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基于fpga的多传感器管道内漏磁检测系统
来源:pg电子游戏官网官方网站-pg电子竞技平台 发表于 2014/12/2

  摘要

  针对传统管道漏磁检测器检测精度的不足,提出了新式的基于fpga的高精度管道漏磁检测系统设计,以适应813 mm管径的管道检测任务。主要介绍了系统逻辑设计,实现了多达400路传感器漏磁 检测信号的采集与存储。该设计融合了多种总线协议,可有效解决管道漏磁检测中的采集速率、功耗和精 度的问题。经实验验证,方案切实可行,为设计高精度管道漏磁检测系统提供了新的pg电子游戏官网官方网站的解决方案。

  关键词:漏磁检测;现场可编程门阵列;spi总线;lvds串行收发器;

  0 引言

  铁磁性油气输送管道在长期使用后会因内外因素而造 成管壁腐蚀。腐蚀导致管道的输送安全系数日益降低,如 果缺陷处出现泄露不及时处理,极其可能出现严重的后果, 对管道的安全运行造成潜在的危机。管道内漏磁检测技术是利用漏磁检测原理,使用霍尔传感器检测磁化后的管道,达到缺陷检测的目的。目前,传 统管道漏磁检测器对于缺陷的探测、描述、定位及确定大小 的可靠性仍不稳定,不精确,需要改进的余地很大2。这 是因为传统的管道内检测器pg电子游戏官网官方网站-pg电子竞技平台数量较少,无法进行高 精度的缺陷检测,系统中传感器数据采集存储是依次进行的,一方面效率低,可靠性低,另一方面,功耗大,系统无法 进行长距离检测。

  本文针对这些问题,采用多级的现场可编程门阵列(fpga),利用其高速的并行处理能力,灵活可变的现场可 编程能力以及丰富的ip核资源,实现400只霍尔型传感器同时采集数据并及时存储,满足了高精度管道内漏磁检测器的所需精度要求。

  1 系统概述

  根据本系统设计的管道漏磁检测器外部为圆柱形结 构,可以分为漏磁检测、数据存储和设备电源3个部分,结构示意图如图1所示。漏磁检测主体外的圆周上均匀布置了5个集束器和80个检测探头,每个探头包含不同摆放方 向的5只霍尔传感器和控制采集的单片机,即共有400只 霍尔pg电子游戏官网官方网站-pg电子竞技平台同时进行信号采集,以获得高精度的管道检测数据;主控fpga的pci板卡与pc104-plus板卡作为数据 存储主体,确保大量传感器数据的传输与存储,后端为设备 电源部分;在数据存储主体部分的两侧安装有里程轮,用于记录内检测器走过的距离,并在运行中发送方波信号提示系统采集数据。


图1管道内检测器系统结构图与实物图

 

  2 系统硬件组成

  系统硬件组成可分为前端和后端两大部分,如图2所。

 

图2 系统前端与后端硬件结构图


  图2 (a)为前端数据采集结构,传感器采用可休眠线性 霍尔型传感器,具有5mv/gs的

检测精度,由单片机控制探 头内5只pg电子游戏官网官方网站-pg电子竞技平台电压信号的a/d转换,转换精度为8位。集束器端fpga选用altera的cyclonelll系列fpga,主要 控制单片机的spi传输和后端的lvds串行传输。

  图2 (a)为后端数据存储结构,pci9054总线控制芯片 作为主控fpga到pc104的总线控制器,使得pc104可以 直接通过pci方式读取主控fpga内部缓存数据。主控fpga 选

用 altera 公司的 stratix 的 ep1s20f484i6 型芯 片,具有20k的le逻辑资源,主控逻辑设计le单元使用率达75% ;内部静态ram大小为1.67 mbit,可实现8位地址总线,32位并行数据总线的双缓存乒乓设计,以满足大量 数据的缓存要求。

  3 系统逻辑设计

  3.1总体逻辑设计

  系统总体逻辑设计框图如图3所示。系统运行过程中,里程轮会随着检测器运行的距离变化发出周期性的方 波信号,主控fpga通过倍频的方式使其满足设计要求的 采样频率,并行发送至前端数据采集系统,确保前端各单片 机同时进行a/d转换。探头内由单片机负责依次a/d转 换5只霍尔pg电子游戏官网官方网站-pg电子竞技平台感应到的磁通信号,通过spi总线将采 集到的数据发送回集束器端的fpga;5组集束器端的fp-ga通过lvds串行收发器同时将前端数据发送到主控fp-ga,当主控fpga内部缓存满后,发送使能信号到pci9054 桥芯片,通知pc104工控机读取fpga的内部缓存数据,并 将数据及时存储到固态硬盘设备中。


