礦用本質(zhì)安全型線陣列X射線接收箱設(shè)計

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)國家重點實驗室，重慶 400037)

0 引言

鋼絲繩芯輸送帶作為煤礦煤流運輸?shù)闹饕ぞ遊1]，需要定期對輸送帶進(jìn)行無損探傷，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、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損探傷的主要手段[4-6]，其檢測原理：利用X射線照射正在運轉(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，從而實現(xiàn)輸送帶無損探傷。

線陣列X射線接收箱作為煤礦鋼絲繩芯輸送帶無損探傷的關(guān)鍵部件，可設(shè)計為礦用隔爆型或礦用本質(zhì)安全(下文簡稱本安)型。礦用隔爆型線陣列X射線接收箱一般選用工業(yè)探傷用線陣列探測板，僅能適應(yīng)低帶速且?guī)俸愣ǖ妮斔蛶o損探傷[7-10]；針對寬帶面輸送帶無損探傷，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，煤礦輸送帶運行速度隨載荷的變化而波動[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)實時采集輸送帶運行速度。鑒于此，筆者以FPGA為核心控制器，設(shè)計了一種礦用本安型線陣列X射線接收箱，可實現(xiàn)鋼絲繩芯輸送帶X射線圖像數(shù)據(jù)及輸送帶運行速度實時采集、高速傳輸?shù)裙δ埽瑵M足煤礦對高帶速、寬帶面的鋼絲繩芯輸送帶X射線無損探傷的需求。

1 總體方案

礦用本安型線陣列X射線接收箱由信號探測板和信號處理板組成，如圖1所示。

圖1 礦用本安型線陣列X射線接收箱組成

信號探測板采集透過輸送帶的X射線信號并生成線陣列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，信號探測板采用像元間距1.6 mm的X射線探測器，每塊信號探測板搭載4個X射線探測器，每個X射線探測器具備16個探測通道，因此每塊信號探測板的檢測寬度為100.8 mm。

信號處理板集中處理信號探測板采集的線陣列X射線圖像數(shù)據(jù)，同時采集輸送帶運行速度，通過千兆以太網(wǎng)接口將數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)控計算機(jī)供成像軟件進(jìn)行圖像重構(gòu)。我國生產(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，信號處理板設(shè)計4條總線，每條總線級聯(lián)6塊信號探測板，因此，礦用本安型線陣列X射線接收箱的檢測寬度為2.4 m。此外，信號處理板實現(xiàn)本安電源的過流、過壓保護(hù)及電壓等級變換，并通過總線為信號探測板供電。

2 硬件設(shè)計

2.1 信號探測板

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

圖2 信號探測板硬件框圖

信號探測板的本安設(shè)計：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，級聯(lián)的多塊信號探測板電源輸入端的電容并聯(lián)；DC/DC電源變換模塊設(shè)計二級過流保護(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150 ℃；DC/DC電源變換模塊的輸出端設(shè)計二級過壓保護(hù)，當(dāng)模塊輸出端發(fā)生過壓時，通過晶閘管保護(hù)電路將電源輸入端對地短路，引起電源輸入端的二級過流保護(hù)電路動作，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?？偩€接口輸入的6.5 V電源經(jīng)過二級過流保護(hù)電路后，通過LDO電源芯片轉(zhuǎn)換為5.0 V電壓，再通過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射線探測器采用SF-XD-16HS，每個探測器集成16通道碘化銫晶體和光電二極管。探測器將接收的X射線信號轉(zhuǎn)換為可見光，再通過光電二極管轉(zhuǎn)換為電流信號。

A/D轉(zhuǎn)換模塊將X射線探測器輸出的電流信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。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，采用雙積分切換實現(xiàn)一個積分器進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，另一個積分器同時進(jìn)行輸入電流積分，提高芯片的轉(zhuǎn)換速率。A/D轉(zhuǎn)換芯片積分時間可低至166 μs，而X射線探測器的像元間距為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)計語言實現(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。

總線接口信號包括1路時鐘信號、1路信號處理板到信號探測板的下行數(shù)據(jù)信號、1路信號探測板到信號處理板的上行數(shù)據(jù)信號。時鐘和數(shù)據(jù)信號均通過M-LVDS收發(fā)器驅(qū)動，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)動能力，信號傳輸速率高，能滿足信號探測板與信號處理板之間的數(shù)據(jù)高速、可靠傳輸需求。

2.2 信號處理板

信號處理板主要包括DC/DC電源變換模塊、FPGA、存儲器、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 信號處理板硬件框圖

信號處理板的本安設(shè)計：信號處理板將輸入的12 V/2.6 A本安電源降壓變換為2路6.5 V電源為信號探測板和信號處理板供電。2路電源均設(shè)計二級過流保護(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150 ℃。一路電源給總線接口1、總線接口2上的信號探測板供電，限流1.2 A，另一路電源給總線接口3、總線接口4上的信號探測板供電，并為信號處理板供電，限流1.6 A。

