（物理电子学专业论文）x光强力输送带无损检测系统通信和图像处理软件的研究.pdf

摘要 目前强力输送带已广泛应用于矿山、港口和建筑等领域，是国内外现代化生 产中主要的传送设备之一。在设备运行过程中，强力输送带的接头可能会因受力 过大而抽动、伸长甚至断开；内部的钢丝绳芯可能会因胶皮破损而受水的侵蚀导 致锈蚀、断裂，或者因其与胶带的粘合力下降而脱落。一旦发生故障，将会造成 巨大的经济损失和人员伤亡，严重影响安全生产。 本文提出了x 光强力输送带无损检测系统的设计方案，在无损探测器硬件设 计的基础上，开发了其以太网接口，利用x i l i n x 集成开发环境e d k 与x i l k e r n e l 操作系统在p o w e r p c 4 0 5 处理器硬核上移植了t c p i p 协议栈l w l p ，设计了系统 中的无损探测器与主机之间的通信软件，实现了强力输送带图像的实时传输。采 用图像增强、图像复原、图像的几何变换、图像分割等算法对强力输送带图像进 行了处理，提出了判定接头伸长和计算输送带强度的算法，并利用c # n e t 集成 开发环境在w i n d o w sx p 平台上开发了系统的处理软件，实现了强力输送带图像 的实时处理和故障检测。 实验表明该系统能够实现强力输送带图像的实时传输、处理和检测，传输速 率可达6 4 0 m b p s ，发生输送带接头伸长超过1 0 2 4 m m 或输送带的强度减少到标准 强度的1 0 以上等故障时能够及时报警，适用于煤矿生产中强力输送带的实时 检测。该系统具有稳定性、检测精度较高，软件界面操作简便，在矿山、港口和 建筑等领域中具有广泛的应用前景。 关键词：以太网；图像处理；强力输送带；x 光；无损检测 a b s t r a c t t h e c o n v e y e rb e l tw i t hs t e e lw i r er o p e sh a s b e e nw i d e l yu s e di nm i n e s ，p o r t sa n d d o c k s i ti so n eo ft h em a i nt r a n s m i s s i o ne q u i p m e n t sf o rt h em o d e r n i z e dp r o d u c t i o n a l lo v e ft l l ew o r l d d u et oi t sl o a d sa r ei n c r e a s e d ，s c r a t c h e db yo b s t a c l e s ，a g i n ga n d s o o n , t h e ye a s i l yc a u s et h es t e e lw i r er o p e sc o r r o s i o n ，f r a c t u r ea sw e l l a st h ej o i n t e l o n g a t i o n i nc a s eo fab r e a k d o w no fw h i c h w i l lc a u s eh u g ee c o n o m i cl o s s e sa n d c a s u a l t i e s ，a n dt h es a f e t yo fp r o d u c t i o nw i l lb es e r i o u s l yi n f l u e n c e d t h i st h e s i sp r e s e n t sad e t a i l e dd e s i g np r o g r a mb a s e do nx r a yn o n _ d e s t r u c t i v e t e s t i n gt oc o n v e y e rb e l tw i t hs t e e lw i r er o p e s o n t h eb a s i so ft h eh a r d w a r ed e s i g no f n o n d e s t n 】c t i v ed e t e c t o r , e t h e m e ti n t e r f a c ei sd e v e l o p e d ，a n dt h el w l p i st r a n s p l a n t e d b yu s i n gx i l i n xi n t e g r a t e dd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n te d k a n dx i l k e r n e lo p e r a t i n g s y s t e m ，c o m m u n i c a t i o n s o f t w a r eb e t w e e nt h en o n d e s t r u c t i v ed e t e c t o r a n dt h e m a i n f r a m ei sd e s i g n e