方崇全

(1.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400039；2.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400037)

0 引言

鋼絲繩芯輸送帶作為煤礦煤流運(yùn)輸?shù)闹饕ぞ遊1]，需要定期對(duì)輸送帶進(jìn)行無(wú)損探傷，以發(fā)現(xiàn)輸送帶內(nèi)部鋼絲繩接頭硫化不規(guī)范、接頭抽動(dòng)、斷繩、銹蝕、劈絲等安全隱患[2-3]。目前，采用X射線透視成像是鋼絲繩芯輸送帶無(wú)損探傷的主要手段[4-6]，其檢測(cè)原理：利用X射線照射正在運(yùn)轉(zhuǎn)的輸送帶，由線陣列X射線接收箱采集經(jīng)輸送帶衰減后的X射線并生成線陣列X射線圖像數(shù)據(jù)，監(jiān)控計(jì)算機(jī)中的成像軟件根據(jù)線陣列X射線圖像數(shù)據(jù)重構(gòu)輸送帶二維透視圖像，從而實(shí)現(xiàn)輸送帶無(wú)損探傷。

線陣列X射線接收箱作為煤礦鋼絲繩芯輸送帶無(wú)損探傷的關(guān)鍵部件，可設(shè)計(jì)為礦用隔爆型或礦用本質(zhì)安全(下文簡(jiǎn)稱本安)型。礦用隔爆型線陣列X射線接收箱一般選用工業(yè)探傷用線陣列探測(cè)板，僅能適應(yīng)低帶速且?guī)俸愣ǖ妮斔蛶o(wú)損探傷[7-10]；針對(duì)寬帶面輸送帶無(wú)損探傷，礦用隔爆型線陣列X射線接收箱的隔爆外殼加工困難，且隔爆外殼質(zhì)量大[11-12]，在輸送帶上安裝非常不便。此外，煤礦輸送帶運(yùn)行速度隨載荷的變化而波動(dòng)[13]，為了等比例重構(gòu)輸送帶二維透視圖像，線陣列X射線接收箱應(yīng)實(shí)時(shí)采集輸送帶運(yùn)行速度。鑒于此，筆者以FPGA為核心控制器，設(shè)計(jì)了一種礦用本安型線陣列X射線接收箱，可實(shí)現(xiàn)鋼絲繩芯輸送帶X射線圖像數(shù)據(jù)及輸送帶運(yùn)行速度實(shí)時(shí)采集、高速傳輸?shù)裙δ?，滿足煤礦對(duì)高帶速、寬帶面的鋼絲繩芯輸送帶X射線無(wú)損探傷的需求。

1 總體方案

礦用本安型線陣列X射線接收箱由信號(hào)探測(cè)板和信號(hào)處理板組成，如圖1所示。

圖1 礦用本安型線陣列X射線接收箱組成

信號(hào)探測(cè)板采集透過(guò)輸送帶的X射線信號(hào)并生成線陣列X射線圖像數(shù)據(jù)。不同縱向拉伸強(qiáng)度輸送帶的鋼絲繩直徑為3.0～15.0 mm[14]，為了能夠分辨直徑3.0 mm的鋼絲繩，信號(hào)探測(cè)板采用像元間距1.6 mm的X射線探測(cè)器，每塊信號(hào)探測(cè)板搭載4個(gè)X射線探測(cè)器，每個(gè)X射線探測(cè)器具備16個(gè)探測(cè)通道，因此每塊信號(hào)探測(cè)板的檢測(cè)寬度為100.8 mm。