  图3系统逻辑框图


  3.2spi总线接口模块与fifo缓存模块

  集束器端fpga作为spi总线传输的主机端,提供2 mhz的spi时钟信号,16路单片机做为从机端,同时接收 spi时钟信号并发送数据。基于本系统庞大的前端传感器 数量与单向的数据传输结构,只采用了主机输入/从机输出 数据线miso, spi时钟线sck和使能信号线spics 3的三 线形式即可完成spi传输。spics信号默认为高电平,会根 据里程轮方波信号翻转变为低电平,单片机接收到低电平 后开始a/d转换数据和spi传输,在单次spi数据传输中 spics始终保持低电平状态。通过设置异fifo缓存模块 读写时钟和进出数据位宽,可协调spi接收模块与钟和进出数据位宽,可协调spi接收模块与lvds发 送器数据不同位宽和数据传输频率不同的问题,前端spi 数据传输的流程如图4所示。

  3.3 lvds差分串行收发器模块

  根据内检测器结构设计,从集束器fpga到主控fpga 的信号走线距离为4~5m,这种长度的走线一方面对较高频率的数据传输信号衰减比较严重,另一方面会增加信号干扰,降低信噪比,严重会导致数据接收出错。因此,采用 差分信号进行两级fpga之间的数据传输,它与普通单端 信号走线相比有3个明显的优势:抗干扰能力强、能有效抑制emi、时序定位精确。



图4 前端spi数据传输流程图


  系统采用了 altera公司提供的lvds差分串行收发 器ip核,方便快捷地实现了差分串行数据传输:通过配置 lvds发送器的端口位宽、通道数及传输速度,集束器端fpga可将fifo缓存输出的并行4位数据转为串行数据发送到主控fpga,主控fpga通过lvds接收器将串行数据 解串为并行数据存入内部缓存中。串行收发器经实际测试 可达400 mbps,远远满足系统数据传输速度要求。

  4 漏磁检测数据分析

  将管道内漏磁检测系统置于813 mm管径的直线测试 管道中进行牵引实验,管道总长118 m,运行平均速度为 1.2m/s,经上位机软件分析得出的各通道pg电子游戏官网官方网站-pg电子竞技平台数据如 图5,图6所示。



图5管道内漏磁检测原始数据图


图6 管道44.70~47.00m段7通道传感器数据分析图    



  图5为通过软件分析得出的40.00~48.00m的其中120路管道漏磁检测原始数据图,横轴

表示检测器运行距 离,竖轴从上至下为均匀分布在管道检测器外部圆周上的 各通道传感器漏磁数据,图下方为记录距离的里程轮方波信号。

  图6表示图5其中一段44.70~47.00m处管道的7个通道pg电子游戏官网官方网站-pg电子竞技平台数据图,管壁无缺陷处的电压值为1.5v,变化 范围为0~3v之间,46.62m处各路传感器信号电压值同时 下降到0.72v左右的位置应为管道该段的环焊缝所在位置。管道实际焊缝位置与系统测量得出的位置对比结果如 表1所示。


  表1管道焊缝位置测量结果



  从对比结果可知,测量出的管道焊缝位置与实际焊缝 位置基本一致,且通过分析各通道pg电子游戏官网官方网站-pg电子竞技平台电信号变化的长 度幅度,可如实反映出实际管壁上缺陷的大小深度,说明系 统数据传输存储稳定可靠,可实际应用于813 mm的大管径 管道的检测任务。

  5 结论

  本系统使用的stratix系列的fpga具有丰富的逻辑资 源,优秀的速度以及大容量的内部静态ram,实现了多达 400路漏磁pg电子游戏官网官方网站-pg电子竞技平台信号的并行采集和快速存储,通过fpga 的功耗分析工具优化系统逻辑设计,可使系统整体功耗低 于75w,与传统管道内漏磁检测系统相比大大降低了功耗, 使系统适应长距离的管道检测,实验结果充分证明了系统 数据传输的准确性,为管道检测及其他需求多传感器数据 采集存储的工程领域提供了一个值得借鉴的设计方案。(作者:尚林\李一博\陈世利\刘栋)

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