d i tr e a l i z e st h er e a l - t i m ei m a g et r a n s m i s s i o no ft h ec o n v e y e r b e l tw i t hs t e e lw i r er o p e s b yu s i n gt h ea l g o r i t h mo fi m a g ee n h a n c e m e n t ，l m a g e r e s t o r a t i o n ，i m a g eg e o m e t r yt r a n s f o r ma n di m a g es e g m e n t a t i o nf o rp r o c e s s m gt h e c o n y e y e rb e l tw i t hs t e e lw i r er o p e s ，j o i n te l o n g a t i o nd e t e r m i n a t i o na l g o r i t h m a n db e l t i n t e n s i t yc a l c u l a t i o na l g o r i t h ma r ep r e s e n t e d a sw e l la sas y s t e mt m a g ep r o c e s s m g s o f t w a r ei sd e v e l o p e db yu s i n gm ec 撑n e tp r o g r a m m i n gd e s i g nl a n g u a g ei nt h e p l a t f o r mo fw i n d o w sx p , i tr e a l i z e st h ef u n c t i o no fr e a l t i m ei m a g et r a n s m i s s i o n ， p r o c e s s i n ga n df a i l u r ed e t e c t i o nt ot h ec o n v e y e r b e l tw i t hs t e e lw i r er o p e s t h et e s t si n d i c a t et h a tt h i ss y s t e mc a na c h i e v er e a l - t i m et r n a g et r a n s m l s s l o n ， p r o c e s s i n ga n dt e s t i n go f t h ec o n v e y e rb e l t t h et r a n s m i s s i o nr a t ei su pt o6 4 0m b p s i tc a nf i n dt h ef a u l to f10 2 4 m mj o i n te l o n g a t i o no r10 b e l ti n t e n s i t yd e c r e a s ea n d g i v ea l a r mt i m e l y a tt h es a m et i m e i t p r o v i d e s as i m p l ea n dc o n v e n i e n t a p p l i c a t i o np r o s p e c t s i so fh i g hs t a b i l i t ya n dd e t e c t i o na c c u r a c ya n d o p e r a t i o ns o f t w a r e i n t e r f a c e i th a sb r o a d k e y w o r d s ：e t h e r n e t ，i m a g ep r o c e s s i n g ，c o n v e y e rb e l tw i t hs t e e lw i r er o p e s ，x - r a y , n o n - d e s t r u c t i v et e s t i n g 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得丞望互些太堂或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： p 茂 签字日期：沙擗1 月j 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解云洼王些太堂有关保留、使用学位论文的 规定。特授权云洼王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同 意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：卜心1 薯 签字日期：砂略年1 月i 玷 导师签名： 签字日期：础年f 月f 厂日 学位论文的主要创新点 在分析和比较无损检测方法的基础上，提出了x 光强力输送带 无损检测系统通信与图像处理软件的设计方案。 