信號(hào)處理板集中處理信號(hào)探測(cè)板采集的線陣列X射線圖像數(shù)據(jù)，同時(shí)采集輸送帶運(yùn)行速度，通過(guò)千兆以太網(wǎng)接口將數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)控計(jì)算機(jī)供成像軟件進(jìn)行圖像重構(gòu)。我國(guó)生產(chǎn)的礦用鋼絲繩芯輸送帶寬度為800～2 200 mm[15]，為滿足帶寬2.2 m的輸送帶成像需求，信號(hào)處理板設(shè)計(jì)4條總線，每條總線級(jí)聯(lián)6塊信號(hào)探測(cè)板，因此，礦用本安型線陣列X射線接收箱的檢測(cè)寬度為2.4 m。此外，信號(hào)處理板實(shí)現(xiàn)本安電源的過(guò)流、過(guò)壓保護(hù)及電壓等級(jí)變換，并通過(guò)總線為信號(hào)探測(cè)板供電。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 信號(hào)探測(cè)板

信號(hào)探測(cè)板主要包括DC/DC電源變換模塊、X射線探測(cè)器、A/D轉(zhuǎn)換模塊、FPGA、M-LVDS(Multipoint Low Voltage Differential Signaling，多點(diǎn)低電壓差分信號(hào))收發(fā)器和總線接口等，如圖2所示。

圖2 信號(hào)探測(cè)板硬件框圖

信號(hào)探測(cè)板的本安設(shè)計(jì)：電源輸入端采用雙二極管串聯(lián)進(jìn)行隔離，防止電路故障的情況下，級(jí)聯(lián)的多塊信號(hào)探測(cè)板電源輸入端的電容并聯(lián)；DC/DC電源變換模塊設(shè)計(jì)二級(jí)過(guò)流保護(hù)，限制電源能量，使電路元件在正常和故障狀態(tài)下的熱效應(yīng)均不超過(guò)150 ℃；DC/DC電源變換模塊的輸出端設(shè)計(jì)二級(jí)過(guò)壓保護(hù)，當(dāng)模塊輸出端發(fā)生過(guò)壓時(shí)，通過(guò)晶閘管保護(hù)電路將電源輸入端對(duì)地短路，引起電源輸入端的二級(jí)過(guò)流保護(hù)電路動(dòng)作，從而切斷電源，防止電源電壓施加在輸出端的電容上。

DC/DC電源變換模塊電路如圖3所示。總線接口輸入的6.5 V電源經(jīng)過(guò)二級(jí)過(guò)流保護(hù)電路后，通過(guò)LDO電源芯片轉(zhuǎn)換為5.0 V電壓，再通過(guò)Buck降壓電路轉(zhuǎn)換為3.3，2.5，1.2 V電壓給FPGA和M-LVDS收發(fā)器供電。

圖3 DC/DC電源變換模塊電路

X射線探測(cè)器采用SF-XD-16HS，每個(gè)探測(cè)器集成16通道碘化銫晶體和光電二極管。探測(cè)器將接收的X射線信號(hào)轉(zhuǎn)換為可見(jiàn)光，再通過(guò)光電二極管轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)。

A/D轉(zhuǎn)換模塊將X射線探測(cè)器輸出的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。采用64通道并行高速A/D轉(zhuǎn)換芯片DDC264CK，該芯片集成電流積分電路和A/D轉(zhuǎn)換電路，采用雙積分切換實(shí)現(xiàn)一個(gè)積分器進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，另一個(gè)積分器同時(shí)進(jìn)行輸入電流積分，提高芯片的轉(zhuǎn)換速率。A/D轉(zhuǎn)換芯片積分時(shí)間可低至166 μs，而X射線探測(cè)器的像元間距為1.6 mm，因此礦用本安型線陣列X射線接收箱可適應(yīng)的輸送帶最高運(yùn)行速度為9.6 m/s。

FPGA選用Cyclone III系列芯片，利用Verilog HDL硬件設(shè)計(jì)語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換控制、數(shù)據(jù)接收、總線數(shù)據(jù)收發(fā)等功能。

