泄漏原理

在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，當(dāng)閥門或管道上出現(xiàn)漏孔時(shí)，內(nèi)部有一定壓力的氣體就會(huì)從漏孔中泄漏出來(lái)。如果漏孔比較大，人耳可聽(tīng)到漏氣聲，憑人耳就可以判斷泄漏；如果漏點(diǎn)的尺寸較小，而且有較高的雷諾數(shù)，氣體從漏孔泄漏出來(lái)就會(huì)在漏孔附近形成湍流，并且會(huì)產(chǎn)生一定頻率的聲波。當(dāng)聲波頻率高于20 kHz時(shí)，人耳（20 Hz～20 kHz）就聽(tīng)不到了，屬于超聲波。泄漏超聲是湍流和噪聲的集合。由著名學(xué)者馬大猷教授推出的公式如式（1）所示［1］：

式中：L為與噴射垂直方向口1 m處的聲壓級(jí)，dB；D為噴口直徑，mm；D0=1 mm；P0為絕對(duì)壓力（環(huán)境大氣）；P為駐壓（泄漏孔）。

由上述公式可以看出，當(dāng)測(cè)量點(diǎn)位置與泄漏孔距離一定時(shí)，泄漏孔的尺寸變化及管道內(nèi)壓力的變化會(huì)引起泄漏超聲的聲壓級(jí)跟隨變化。泄漏超聲的聲波振動(dòng)頻率與漏孔的大小有關(guān)，其強(qiáng)度會(huì)隨著超聲聲源（泄漏孔）距離的增加而快速衰減。

同時(shí)，根據(jù)對(duì)管道、閥門氣體泄漏所產(chǎn)生的超聲的頻譜分析可以看出，由泄漏所產(chǎn)生的超聲聲波頻率范圍在10～100 kHz之間，但能量主要分布于10～50 kHz之間，并且氣體泄漏產(chǎn)生超聲波能量較大的頻率點(diǎn)是在40 kHz左右。在這個(gè)頻率點(diǎn)上，由泄漏所產(chǎn)生的超聲和本底噪聲的能量差值也最大。一般泄漏超聲與本底噪聲的頻譜分布如圖1所示［2］。

圖1 泄漏超聲與噪聲的頻譜分布Fig.1 Spectral distributions of the leakage noise and noise

從圖1可以看出，可以將超聲信號(hào)的中心頻率定在40 kHz左右，作為判斷管道、閥門是否有泄漏的參考點(diǎn)。通過(guò)對(duì)中心頻率附近超聲信號(hào)的強(qiáng)度檢測(cè)，確定管道、閥門是否有泄漏點(diǎn)存在，并估算出泄漏量的大小。由于超聲波具有良好的指向性，因而可以精確判斷漏點(diǎn)位置。

1.2 W IA-PA技術(shù)

WIA-PA技術(shù)是基于短程無(wú)線通信IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，使用符合中國(guó)無(wú)委會(huì)規(guī)定的自由頻帶，提供能夠滿足流程工業(yè)各種環(huán)境下應(yīng)用需求的高可靠、實(shí)時(shí)無(wú)線通信服務(wù)。通過(guò)使用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)WIA-PA技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)全流程的“泛在感知”，獲取傳統(tǒng)由于成本原因無(wú)法在線監(jiān)測(cè)的重要過(guò)程參數(shù)。WIA-PA兩層柘撲網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示［3］。

圖2 WIA-PA兩層拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Two-layer topological network structure ofWIA-PA

WIA-PA網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為上下兩層結(jié)構(gòu)（Mesh+ Cluster）。下層為由簇首和簇節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的星型結(jié)構(gòu)；上層為由冗余的網(wǎng)關(guān)和可兼作路由設(shè)備各簇首構(gòu)成的網(wǎng)狀（Mesh）結(jié)構(gòu)。通過(guò)兩層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，保證簇節(jié)點(diǎn)通過(guò)一跳就可將測(cè)量信息直接傳送給簇首，而不必去規(guī)劃、選擇無(wú)線傳輸?shù)穆窂?，從而提高了傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性，克服了網(wǎng)狀傳輸路徑的不確定性。通過(guò)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)（Mesh）的簇首的部署，實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)的靈活性，并可以提高網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中多路徑通信的抗干擾能力。WIA-PA網(wǎng)絡(luò)拓樸結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了在工業(yè)應(yīng)用環(huán)境下對(duì)無(wú)線通信的可靠性要求，同時(shí)也兼顧對(duì)無(wú)線傳輸?shù)拇_定性、實(shí)時(shí)性要求。