采用以太网技术和t c p i p 协议，运用e d k 集成开发环境和 x il k e r n e l 操作系统在p o w e r p c 4 0 5 处理器上移植了l w i p 协议 栈，编写了通信软件，实现了无损探测器与上位机之间的千兆 以太网通信。 采用图像处理算法对强力输送带图像进行了处理，提出了判定 接头伸长和计算输送带强度的算法，并利用c # n e t 集成开发环 境在w i n d o w sx p 平台上开发了系统的图像处理软件，实现了x 光强力输送带图像的实时处理和检测。 第一章引言 第一章引言 1 1x 光强力输送带无损检测技术的研究现状 强力输送带也称钢绳夹芯输送带，是以纵向定间距、等张力排列的镀锌钢丝 绳为骨架材料，外覆不同性能的芯胶、覆盖胶经成型、硫化而成。它因具有抗拉 强度与抗疲劳强度高、承受动载与过载能力强及工作平稳可靠等优点在煤矿、码 头、冶金、建筑行业的运输、牵引等中得到广泛应用。在年生产能力达百万吨以 上的大型煤矿中，煤炭的运输主要采用强力输送带，同时随着煤矿工业的发展、 综合机械化程度的提高和生产能力的增强，强力输送带的使用量也日益增加，一 条龙的煤炭输送系统的矿井屡见不鲜。例如，山西某煤业集团从8 0 年代中期开 始大规模使用强力输送带，至今登记在册的输送机已达8 0 0 台，强力输送带长度 共计5 0 多万米。随着煤矿的进一步开拓，输送机数量在不断增加，强力输送带 已成为煤炭运输不可替代的设备。 每条标准强力输送带长度为1 0 0 米左右，多条标准强力输送带连接起来组成 几千几十千米的输送带。在长期运行中，几千几十千米长的强力输送带会由于 荷载量增加，被障碍物划伤及老化等原因造成接头伸长、甚至拉断，内部的钢绳 芯锈蚀、断裂，钢绳芯与胶带的粘合力下降而脱落等故障【1 】【2 】【3 】，一旦发生故障 将造成设备的损坏，运输物料的损耗，甚至引发重大安全事故，严重影响安全生 产。普通型强力输送带使用寿命为8 1 5 年，每条输送带长以2 0 0 0 米计算，需经 费2 0 0 多万元。强力输送带断裂一次的直接经济损失达到数十万元，造成停产后 的间接经济损失将达到数百万元。1 9 9 4 年5 月至7 月，山东省七五煤矿的输送 机连续两次发生断带事故，每次均造成直接经济损失约1 0 万元，间接损失高达 2 5 0 余万元。2 0 0 3 年7 月，华亭煤业集团公司砚北煤矿主井的强力输送带发生断 带事故，造成了停产1 0 天的严重后果【4 】【5 1 。由于没有可靠的检测设备，为了安全 起见，有些还能够正常使用强力输送带每8 年也需要更换，造成了极大的浪费， 增加了生产成本。为了保证强力输送带安全、可靠的运行，避免事故发生，增加 使用寿命，节约成本，对强力输送带进行无损检测具有十分重要的作用。 无损检测( n d t ) 是指以不损伤其将来使用和使用可靠性的方式，对材料或 制件进行宏观缺陷检测，对几何特性、化学成分、组织结构和力学性能变化进行 评定，并进而就材料或制件的适用性进行评价的- - i - 学科【6 1 。世界各国都非常重 视无损检测技术，大力开展了无损检测技术的研究工作。例如，美国为保持它在 世界上科学技术的领先地位，在1 9 7 9 年的政府工作报告中提出将成立六大科技 中心，其中之一就是无损检测技术中心。日本在现代化工业中生产中坚持普遍采 第一章引言 用无损检测技术，大大提高了其产品质量，占领了广泛的国际市场。德国是工业 发达国家中无损检测与评价技术方面比较先进的国家，这是德国的机器制造业水 平保持领先水平的重要因素之一。俄国对无损检测技术也很重视，政府给九个无 损检测中心提供了大量资金。我国随着工业发展的需要，无损检测技术得到了迅 速的发展，很多工业部门近年来加强了无损检测技术的应用。由此可见，无损检 测技术的发展是一个国家的现代化工业水平的标志之一，其复杂系统集成技术己 经广泛应用于交通、制造、建筑、石油、核发电站及国防等工业领域，渗透到工 业结构与产品的全寿命质量控制与质量管理中，同样也适用于煤矿生产中强力输 送带的检测。 八十年代以来，各国学者利用不同的无损检测方法对强力输送带的检测问题 进行了广泛的研究，但其中只有电磁感应法和射线检测法在强力输送带的无损检 测实践中得到了应用和推广。 澳大利亚学者a 哈里森首先采用电磁感应方法对强力输送带进行了无损检 测，并研制出c b m 强力输送带钢绳芯探测装置，这种方法在八十年代后期广泛用 于德国、南非、加拿大、美国等地的采矿工业【7 】，该项技术的应用使对危险的高 张力钢绳芯输送带的检测成为可能。后来美国和德国的科学家进一步改进了该项 技术，研制出了精度更高的新一代c b m 检测器，图卜l 为c b m 检测器的示意图， 它由上下两个传感器和固定架组成，通过上下两个传感器对中间强力输送带内的 钢丝绳进行检测，检测信号进行处理、显示就可以知道钢丝绳的受损情况。但是 这个检测器需要上下两个电磁传感器，同时需要较大的压力使上下两个传感器紧 压住输送带，这样不仅增大了输送带的磨擦力，而且容易造成抖动现象。 