總線接口信號(hào)包括1路時(shí)鐘信號(hào)、1路信號(hào)處理板到信號(hào)探測(cè)板的下行數(shù)據(jù)信號(hào)、1路信號(hào)探測(cè)板到信號(hào)處理板的上行數(shù)據(jù)信號(hào)。時(shí)鐘和數(shù)據(jù)信號(hào)均通過(guò)M-LVDS收發(fā)器驅(qū)動(dòng)，M-LVDS收發(fā)器共模電壓范圍為-1.0～3.4 V，抗干擾性強(qiáng)，具有30～50 Ω負(fù)載阻抗的差分線路驅(qū)動(dòng)能力，信號(hào)傳輸速率高，能滿足信號(hào)探測(cè)板與信號(hào)處理板之間的數(shù)據(jù)高速、可靠傳輸需求。

2.2 信號(hào)處理板

信號(hào)處理板主要包括DC/DC電源變換模塊、FPGA、存儲(chǔ)器、輸送帶速度采集接口、千兆以太網(wǎng)接口、M-LVDS收發(fā)器和總線接口等，如圖4所示。

圖4 信號(hào)處理板硬件框圖

信號(hào)處理板的本安設(shè)計(jì)：信號(hào)處理板將輸入的12 V/2.6 A本安電源降壓變換為2路6.5 V電源為信號(hào)探測(cè)板和信號(hào)處理板供電。2路電源均設(shè)計(jì)二級(jí)過(guò)流保護(hù)電路，保證降壓電路元件表面溫度在正常和故障狀態(tài)下均不超過(guò)150 ℃。一路電源給總線接口1、總線接口2上的信號(hào)探測(cè)板供電，限流1.2 A，另一路電源給總線接口3、總線接口4上的信號(hào)探測(cè)板供電，并為信號(hào)處理板供電，限流1.6 A。

存儲(chǔ)器包括SDRAM，EEPROM，F(xiàn)lash：SDRAM選用IS42S16160G芯片，作為程序運(yùn)行內(nèi)存；EEPROM選用24LC32A芯片，用于配置參數(shù)存儲(chǔ)；Flash選用EPCS64SI16N芯片，用于FPGA程序存儲(chǔ)，上電時(shí)FPGA自動(dòng)從Flash中加載程序。

輸送帶速度采集接口電路如圖5所示。安裝在輸送帶上的速度編碼器輸出的脈沖信號(hào)先通過(guò)保險(xiǎn)絲和TVS管實(shí)現(xiàn)過(guò)流過(guò)壓保護(hù)，然后通過(guò)RC電路濾波，再通過(guò)LM339比較器實(shí)現(xiàn)脈沖整形，整形后的脈沖信號(hào)經(jīng)高速光耦隔離后由FPGA采集。

圖5 輸送帶速度采集接口電路

3 軟件設(shè)計(jì)

礦用本安型線陣列X射線接收箱的軟件設(shè)計(jì)包括信號(hào)探測(cè)板及信號(hào)處理板FPGA程序設(shè)計(jì)、信號(hào)處理板嵌入式軟件設(shè)計(jì)。FPGA程序是以Verilog HDL語(yǔ)言在Quartus II開(kāi)發(fā)環(huán)境編寫(xiě)。嵌入式軟件程序采用C語(yǔ)言編寫(xiě)，在Nios II開(kāi)發(fā)環(huán)境編譯，運(yùn)行在信號(hào)處理板FPGA的Nios II軟核上。

3.1 信號(hào)探測(cè)板FPGA程序

信號(hào)探測(cè)板FPGA程序?qū)崿F(xiàn)的功能包括接收信號(hào)處理板發(fā)送的配置及控制命令、啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換、讀取A/D轉(zhuǎn)換模塊的數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)發(fā)送到信號(hào)處理板。信號(hào)探測(cè)板FPGA程序狀態(tài)轉(zhuǎn)換如圖6所示。