同時(shí)在WIA-PA數(shù)據(jù)傳輸中，數(shù)據(jù)格式采用超幀結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。WIA-PA的超幀結(jié)構(gòu)由活動(dòng)期與非活動(dòng)期兩部分組成。對(duì)不同網(wǎng)絡(luò)管理功能的時(shí)隙分配進(jìn)行了劃分?；顒?dòng)期又分為CAP（進(jìn)行設(shè)備加入，簇內(nèi)管理和重傳）和CFP（進(jìn)行移動(dòng)設(shè)備與簇首間的通信）；非活動(dòng)期則完成簇內(nèi)通信、簇間通信以及休眠，從而解決了無(wú)線傳輸數(shù)據(jù)的效率和處理無(wú)線傳輸?shù)馁Y源有限的矛盾。WIA-PA超幀結(jié)構(gòu)圖如圖3所示［3］。

圖3 WIA-PA的超幀結(jié)構(gòu)圖Fig.3 The superframe structure ofWIA-PA

WIA-PA協(xié)議在時(shí)間上采用時(shí)分多址技術(shù)（time devision multi-address，TDMA），在頻率上采用跳頻技術(shù)（frequency-hopping spread spectrum，F(xiàn)HSS），并且采用網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)與星型結(jié)構(gòu)的混合網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，在空間上形成可靠的路徑傳輸途徑。這使得看似簡(jiǎn)單但非常有效的通信協(xié)議具備自組織功能和網(wǎng)絡(luò)自愈能力，大大簡(jiǎn)化了無(wú)線終端設(shè)備安裝的復(fù)雜度，具備了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在工業(yè)環(huán)境下長(zhǎng)期穩(wěn)定的傳輸性能。

2 硬件設(shè)計(jì)

基于WIA-PA的無(wú)線超聲檢漏裝置硬件系統(tǒng)主要包括：泄漏超聲信號(hào)處理電路、電源電路、DSP處理電路（最小系統(tǒng)）、WIA-PA無(wú)線通信模塊等部分。系統(tǒng)所有電路采用模塊化設(shè)計(jì)，直接插在底板上，底板上留有JTAG調(diào)試接口。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

圖4 無(wú)線超聲泄漏檢測(cè)裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Systematic structure of the wirelessultrasonic leakage detector

2.1 泄漏信號(hào)采集電路

泄漏信號(hào)采集電路設(shè)計(jì)是本裝置的關(guān)鍵。泄漏信號(hào)采集電路先通過(guò)超聲傳感器的信號(hào)接入，通過(guò)低通濾波器、一級(jí)放大器，再經(jīng)帶通濾波放大，將超聲信號(hào)轉(zhuǎn)化為2 V左右的電壓信號(hào)；然后通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器，將其進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，并通過(guò)串行口輸出數(shù)據(jù)。具體電路如圖5所示。

圖5 信號(hào)采集硬件電路圖Fig.5 Hardware of data acquisition

無(wú)線超聲檢漏裝置的優(yōu)勢(shì)在于安裝方便，不需要接線，一般采用電池供電，所以首先要考慮的是系統(tǒng)的低功耗、低成本。在硬件設(shè)計(jì)中，對(duì)于所有元器件的選擇都遵循這個(gè)原則。

①前級(jí)放大

前級(jí)放大電路選用美國(guó)ADI公司的AD627。它采用單電源或雙電源（+2.2 V或±18 V）供電，工作時(shí)的最大功耗僅為85μA，只需要外接電阻就可以實(shí)現(xiàn)5～1 000倍的放大增益。根據(jù)所選擇的超聲波傳感器的輸入信號(hào)（10～15 mV），確定前級(jí)放大器的放大倍數(shù)，完成超聲信號(hào)的前級(jí)放大。