图卜1c 蹦检测器 在我国，华中科技大学、煤科总院上海分院、太原理工学院、哈尔滨工业大 学等单位也利用电磁感应的原理研制出强力输送带钢绳芯检测装置。但该装置只 能给出输送带的结果曲线，大致测出钢绳芯输送带断裂的位置和程度，不能直接 显示输送带的内部图像；该装置探伤周期较长，其精确位置和详细状况还要辅助 2 第一章引言 设备来判断，存在准确性差、显示不直观、不能远程检测等缺点，而且当带内有 纵向撕裂保护丝网时，更不易探测【8 】。2 0 0 3 年，山西华宁贝尔测控科技有限公司 采用电磁检测传感器研制出了钢绳芯输送带实时在线检测装置【9 l ，主要用于对钢 绳芯输送带断绳、接头抽动等故障的检测和定位。该系统采用数字信号处理器 ( d s p ) 作为系统的下位机进行数据的采集、控制和传输，保证了系统的可靠性 和显示、处理的快速跟随性。但是，电磁检测信号易受工作环境、周围磁场的干 扰，导致系统稳定性差、精度低；工作人员不能对输送带内部钢绳芯的状况进行 全面的了解，检测结果不直观。 1 9 9 3 年，中国矿业大学( 北京) 采用射线检测法对强力输送带进行了无损 检测，研制出了强力运输带横向断裂预报装置【10 1 ，它的原理框图如图1 - 2 所示。 团 图卜2 强力运输带横向断裂预报装置 该装置采用光电二极管阵列对穿过输送带的x 光进行光电转换，转换后的图 像信号经过处理后上传到p c 机，p c 机显示强力输送带内钢绳芯的状态并辨别其 是否有锈蚀、断绳，接头是否有伸长等现象。这套装置解决了钢绳芯定量检测的 技术难题，但是，该系统受当时的软硬件技术的限制，存在检测速度慢( 带速小 于0 6 m s ) 、精度低( 分辨率为2 5 m i n x 2 5 r a m ) 、不具备远程实时检测等缺点，很 大程度上限制了它的使用和推广。 1 2 课题研究的目的和意义 本课题的目的是采用x 光探测技术对强力输送带无损检测系统通信和图像 处理软件进行研究。提出强力输送带无损检测系统的设计方案；设计并开发以太 网通信接口，编写通信软件，实现无损探测器与上位机之间的以太网通信；研究 图像处理算法，编写其图像处理软件，实现强力输送带图像的实时传输、处理和 检测功能；研制出一种在煤矿等领域使用的基于x 光的强力输送带无损检测系 统。 该系统能够远程实时检测强力输送带的图像，发生输送带接头伸长超过 3 第一章引言 1 0 2 4 m m 或强度减少到标准输送带的1 0 以上等故障能及时报警，特别适用于煤 矿生产中输送带的检测；能够避免生产中重大安全事故的发生、设备停产和人员 伤亡，减少经济损失，提高生产效率，具有显著的经济效益和社会效益，在煤矿、 港口和建筑等领域中具有广泛的应用前景。 1 3 课题研究的内容 本文在分析了国内外x 光强力输送带无损检测技术的基础上，对x 光强力输 送带无损检测系统的设计方案、以太网通信、图像处理算法、图像处理软件等方 面进行了研究。 归纳起来，本文主要研究内容如下： ( 1 ) 分析研究国内外常用的无损检测方法，提出x 光强力输送带无损检测 系统通信与图像处理的设计方案； ( 2 ) 开发其以太网接口，利用x i l k e r n e l 操作系统在p o w e r p c 4 0 5 处理器上 移植轻量级网络协议( l w i p ) ，编写通信软件，实现强力输送带图像的于兆以太网 传输； ( 3 ) 采用图像增强、图像复原、图像几何变换、图像分割等算法对强力输 送带图像进行了处理，并提出判定接头伸长和计算输送带强度的算法； ( 4 ) 采用c # n e t 集成开发环境和模块化程序设计的方法在w i n d o w sx p 平 台上设计图像处理软件，实现强力输送带图像的处理和故障的实时检测功能。 4 第二章x 光强力输送带无损检测系统的设计方案 第二章x 光强力输送带无损检测系统的设计方案 2 1 无损检测的方法 长期以来人们在实践中形成了多种实用的无损检测方法，现阶段最常用的基 本是超声检测法、磁粉检测法、渗透检测法、电磁检测法和射线检测法。下面将 对这几种方法的原理进行分析，对它们的优缺点进行比较，选择出本课题最佳的 无损检测方法以确定系统的设计方案。 1 超声检测法 超声检测法包括超声脉冲反射、超声透射、超声共振、超声成像、超声频谱 和电磁超声等方法。超声波在同一均匀介质中传播时速度不变，传播方向也不变， 如果传播过程中遇到另一种介质，就会发生反射、折射或绕射现象。如果物体内 部存在缺陷，则缺陷会使超声波产生反射现象，然后根据反射波幅的大小、方位， 就能判定缺陷的存在。 超声检测法具有灵敏度高，指向性好、穿透力强、检测速度快等优点。它既 可以检测材料的表面缺陷，也可以检测内部缺陷，尤其对裂纹、叠层和分层等平 状缺陷，具有很强的检出能力。它的缺点是检测结果无直接见证记录，物体的材 质、晶粒度会对检测产生影响。 2 磁粉检测法 磁粉检测法是利用漏磁和适当的检验介质发现试件表面和近表面的不连续 性的无损检测方法。铁磁性材料被磁化后，其内部会产生很强的磁感应强度，磁 力线密度会增大几百倍到几千倍，如果材料中存在不连续，磁力线就会发生畸变， 部分磁力线有可能会逸出材料表面，从空间穿过，形成漏磁场。