存儲器包括SDRAM，EEPROM，F(xiàn)lash：SDRAM選用IS42S16160G芯片，作為程序運行內(nèi)存；EEPROM選用24LC32A芯片，用于配置參數(shù)存儲；Flash選用EPCS64SI16N芯片，用于FPGA程序存儲，上電時FPGA自動從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先通過保險絲和TVS管實現(xiàn)過流過壓保護(hù)，然后通過RC電路濾波，再通過LM339比較器實現(xiàn)脈沖整形，整形后的脈沖信號經(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

礦用本安型線陣列X射線接收箱的軟件設(shè)計包括信號探測板及信號處理板FPGA程序設(shè)計、信號處理板嵌入式軟件設(shè)計。FPGA程序是以Verilog HDL語言在Quartus II開發(fā)環(huán)境編寫。嵌入式軟件程序采用C語言編寫，在Nios II開發(fā)環(huán)境編譯，運行在信號處理板FPGA的Nios II軟核上。

3.1 信號探測板FPGA程序

信號探測板FPGA程序?qū)崿F(xiàn)的功能包括接收信號處理板發(fā)送的配置及控制命令、啟動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)送到信號處理板。信號探測板FPGA程序狀態(tài)轉(zhuǎn)換如圖6所示。

圖6 信號探測板FPGA程序狀態(tài)轉(zhuǎn)換

(1)FPGA上電及收到信號處理板下發(fā)的參數(shù)配置命令時進(jìn)入“初始化/配置”狀態(tài)，產(chǎn)生100 ms的低電平對各電路進(jìn)行初始化，然后從EEPROM中讀取配置參數(shù)，對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)收到信號處理板下發(fā)的參數(shù)配置命令時進(jìn)入“初始化/配置”狀態(tài)，當(dāng)收到信號處理板下發(fā)的啟動采集命令時進(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)換時序信號，由A/D轉(zhuǎn)換模塊周期性地將X射線信號轉(zhuǎn)換為圖像數(shù)據(jù)。當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換模塊的數(shù)據(jù)有效信號為高電平時進(jìn)入“數(shù)據(jù)緩存”狀態(tài)，當(dāng)收到信號處理板下發(fā)的停止采集命令時進(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)并寫入內(nèi)部RAM。當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送脈沖信號為高電平時進(jìn)入“數(shù)據(jù)發(fā)送”狀態(tài)，當(dāng)收到信號處理板下發(fā)的停止采集命令時進(jìn)入“等待”狀態(tài)。

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

3.2 信號處理板FPGA程序

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

圖7 信號處理板FPGA程序狀態(tài)轉(zhuǎn)換

(1)信號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)收到信號處理板發(fā)送的啟動采集命令時進(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，接收信號探測板傳輸?shù)木€陣列X射線圖像數(shù)據(jù)，對數(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)寫入RAM后進(jìn)入“UDP發(fā)送”狀態(tài)，當(dāng)收到信號處理板發(fā)送的停止采集命令時進(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，對數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性要求高，采用2片RAM按照乒乓切換的方式對數(shù)據(jù)依次進(jìn)行處理和封裝，奇偶行數(shù)據(jù)分別寫入不同的RAM中。第1個緩存周期，將數(shù)據(jù)寫入RAM1中，處理和傳輸RAM2中的數(shù)據(jù)；第2個緩存周期，將數(shù)據(jù)寫入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UDP包發(fā)送輸送帶X射線圖像數(shù)據(jù)和運行速度。當(dāng)收到信號處理板發(fā)送的停止采集命令時進(jìn)入“待機(jī)/配置”狀態(tài)。

3.3 信號處理板嵌入式軟件

信號處理板嵌入式軟件與監(jiān)控計算機(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?？刂?、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)及輸送帶速度信號的采集和傳輸。信號處理板嵌入式軟件流程如圖8所示。

圖8 信號處理板嵌入式軟件流程

4 測試驗證

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。信號探測板與信號處理板實物如圖9所示。

(a)信號探測板

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)重慶防爆電氣檢驗站進(jìn)行了圖紙審查及火花點燃試驗，經(jīng)評估和測試，樣機(jī)滿足本安設(shè)計要求。

在礦用輸送帶X射線探傷實驗室進(jìn)行了輸送帶成像試驗，試驗現(xiàn)場如圖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 試驗現(xiàn)場

圖11 輸送帶X射線透視圖像

5 結(jié)語

礦用本安型線陣列X射線接收箱由信號探測板和信號處理板組成：信號探測板采用X射線探測器和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射線信號并轉(zhuǎn)換為線陣列X射線圖像數(shù)據(jù)；信號處理板通過M-LVDS收發(fā)器及FPGA實現(xiàn)24塊信號探測板圖像數(shù)據(jù)的同步高速采集和處理，同時可實時采集輸送帶運行速度，并通過千兆以太網(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。