②帶通濾波

通過(guò)前置濾波處理后，我們選擇 ADI公司的OP777作為壓控電源二階帶通濾波器，通過(guò)本級(jí)可以將前置放大后的信號(hào)中的背景噪聲和元器件以及電路上產(chǎn)生的噪聲濾除。

由于OP777是精密雙通道軌到軌輸出單電源放大器，具有微功耗特性和軌到軌輸出范圍，輸出穩(wěn)定，在完成微弱信號(hào)放大濾波功能的同時(shí)，能有效降低噪聲和直流輸入偏差。

通過(guò)帶通濾波的傳遞函數(shù)為：

由于泄漏超聲信號(hào)的中心頻率為40 kHz，因此，根據(jù)計(jì)算，我們選擇設(shè)置合適的R、C參數(shù)，使得38～42 kHz信號(hào)能夠通過(guò)。并且通過(guò)跟隨電路LM324集成運(yùn)放，將濾波后的微伏信號(hào)放大到2 V左右，再穩(wěn)定地輸送到A/D轉(zhuǎn)換器輸入端。

③A/D轉(zhuǎn)換

Step 1 Consider the case of single-joint failure,confirm the fault joint and the optimized locked angle,and establish the degraded workspace Wfby the Monte Carlo method.

DSP與AD7685接口圖如圖6所示。

圖6 DSP與AD7685接口圖Fig.6 Interface between DSP and AD7685

A/D轉(zhuǎn)換器采用AD公司的AD7685，該處理芯片功耗低、采樣精度高、采樣速率快。由于AD7685可以通過(guò)以SPI帶中斷的三線或四線鏈接方式與外部芯片通信，所以本次設(shè)計(jì)采用三線制的SPI實(shí)現(xiàn)AD7685與DSP通信。

2.2 DSP最小系統(tǒng)

DSP最小系統(tǒng)是由中央處理單元及外圍電路構(gòu)成的最精簡(jiǎn)的模塊，其硬件電路圖如圖7所示。

圖7 D S P最小系統(tǒng)硬件電路圖F i g.7 H a r d w a r e o f D S P m i n i m u m s y s t e m

主控芯片采用美國(guó)德州儀器公司（TI）的高性能定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理芯片TMS320VC5402。該芯片功耗低、可編程、運(yùn)算速度快且具備高性能數(shù)字信號(hào)處理能力，非常適合信號(hào)與信息處理等領(lǐng)域。外圍電路包括：電源電路、復(fù)位電路、JTAG仿真接口、時(shí)鐘電路、外部存儲(chǔ)擴(kuò)展電路等。

中央處理主控芯片是整個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中核心處理部分。它通過(guò)同步串行接口完成對(duì)A/D轉(zhuǎn)換器操作，將傳送來(lái)的超聲泄漏數(shù)字信號(hào)做進(jìn)一步數(shù)據(jù)處理后；再通過(guò)SPI串行通信總線將經(jīng)過(guò)DSP處理好的數(shù)據(jù)傳輸給WIA-PA通信模塊；WIA-PA模塊實(shí)時(shí)將數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)上傳至上層監(jiān)控中心。

2.3 W IA-PA模塊

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件主要包括DSP信號(hào)處理程序和WIA-PA通信處理程序。

3.1 DSP信號(hào)處理程序

TMS320VC5402通過(guò)SPI總線對(duì)AD7685進(jìn)行配置，以控制其工作方式、數(shù)據(jù)速率等相關(guān)設(shè)置。從A/D轉(zhuǎn)換器采集到超聲泄漏信號(hào)后，在DSP中實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的數(shù)字處理，包括A/D采樣處理、數(shù)字濾波處理（FIR）、FFT變換求取信號(hào)的幅值，從而得到信號(hào)的聲強(qiáng)波。通過(guò)與WIA-PA無(wú)線模塊的通信程序，將數(shù)據(jù)傳輸給SiA2420，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)無(wú)線上傳。具體軟件處理流程如圖8所示。