同时，因空气的 磁导率远低于零件的磁导率，使磁力线受阻，一部分磁力线挤到缺陷的底部，一 部分穿过裂纹，一部分排挤出工件的表面后再进入工件，因而这后两部分磁力线 就会形成磁性较强的漏磁场。如果这时在工件上撒上磁粉，漏磁场就会吸附磁粉， 形成与缺陷形状相近的磁粉堆积( 磁痕) ，从而显示缺陷。 磁粉检测法主要用于检测铁磁性材料表面和近表面的缺陷。它可以检出表面 开口的缺陷，但无法检出埋藏缺陷或闭口型的表面缺陷；且检测程序多，速度慢； 磁粉材料较贵，成本高；有些材料有毒、易燃，易造成安全事故。 3 渗透检测法 渗透检测法主要包括液体渗透检测、滤出粒子检测、挥发液检测等方法。渗 透检测是利用液体的毛细管作用，将渗透液渗入固体材料表面开口缺陷处，再通 过显象剂将渗入的渗透液吸出到表面，显示出缺陷的存在。零件表面被施涂含有 5 第二章x 光强力输送带无损检测系统的设计方案 荧光染料或着色染料的渗透液后，经过一定的时间，在毛细管作用下渗透液就可 以渗进表面开口的缺陷中。除去零件表面多余渗透液后，在零件表面施涂显像剂， 同样在毛细管的作用下，显像剂将吸引缺陷中保留的渗透液，渗透液渗到显像剂 中，在一定的光源下，缺陷中的渗透液痕迹就被显示出来，从而探出缺陷的形状 及分布状态。 渗透检测法几乎可以检测除疏松多孔性材料外的任何材料，如钢铁材料、有 色金属、陶瓷材料和塑料等，操作一次就可完成检测形状复杂的缺陷，也可容易 地观察缺陷的痕迹。渗透检测法不需水电，方便现场检测，但是试件表面粗糙度 与操作人员技术水平对检测结果影响较大。 4 电磁检测法 电磁检测法利用铁磁性部件缺陷在外部强磁场作用下产生漏磁的现象来检 测物体的缺陷。检测时，首先在强力输送带内钢绳芯的轴向外加磁场，如果钢绳 芯中存在缺陷，就会在钢绳芯表面产生漏磁场，或者引起钢绳芯磁路中磁通量的 变化，然后采用磁敏感元件检测磁场的畸变从而获得有关钢绳芯缺陷的信息。电 磁检测法的装置主要由两部分组成，一是磁化钢绳芯的励磁装置，二是检测磁场 的电磁检测装置，如图2 一l 所示。励磁装置对钢绳芯磁化的程度直接关系着缺陷 能否被检出以及整个检测器的体积和重量。磁检测装置是检测器的关键部分，直 接关系着缺陷检测的空间位置分辨、程度分辨力、信噪比和灵敏度等。 l 姒探头l f 探头 图2 - 1 电磁检测的原理 绳芯 根据钢绳芯的结构和缺陷特征，一般通过两种方法进行检测，一是局部缺陷 检测法( l f ) ，二是截面积损耗型检测法( l m a ) 【l l 】。为了准确反映物体内部的 缺陷情况，通常同时使用两种方法进行检测，l f 法通过测量钢绳芯表面局部区 域中的漏磁场获得信息，主要检测断丝、锈蚀等引起局部突变磁场的缺陷；l m a 法通过测量磁化回路中主磁通的变化获得信息，主要检测磨损、锈蚀等引起钢绳 6 第二章x 光强力输送带无损检测系统的设计方案 芯横截面中金属总截面积的缺陷。 5 射线检测法 射线检测法是利用射线( x 射线、y 射线、中子射线等) 穿过材料或工件时 的强度衰减来检测其内部结构是否连续性的无损检测方法。在工业应用中，射线 检测技术大体上可分为射线照相检测技术( 胶片照相法) 、射线实时成像检测技 术、射线层析检测技术等。 射线( 如x 光) 对不同物质的穿透能力是不同的，其穿透率随被照材料材质、 厚度及密度而不同。当强力输送带内部钢绳芯有拉长或断裂时，因缺陷部位对射 线吸收力比正常部位低，故透过的光的强度比正常部位大，因而感光器件接收到 的光强比正常部位大，x 光的检测原理如图2 - 2 所示。 瓣缝潭 ll 土 l竣錾( ) 辜 x l 6 。l i j 窿磅 图2 - 2x 光的检测原理 若x 光强度为j o ，透过物体和缺陷后的光强度分别为j 。和j x 。则： j s = j o e 哪 ( 1 一1 ) j x = j o e 州6 哪 ( 1 - 2 ) 透过缺陷和物体光强度之比为： j x j 5 - e ( 1 - 3 ) 其中，为衰减系数，j 为照射方向上的缺陷尺寸。 可见沿x 光透射方向的缺陷尺寸z 越大，衰减系数越大，则有无缺陷的 强度差越大，j x j 。的值越大，图像上的亮度差异越明显【1 2 】，利用图像处理技术 分析图像灰度，可确定透过物体的缺陷程度。 综上所述，超声检测法无法检测平行与物体表面的缺陷，检测结果无直接见 证记录；磁粉检测法只能用于材料表面和浅表面的探伤，检测前还需进行表面处 理；渗透检测法只能检测出物体表面开口的缺陷，对环境污染大。因此，以上三 种方法皆不适用于强力输送带的实时检测。根据人们多年来的实践经验和研究成 果，电磁检测法和射线检测法更适用于强力输送带的实时检测，从两种方法的检 7 第二章x 光强力输送带无损检测系统的设计方案 测原理可见，电磁检测法可检测钢绳芯的断头、锈蚀、接头伸长等缺陷，操作简 单、轻便，能实现自动化检测。但是它有检测精度低、受周围磁场的干扰大等缺 点。与电磁检测法相比，射线检测法的主要优点是： ( 1 ) 检测结果显示直观； ( 2 ) 检测结果可定性、定量分析，并可长期保存； ( 3 ) 检测结果受周围的环境影响较小。 考虑到强力输送带图像直观显示、实时检测的要求和强力输送带工作环境的 特殊性，射线检测法是本课题的最佳选择。 