高清晰度漏磁管道內檢測器主控系統(tǒng)的設計*

李 健，崔劍雷，劉 棟

(1.天津大學精密測試技術及儀器國家重點實驗室，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

常見的管道內檢測技術有漏磁通、渦流和超聲檢測技術等。但由于當前各類內檢測技術具有針對性和局限性，不能同時檢測出各種類型缺陷，經常會造成對不敏感缺陷的漏檢或缺陷評定誤差的增大。為了彌補這一不足，往往需要在同一管道內運行多種內檢測設備以便發(fā)現(xiàn)不同類型缺陷。這不僅提高了運行成本，而且增加了檢測過程中的風險。因此，提高管道內檢測技術探測能力、精度和可靠度，成為了內檢測技術一直努力探索的方向，高清晰度漏磁管道內檢測技術的研發(fā)正是基于這一需求的產物［1］。

目前，國外的高清晰度管道內檢測器制造技術已經很成熟。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，其對軸向焊縫開口寬度的檢測精度達到了0.1 mm［2］。但該技術屬于壟斷技術，我國每年為檢測管道缺陷花費巨大。因此，自主研制高精度管道檢測設備是十分必要的。

高清晰度漏磁管道內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生的磁通信號，實現(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，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，是本文設計的主控系統(tǒng)的難點和關鍵。

1 檢測器總體結構簡介

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，每個主探頭內包含10只霍爾傳感器。檢測時探頭緊貼管壁，采集到的磁場強度信號被存儲至位于記錄儀艙的存儲設備中。

電池組放置于電池艙內，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，每個探頭內包含10個線圈傳感器，用于辨別內外管壁缺陷。里程輪沿管壁轉動，每轉過0.12 rad(對應檢測器前進3.3 mm)發(fā)出一個脈沖，檢測器每收到一個脈沖完成一次數(shù)據(jù)采集。

主控系統(tǒng)位于記錄儀艙內，控制檢測器分別工作于調試模式和檢測模式。在調試模式，主控系統(tǒng)對檢測器中各傳感器進行調試，并實現(xiàn)與地面標記系統(tǒng)時鐘的同步;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，同時檢測電池電量以完成電源管理功能。

2 主控系統(tǒng)硬件設計

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，需要進一步增加探頭排列密度，減小采樣時間間隔。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)重新設計，本文設計的主控系統(tǒng)硬件構成如圖1所示。

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

本文設計的主控系統(tǒng)須在一次采樣時間間隔內(0.41～0.66 ms)同時采集144路數(shù)據(jù)。FPGA具有高速、可編程的優(yōu)點，本文以Altera公司的FPGA作為主控系統(tǒng)的前端，產品型號為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產品在電氣特性和機械特性上可靠性高，其中CPU板卡具有易操作、計算能力強的特點，同時支持PCI總線，可以連接高速外接設備。本文設計的主控系統(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，可完成檢測器在調試模式和采集模式下的工作。在調試模式下，CPU板卡通過RS—485串口與上位機通信，CPU接收到上位機調試指令后完成相應的調試工作。其中，主探頭、IDOD探頭的調試通過PCI9054接口芯片完成，溫度傳感器、姿態(tài)傳感器的調試通過RS—232串口完成，與地面標記器的主時鐘同步通過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，通過RS—232串口完成電池電量檢測工作。檢測結束后，主控系統(tǒng)從記錄儀艙取出，檢測數(shù)據(jù)通過千兆網口傳輸至上位機。

FPGA與PC104plus的連接選用PLX公司生產的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)直接通過芯片進入CPU板卡內存，而不用通過CPU將數(shù)據(jù)寫入內存，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，這對于本文設計的主控系統(tǒng)至關重要。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，設計選用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)軟件設計

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)程序開機自運行，若在系統(tǒng)程序運行的前20 s內外界進行干預，檢測器進入調試模式，若20s內無外界干預，檢測器進入采集模式。

3.1 調試模式軟件程序設計

檢測器在進入管道前需要在現(xiàn)場與上位機進行通信，對各部分進行調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行。由于調試現(xiàn)場存在潛在的爆炸性環(huán)境和地面標記系統(tǒng)的接口限制，本文設計的主控系統(tǒng)只采用串口通信的方式對主控系統(tǒng)進行調試。調試模式程序流程圖如圖3所示。

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

3.2 采集模式軟件程序設計

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

為了滿足數(shù)據(jù)傳輸速度這一技術指標，主控系統(tǒng)采用了DMA數(shù)據(jù)傳輸技術。軟件部分，使用PLX SDK對PCI9054DMA控制器進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，故本文設計中采用了BLOCK DMA傳輸方式，同時利用中斷配合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。

檢測器從進入管道直至檢測結束，會產生約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壓縮編碼結合的算法對數(shù)據(jù)進行了數(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，為了保證數(shù)據(jù)的連續(xù)傳輸和數(shù)據(jù)存儲的正常進行，主控系統(tǒng)使用了雙緩沖和多線程技術。雙緩沖開辟于PC104plusCPU板卡的內存中，單個緩沖區(qū)大小為32MB，兩者均可作為DMA數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪康牡刂?，其中一緩沖區(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，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 實驗結果

本文對該主控系統(tǒng)進行了實驗。實驗中對主控系統(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總線反復讀取緩存數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳輸方式采用DMA方式。實驗進行5次，每次實驗持續(xù)進行3 h，實驗結果如表1所示。

表1 實驗結果數(shù)據(jù)Tab 1 Datas of test result

實驗結果表明:數(shù)據(jù)正確率為100%，未發(fā)生數(shù)據(jù)錯誤和丟失。

5 結論

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

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

［2］宋小春，黃松嶺，趙 偉.天然氣長輸管道裂紋的無損檢測方法［J］.天然氣工業(yè)，2006(7):103-106，160.

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