圖6 信號(hào)探測(cè)板FPGA程序狀態(tài)轉(zhuǎn)換

(1)FPGA上電及收到信號(hào)處理板下發(fā)的參數(shù)配置命令時(shí)進(jìn)入“初始化/配置”狀態(tài)，產(chǎn)生100 ms的低電平對(duì)各電路進(jìn)行初始化，然后從EEPROM中讀取配置參數(shù)，對(duì)A/D轉(zhuǎn)換等參數(shù)進(jìn)行配置，配置完成后進(jìn)入“等待”狀態(tài)。

(2)在“等待”狀態(tài)下，當(dāng)收到信號(hào)處理板下發(fā)的參數(shù)配置命令時(shí)進(jìn)入“初始化/配置”狀態(tài)，當(dāng)收到信號(hào)處理板下發(fā)的啟動(dòng)采集命令時(shí)進(jìn)入“A/D轉(zhuǎn)換”狀態(tài)。

(3)在“A/D轉(zhuǎn)換”狀態(tài)下，按照配置的積分參數(shù)產(chǎn)生A/D轉(zhuǎn)換時(shí)序信號(hào)，由A/D轉(zhuǎn)換模塊周期性地將X射線信號(hào)轉(zhuǎn)換為圖像數(shù)據(jù)。當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換模塊的數(shù)據(jù)有效信號(hào)為高電平時(shí)進(jìn)入“數(shù)據(jù)緩存”狀態(tài)，當(dāng)收到信號(hào)處理板下發(fā)的停止采集命令時(shí)進(jìn)入“等待”狀態(tài)。

(4)在“數(shù)據(jù)緩存”狀態(tài)下，讀取A/D轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換的圖像數(shù)據(jù)并寫(xiě)入內(nèi)部RAM。當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送脈沖信號(hào)為高電平時(shí)進(jìn)入“數(shù)據(jù)發(fā)送”狀態(tài)，當(dāng)收到信號(hào)處理板下發(fā)的停止采集命令時(shí)進(jìn)入“等待”狀態(tài)。

(5)在“數(shù)據(jù)發(fā)送”狀態(tài)下，按約定的總線時(shí)序依次將圖像數(shù)據(jù)發(fā)送到總線上。當(dāng)收到信號(hào)處理板下發(fā)的停止采集命令時(shí)進(jìn)入“等待”狀態(tài)。

3.2 信號(hào)處理板FPGA程序

信號(hào)處理板FPGA程序?qū)崿F(xiàn)的功能包括配置參數(shù)、接收信號(hào)探測(cè)板采集的線陣列X射線圖像數(shù)據(jù)、采集輸送帶運(yùn)行速度、緩存數(shù)據(jù)、通過(guò)UDP包傳輸數(shù)據(jù)至監(jiān)控計(jì)算機(jī)。信號(hào)處理板FPGA程序狀態(tài)轉(zhuǎn)換如圖7所示。

圖7 信號(hào)處理板FPGA程序狀態(tài)轉(zhuǎn)換

(1)信號(hào)處理板上電初始化處于“待機(jī)/配置”狀態(tài)，從EEPROM中讀取配置數(shù)據(jù)，配置相關(guān)參數(shù)。當(dāng)收到信號(hào)處理板發(fā)送的啟動(dòng)采集命令時(shí)進(jìn)入“數(shù)據(jù)接收”和“輸送帶速度采集”狀態(tài)。

(2)在“數(shù)據(jù)接收”狀態(tài)下，接收信號(hào)探測(cè)板傳輸?shù)木€陣列X射線圖像數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換后，進(jìn)入“RAM緩存”狀態(tài)。