2 2 系统组成和工作原理 x 光强力输送带无损检测系统主要由x 光发生器、x 光探测器( 包括x 光探 测卡、图像采集板和图像处理传输板) 、以太网通信系统、上位机等部分组成， 其组成框图如图2 3 所示。 图2 - 3 系统组成框图 输送带 该系统的工作过程是从x 光发生器输出的x 光穿过运行着的强力输送带照射 到x 光探测卡的硅光电二极管一维阵列上，转换成为包含强力输送带内钢绳芯图 像信息的可见光，x 光探测卡通过光电转换把可见光转换成为模拟电压信号。电 压信号经过图像采集板的信号调理和a d 转换后，形成数字信号，数字信号进入 图像处理传输板进行偏移校准和平均化处理等处理，然后通过以太网接口将处理 后的图像信号传输到上位机( p c 机) ，上位机利用图像处理软件对接收到的图像 8 第二章x 光强力输送带无损检测系统的设计方案 信号进行处理和动态实时显示。图像处理软件除了能进行图像显示、分析和处理 的基本功能外，还能够运用接头伸长判定算法和输送带强度计算算法对强力输送 带的接头伸长、锈蚀、断裂等情况进行提取和判断，井在超标时给出报警信号， 同时可通过操作随时存储图像，以供今后进一步的研究和处理。由于采用了以太 网传输技术，故可咀通过局域网共享图像数据，便于远程传输与控制。 2 3x 光发生器 x 光发生器是系统中无损检测所需的x 光发生装置，主要包括控制箱和射线 源，它们分别完成高压控制和x 光产生的功能。本课题选用北京机电股份生产的 t _ 1 4 0x 光发生器，该产品是北京机电股份引进德国技术开发研制的高科技产品， 其出射射线剂量均匀、性能稳定、安全系数高。t 一1 4 0 x 光发生器具体参数如表 21 所示。 表2 1 t 一1 4 0 x 光发生器的参数表 系统组成控制箱+ 射线源 出射射线扇面( 6 0 。) 焦点尺寸08 08 1 n 管端高压1 4 0 k v ( 母高1 6 0 k v 口) 阳极电流 输出功率i o o w ( 连续工作) 工作电源 c2 2 0 v 5 0 h z 外形尺寸控制箱1 3 2 x 4 8 2 x 2 5 0 岫 接口形式 2 5 针 温度 相对湿度 8 0 x 光发射器内部的x 光管、x 光发生器及控制箱实物如图2 4 、图25 和图 2 - 6 所示。 黼黼 * i ”- _ j w ” 图2 - 4x 光管实物图图2 - 5x 光发生器图2 - 6x 光控制箱 第二章x 光强力输送带无损检测系统的设计方案 2 4x 光探测卡 x 光探测卡由闪烁体、硅光电二极管、积分电路和放大电路等部分组成，它 将射线探测单元xc a r d 排列成一个阵列，并直接与专业集成电路( a s i c ) 连接 在一起，它的结构如图2 7 所示。探测卡接收到穿透强力输送带的x 光，首先通 过闪烁体将x 光转换成可见光，光电二极管受到可见光的照射，将光信号转化为 电信号，再经一个6 4 通道、放大倍数可变的c o m s 芯片转化为电压信号串行输出。 月烁体 射 线 图2 7x 光探测 的结构图 根据课题的设计要求，综合比较国内外厂商如芬兰d t 公司、德国y x l o n 公 司、英国e t l 公司同类产品的性能、分辨率、价格等，最后选定芬兰d t 公司生 产的xs c a n 作为x 光探测卡，它特殊的制造工艺可以保证探测卡能承受高能量 x 光的照射。xs c a n 探测卡中每个s i 光电二极管的受光面积为15 m i n x l5 m ， 像素数目为8 0 0 ，它的具体参数如表2 - 2 所示。结合计算机图像采集和处理中的 一般规律，为了一次性检测输送带全部截面，本课题采用3 2 块x - c a r d 并列形成 长度大约为1 6 m 的一维阵列。 表2 - 2 探测卡工作参数表” x 射线管电压范围( k v ) 3 1 6 0 k v 晶体材料 0 0 s 转换屏 像素中心问距 15 m m 像素宽度 l5 硼 像素数目 8 0 0 感光区总长 1 2 r a m 传送速度范围 01 m s 2o m s a d 转换分辨率 l d b i t s 敏感单元枝准功能线阵探测器单元像素补偿 工作电压 a c 2 2 0 v 1 1 5 v 5 0 t l z 6 0 h z 功耗不超过5 0 v a 工作温度 o m o 存储温度 一l 5 0 存储和工作的相对湿度 3 0 8 0 第二章x 光强力输送带无损检测系统的设计方案 2 5 图像采集板 图像采集板主要由模数转换器( a d c ) 、数据通道、连接器、模拟开关和时序 控制器组成，它的功能是通过四个数据通道采集模拟电压信号并对其进行a d 转 换，它的结构如图2 - 8 所示。 图2 - 8 图像采集板的结构框图 为了达到实时检测的目的和足够的检测宽度，本课题采用两块图像采集板同 时采集x 光图像，且每个图像采集板连接1 6 块xc a r d 。x 光探测卡输出的模拟 电压信号首先从4 个数据通道进入图像采集板，再通过模拟开关进入a d c 转换成 1 6 位的数字信号。