圖8 DSP軟件處理流程圖Fig.8 DSP software processing flowchart

由上述傳遞函數(shù)公式，我們可以把FIR濾波器運(yùn)算看成為卷積運(yùn)算。由于超聲泄漏特征頻率中心點(diǎn)在40 kHz，因此可以截取濾波帶寬為39～41 kHz，采樣頻率選取為160 kHz。利用MAC指令和循環(huán)尋址，通過(guò)計(jì)算得到濾波器的51個(gè)系數(shù)值；從輸入端讀取樣本值，通過(guò)累乘運(yùn)算后，得到FIR濾波后的結(jié)果。結(jié)果以數(shù)組的形式進(jìn)行存儲(chǔ)。

經(jīng)過(guò)數(shù)字濾波處理后的信號(hào)通過(guò)傅里葉變換處理，可以完成超聲信號(hào)從時(shí)域到頻域的變換。離散傅里葉變換（discrete Fourier transform，DFT）的表達(dá)式如下：

為了消除前向通道產(chǎn)生的噪聲以及直流電壓的偏差，我們采用FIR濾波處理，運(yùn)用Hanning（漢寧）窗函數(shù)設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器，其傳遞函數(shù)為：

利用蝶形因子的對(duì)稱性和周期性，實(shí)現(xiàn)快速運(yùn)算，并對(duì)中間數(shù)值進(jìn)行歸一化處理，避免DSP運(yùn)算結(jié)果的溢出。處理程序如下。

3.2 W IA-PA通信處理程序

WIA-PA超聲泄漏檢測(cè)裝置完成初始化后，開(kāi)始持續(xù)監(jiān)聽(tīng)信道內(nèi)的信標(biāo)幀，接收到信標(biāo)后，選定簇首節(jié)點(diǎn)并完成時(shí)間同步。同時(shí)，裝置向簇首節(jié)點(diǎn)發(fā)出加入請(qǐng)求，簇首節(jié)點(diǎn)向WIA網(wǎng)絡(luò)管理者轉(zhuǎn)發(fā)該加入請(qǐng)求，網(wǎng)絡(luò)管理者接收到請(qǐng)求后返回加入響應(yīng)。簇首根據(jù)自身的通信資源情況以及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)漕愋拖蜓b置發(fā)出響應(yīng)；收到簇首發(fā)出的響應(yīng)后，狀態(tài)正確即加入到網(wǎng)絡(luò)中。如果響應(yīng)中status=Success，則該手持設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)，并將與DSP通信獲取的泄漏信息發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)管理者，完成數(shù)據(jù)無(wú)線上傳。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的基于WIA-PA的無(wú)線超聲泄漏檢測(cè)裝置可以安裝在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)一般工作人員不宜到達(dá)或難以觸及的地方，并可實(shí)現(xiàn)對(duì)閥門及管道氣體泄漏信號(hào)的低功耗、高精度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，通過(guò)無(wú)線方式上傳至監(jiān)控中心。該裝置對(duì)工業(yè)環(huán)境下各種氣體泄漏檢測(cè)都有相當(dāng)大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和環(huán)保價(jià)值。

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［8］IEC 62601 Ed.1.0.WIA-PA communication net-work and communication profile［S］.2009.

Design of the Wireless Ultrasonic Leakage Detector Based on WIA-PA

The new wireless ultrasonic leakage detector withminimum system of TMS320VC5402 as the core has been designed based on WIAPA technology.In the instrument，the wireless ultrasonic leakage detecting hardware circuit is built，by adopting digital signal processing technology and softwaremethod，the FIR filtering of ultrasonic intensity signal of leakage is conducted，and the amountof leakage is calculated through FFT processing.The wireless transmission of the leakage data is implemented through designing program of communication between WIA-PA wireless communication module and DSP processing unit.The tests show that the wireless ultrasonic leakage detector is easy for installation，accurate tomeasure leakage，and reliable for communication.

WIA-PA Wireless Ultrasonic leakage Digital signal processing（DSP） Fast Fourier transformation（FFT）

TP273

A

國(guó)家“863”計(jì)劃基金資助項(xiàng)目（編號(hào)：2011AA040103）。

修改稿收到日期：2014－06－24。

作者涂煊（1974－），男，1997年畢業(yè)于浙江大學(xué)工業(yè)自動(dòng)化專業(yè)，獲學(xué)士學(xué)位，高級(jí)工程師；主要從事智能制造、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等方向的研究工作。