(3)在“輸送帶速度采集”狀態(tài)下，完成輸送帶速度采集后，進(jìn)入“RAM緩存”狀態(tài)。

(4)在“RAM緩存”狀態(tài)下，當(dāng)數(shù)據(jù)寫(xiě)入RAM后進(jìn)入“UDP發(fā)送”狀態(tài)，當(dāng)收到信號(hào)處理板發(fā)送的停止采集命令時(shí)進(jìn)入“待機(jī)/配置”狀態(tài)。由于輸送帶X射線圖像數(shù)據(jù)量大，對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性要求高，采用2片RAM按照乒乓切換的方式對(duì)數(shù)據(jù)依次進(jìn)行處理和封裝，奇偶行數(shù)據(jù)分別寫(xiě)入不同的RAM中。第1個(gè)緩存周期，將數(shù)據(jù)寫(xiě)入RAM1中，處理和傳輸RAM2中的數(shù)據(jù)；第2個(gè)緩存周期，將數(shù)據(jù)寫(xiě)入RAM2中，處理和傳輸RAM1中的數(shù)據(jù)。

(5)在“UDP發(fā)送”狀態(tài)下，通過(guò)UDP包發(fā)送輸送帶X射線圖像數(shù)據(jù)和運(yùn)行速度。當(dāng)收到信號(hào)處理板發(fā)送的停止采集命令時(shí)進(jìn)入“待機(jī)/配置”狀態(tài)。

3.3 信號(hào)處理板嵌入式軟件

信號(hào)處理板嵌入式軟件與監(jiān)控計(jì)算機(jī)中的成像軟件建立可靠的Socket網(wǎng)絡(luò)通信后，接收成像軟件下發(fā)的啟停控制、參數(shù)配置、恢復(fù)出廠設(shè)置、設(shè)備復(fù)位等指令，并將接收的指令傳遞給FPGA程序，控制X射線數(shù)據(jù)及輸送帶速度信號(hào)的采集和傳輸。信號(hào)處理板嵌入式軟件流程如圖8所示。

圖8 信號(hào)處理板嵌入式軟件流程

4 測(cè)試驗(yàn)證

研制了礦用本安型線陣列X射線接收箱樣機(jī)，質(zhì)量為54 kg，約為相同檢測(cè)寬度(2.4 m)的隔爆型線陣列X射線接收箱質(zhì)量的1/6。信號(hào)探測(cè)板與信號(hào)處理板實(shí)物如圖9所示。

(a)信號(hào)探測(cè)板

研制的礦用本安型線陣列X射線接收箱樣機(jī)在煤炭工業(yè)重慶防爆電氣檢驗(yàn)站進(jìn)行了圖紙審查及火花點(diǎn)燃試驗(yàn)，經(jīng)評(píng)估和測(cè)試，樣機(jī)滿足本安設(shè)計(jì)要求。

在礦用輸送帶X射線探傷實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了輸送帶成像試驗(yàn)，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖10所示。X射線源在輸送帶寬度方向的照射角度為80°，X射線源焦點(diǎn)與輸送帶之間的距離大于0.6 m，X射線源發(fā)出的射線可覆蓋帶寬1 m的輸送帶。輸送帶X射線透視圖像如圖11所示，可清晰呈現(xiàn)輸送帶內(nèi)鋼絲繩劈絲情況。

圖10 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

圖11 輸送帶X射線透視圖像

5 結(jié)語(yǔ)

礦用本安型線陣列X射線接收箱由信號(hào)探測(cè)板和信號(hào)處理板組成：信號(hào)探測(cè)板采用X射線探測(cè)器和64通道并行高速A/D轉(zhuǎn)換模塊采集經(jīng)輸送帶衰減后的X射線信號(hào)并轉(zhuǎn)換為線陣列X射線圖像數(shù)據(jù)；信號(hào)處理板通過(guò)M-LVDS收發(fā)器及FPGA實(shí)現(xiàn)24塊信號(hào)探測(cè)板圖像數(shù)據(jù)的同步高速采集和處理，同時(shí)可實(shí)時(shí)采集輸送帶運(yùn)行速度，并通過(guò)千兆以太網(wǎng)接口傳輸數(shù)據(jù)。該礦用本安型線陣列X射線接收箱可實(shí)現(xiàn)高帶速、寬帶面的鋼絲繩芯輸送帶X射線透視成像，具有質(zhì)量小、安裝方便等特點(diǎn)。