模数转换器采用德州仪器( t i ) 生产的a d s 8 4 2 2 ，它是一种1 6 位逐次逼近寄存器( s a r ) 模数转换器，速率可达到4 m s p s 。a d s 8 4 2 2 具有卓越的 a c 和d c 规格，其他性能还包括内部4 0 9 6 v 参考电压、参考缓冲器和单电源运 作等。它在一4 0 8 5 的工业温度范围内可正常工作，可以理想地运用于各种高 要求的应用中。时序控制器采用x ili n x 生产的x c 9 5 1 4 4 x l ，它可以产生精确的 时序信号来控制模拟开关和a d c 的转换工作。 2 6 图像处理传输板 7 图像处理传输板主要由图像处理与传输控制器、数据存储器、连接器和p h y 芯片组成，它的功能是对接收到的x 光图像数字信号进行偏移校准和平均化处理 等处理，然后通过以太网接口将处理后的图像信号传输到上位机，它的结构如图 2 - 9 所示。 第二章x 光强力输送带无损检测系统的设计方案 图2 - 9 图像处理传输板的结构框图 一个图像处理传输板最多可以连接8 块图像采集板。按照设计要求，本课题 中图像处理传输板通过连接器同时与两块图像采集板并行连接。图像处理与传输 用f p g a 实现，控制器采用x i l i n x 生产的v i r t e x v m - 4 系列中的v i r t e x 一4f x ， 它将高级硅片组合模块( a s m b l 俐) 架构与种类繁多的灵活功能相结合，大大提高 了可编程逻辑设计能力，从而成为替代专用集成电路( a s i c ) 技术的强有力产品。 它包含了p o w e r p c 4 0 5 处理器、三态以太网媒体访问控制( m a c ) 、6 2 2 m b s 6 5 g b s 串行收发器、专用d s ps 1 i c e 、高速时钟管理电路和源同步接口块等庞大阵列的 硬i p 核，保证了x 光图像处理与传输的实时性和可靠性。 1 2 第三章以太网标准与t c p i p 协议 第三章以太网标准与t c p i p 协议 3 1 以太网的网络体系结构 以太网是在7 0 年代中期由x e r o x 公司p a l o a l t o 研究中心推出的。由于传输 介质技术的发展，x e r o x 将许多机器相互连接，形成巨型打印机，这就是以太网 的原型。接着，x e r o x 公司推出了带宽为2 m b s 的以太网，并与i n t e l 和d e c 公 司合作推出了带宽为l o m b s 的以太网，这就是通常所称的以太网，后来经 i e e e ( 电子电气工程师协会) 8 0 2 委员会的修改并通过，成为i e e e 的正式标准， 并编号为i e e e 8 0 2 3 ，使以太网成为i e e e 8 0 2 体系中第一个标准化的局域网标准。 最后，i e e e 将它提交给国际标准化组织( i s o ) 第一联合技术委员会( j t c l ) ，经过 再次修订成为国际标准i s 0 8 8 0 2 - 3 t 1 4 】，被全球工业制造商所承认和采纳。以太网 最典型的应用形式是e t h e r n e t + t c p i p e l 5 l ，即灵活的e t h e r n e t 底层加上己成通 用标准的t c p i p 协议，使得以太网能够非常容易地集成到以i n t e r n e t 和w e b 技 术为代表的信息网络中。这一突出优点，加上能够满足各种要求的足够带宽、开 放性的统一标准、低廉的成本，促使以太网在工业领域得到越来越多的关注。 i e e e 8 0 2 3 在制定时突出的一个基本思想是将系统进行逻辑划分，并研究如 何连接在一起。i s o 组织把网络按其功能划分为七个功能层，每层都完成一个特 定功能，在网络数据通信的过程中，每层完成一个特定的任务。传输数据时，各 层接收到上层格式化后的数据，对数据进行操作，然后把它传给下层。接收数据 时，各层接收到下层传过来的数据，对数据进行解包，然后把它传给上层。这种 模型就是o s i 参考模型，它的结构如图3 - 1 所示。 7 i应用层卜卜叫 应用层 r + 。_ _ _ _ - 。r 。1 。1 6 至三 三叵 5 i 会话层 i 叫 会话层 i ，- 1r - 1 1 。_ jl _ j 4 i运输层卜卜叫 运输层 l i _ j i 一 3 玉叵 一 玉叵 2 堕困 堕困 - 至叵 至亘 1 3 第三章以太网标准与t c p i p 协议 o s i 参考模型是一种异构系统互连的分层结构。它提供了控制互连系统交互 规则的标准骨架，定义了一种抽象结构。相同层的实体为同等层实体，同等层实 体之间通信由该层的协议管理，相同层间的接口定义了原语操作和低层向上层提 供的服务。它所提供的公共服务是面向连接或无连接的数据服务。直接的数据传 输仅在最低层实现，每层完成所定义的功能，修改本层的功能不会影响其他层。 链路层是为网络层提供数据传输服务的，数据链路层将本质上不可靠的传输 媒体变成可靠的传输通路提供给网络层。在以太网中，数据链路层分成两个子层， 一是逻辑链路控制层( l l c ) ，一是媒体访问控制层( m a c ) 【1 6 】【l7 1 ，以太网的体系 结构如图3 - 2 所示。 图3 - 2以太网的体系结构 m a c 子层的主要功能是帧的封装拆封、比特差错检测、寻址和介质访问控制 协议的实现，l l c 子层的主要功能是连接管理( 建立和释放数据连接) 、提供与高 层的接口、帧的差错控制、帧编号及流量控制。数据链路层的分割可以使以太网 体系结构能适应多种传输媒体，换言之，在l l c 不变的条件下，只需改变m a c 便 可适应不同的媒体和访问方法。 3 2 千兆以太网技术 为了保证x 光强力输送带图像能实时的传输和显示，本课题选用千兆以太网 技术来传输图像信号。千兆以太网与l o m b p s 、l o o m b p s 以太网一样，使用 i e e e 8 0 2 3 制定的帧格式与全双工操作方式，遵循i e e e 8 0 2 3 制定的流量控制方 法和管理目标，是速度更快的以太网技术【1 引。 1 4 7 6 5 4 3 2 l 第三章以太网标准与t c p i p 协议 3 2 1 千兆以太网m a c 控制器与p h y 芯片的选择 千兆以太网m a c 控制器是千兆以太网技术得以实现的关键，它可以用来连接 多个不同局域网的网段，扩展局域网覆盖的区域。在嵌入式微处理器中，以太网 m a c 控制器变得越来越普遍。本课题选用x i l i n x 生产的v i r t e x 一4f x 系列f p g a 架构中集成的三态以太网媒体访问控制器( t e m a c ) 核。这个t e m a c 核能够以 l o i b p s 、l o o m b p s 和1 0 0 0 m b p s 的速率发送和接收数据，并且支持媒体独立接口 ( m i i ) 、千兆媒体独立接口( g m i i ) 、简化g m i i ( r g m i i ) 、串行g m i i ( s g m i i ) 和1 0 0 0 b a s e - t 接口。t e m a c 嵌入在每个v i r t e x - 4f x 器件中，因而始终不占用 f p g a 的资源。x i l i n x 还提供一个可参数化的处理器本地总线( p l b ) 接口用于提 供对t e m a c 核的连接，并提供器件控制寄存器( d c r ) 总线，用于连接p o w e r p c 4 0 5 ， 它的结构如图3 - 3 所示。 图3 - 3t e m a c 的结构框图 t e m a c 核有四个用于发送和接收的大小可变的先进先出缓存器( f i f o ) 和一 个s c a t t e r s a t t e r g a t h e r 直接内存访问( d m a ) 引擎，可以大大简化构建嵌入式 p o w e r p c 系统的过程。本课题中配置的p l b _ t e k a c 使用了s c a t t e r g a t h e rd m a ， 包括接收( r x ) 和发送( t x ) 硬件数据重新对齐引擎( d r e ) 以及校验和卸载( c s o ) ， 并且通过g m i i 与p h y 连接。 1 5 第三章以太网标准与t c p i p 协议 p h y 芯片实现的是模型的物理层。它定义了数据传送与接收所需要的电信号 与光信号、线路状态、时钟基准、数据编码和电路等，并向数据链路层设备提供 标准接口，它包括g m i i 子层、物理编码( p c s ) 子层、物理介质附加( p m a ) 子 层、物理介质相关( p m d ) 子层、媒体相关接口( m d i ) 子层。p h y 接收到m a c 过 来的数据时，每4 b i t 就增加l b i t 的检错码，然后把并行数据转化为串行数据流， 再按照物理层的编码规则进行数据编码，最后转化为模拟信号把数据发送出去， 接收数据的流程反之。p h y 芯片还有一个重要的功能就是实现c s m a c d ( c a r r i e r s e n s em u l t i p l ea c c e s sw i t hc o l l i s i o nd e t e c t i o n ) 1 9 】的部分功能。它可以检 测到网络上是否有数据在传送，如果有数据在传送中就等待，一旦检测到网络空 闲，就再等待一个随机时间后将数据发送出去。如果双方碰巧同时发送数据，必 然将造成冲突。这时候，冲突检测机构可以检测到冲突，然后各等待一个随机的 时间重新发送数据【2 们。本课题采用m a r v e l l 公司开发的8 8 e 1 1 1 1 ，它是一个高性 能p h y 芯片，几乎可以完成所有物理层( p h y ) 的功能。它支持全双工或半双工 的1 0 0 0 b a s e t 【2 1 1 以太网，支持千兆以太网热交换，是一款支持1 0 0 0 b a s e - t 千兆 最短路径优先( s f p ) 模块的控制芯片。它具备g m i i 、l o - b i t 接口( t b i ) 和r e d u c e d t b i 接口( r t b i ) ，支持集成的串行化和媒体检测( m e d i ad e t e c t ) 特性和虚拟 电缆检测( v c t ) 操作模式等。 、