[学位论文]基于ARM的海底管道超声在线数采系统的设计和实现.pdf

上海交通大学 硕士学位论文 基于ARM的海底管道超声在线数采系统的设计和实现 姓名 杨跃忠 申请学位级别 硕士 专业 测试计量技术及仪器 指导教师 阙沛文 20060101 上海交通大学硕士学位论文 摘要 第 I页 基于基于 ARM 的海底管道超声在线数采系统的设计和实现 摘 的海底管道超声在线数采系统的设计和实现 摘 要要 本课题来源于海洋资源开发技术主题下资源与环境技术领域中的一 项国家海洋 863 重大专题项目 海底管道内爬行器及其检测技术 开 发研制一套用于海底输油管道内壁的缺陷检测装置 本论文研究的主要 内容是基于 ARM 的海底管道超声在线数采系统的设计和实现 数采系 统的功能是在超声在线检测过程中 完成对缺陷超声回波信号的采集和 存储 本论文在简要介绍超声检测原理的基础上 根据项目工程样机的性 能指标 对本项目的技术参数进行了分析和计算 对于工程样机超声在 线检测装置中的数采系统 使用 ARM FPGA IDE 接口硬盘存储数据的 创新方式进行了详细的设计和调试 实现了对缺陷超声回波信号的数据 采集和存储 超声信号具有高频 高速的特点 并且数据量很大 数据采集和存储系统的实现主要包括硬件设计和软件编程 具体可 以分为 硬件设计 包括确定数采系统方案 为各部分芯片定型 设计原理 图和 PCB 图 焊接芯片 调试硬件电路 硬件电路包括电源模块 A D 模块 FPGA 模块 ARM 模块 其中 ARM 模块又包含 NORFLASH 模 块 NANDFLASH 模块 SDRAM 模块 IDE 模块等 软件编程 FPGA 模块和 ARM 模块 上海交通大学硕士学位论文 摘要 第 II页 FPGA 软件模块包括内嵌式 FIFO 模块和外围芯片逻辑控制模块 FIFO 模块实现 A D 的 8 位数据输入经过缓存 16 位数据输出 主要特点 是 1 采用软件编程的方式 2 FIFO 的数据线是 8 位输入 16 位输 出 设计时 A D 选的是 8 位的字长 而 ARM 和 IDE 接口都支持 16 位 数据输出 这样 设计的 FIFO 可以提高数采系统的工作效率 3 使用 两片 FIFO 来支持 IDE 硬盘 PIO 传输模式下的块传输方式 外围逻辑控制电路模块 实现对外围芯片电路的控制 配合 ARM 向 IDE 接口硬盘进行数据的存储 FPGA 的程序代码是在 Quartus II 4 0 平台上采用 Verilog HDL 语言编写 ARM 软件模块 主要包括编写 BootLoader 启动代码 移植 UC OS II 操作系统和实现向 IDE 硬盘传输数据进行存储 ARM 的程序代码是 在 SDT2 51 平台上采用 C 语言和汇编语言结合的方式编写 本文最后通过软件和硬件相结合进行调试 结果表明数采系统可 以实现超声信号的数据采集和存储 达到了设计的要求 关键词 关键词 超声检测 数据采集 ARM IDE 接口 FIFO 缓存 本论文受国家 十五 863 项目 No 2001 AA602021 资助本论文受国家 十五 863 项目 No 2001 AA602021 资助 上海交通大学硕士学位论文 ABSTRACT 第 III页 DESIGN AND FULFILL OF PIPELINE ULTRASONIC DATA ACQUISITION AND STORAGE SYSTEM IN LINE INSPECTION BASED ON ARM ABSTRACT This research is one of the most important parts of the national 863 key project Robot and Detection technology in seabed oil pipeline The main task of this research is to develop a pipeline ultrasonic data acquisition and storage system based on ARM During the ultrasonic in line inspection the system can fulfill the data acquisition and storage for the pipeline flaw signals This dissertation introduces the ultrasonic detection principle briefly and analyzes the system technology parameters then designs and debugs a data acquisition and storage system based on ARM FPGA and IDE hard disk used for the ultrasonic inspection of the engineering machine The speed and the frequency of ultrsonic signal are high and the quantity of the data is large The data acquisition and storage system includes two parts hardware design and software programme Hardware design of the data acquisition and storage system consists of confirming the system scheme and the chip type designing the figure of circuit principle and PCB welding and debugging the hardware circuit which is comprised of Power A D FPGA ARM Norflash Nandflash Sdram module etc 上海交通大学硕士学位论文 ABSTRACT 第 IV页 Software programme consists of FPGA module and ARM module FPGA mudule is composed of embeded FIFO module and logic control module The FIFO module acts as a buffer for the data This means has three points Fristly it uses software programme form Secondly the input data is eight bits and output is sixteen so it can improve the efficiency of the system Lastly two FIFOs are used to match the block transmission of the PIO mode of the IDE hard disk Logic control module is used to achieve the control the other chip in order to transfer the data to IDE hard disk The code of FPGA is compiled on Quartus II 4 0 with Verilog HDL ARM module is composed of programming the BootLoader embedding UC OS II and achieving the data transfer function to IDE hard disk The code of ARM is compiled on SDT2 51 with C and assemble language Finally by debugging the data acquisition and storage system with software the result shows the system can fulfill the data acquisition and storage for the ultrasonic signal And it meets the request of this design KEY WORDS Ultrasonic detection Data acquisition Embeded ARM IDE interface FIFO buffer This dissertation is supported by 863 of the High Technology Research and Development Program of China No 2001 AA602021 上海交通大学硕士学位论文 上海交通大学 学位论文原创性声明 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明 所呈交的学位论文 是本人在导师的指导下 独立进行研究工作所取得的 成果 除文中已经注明引用的内容外 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写 过的作品成果 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体 均已在文中以明确方式标明 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担 学位论文作者签名 杨跃忠 日期 2006 年 1 月 17 日 上海交通大学硕士学位论文 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留 使用学位论文的规定 同意学校保留并向国家有 关部门或机构送交论文的复印件和电子版 允许论文被查阅和借阅 本人授权上海交通大 学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索 可以采用影印 缩印或 扫描等复制手段保存和汇编本学位论文 保密保密 在 年解密后适用本授权书 本学位论文属于 不保密 不保密 请在以上方框内打 学位论文作者签名 杨跃忠 指导教师签名 阙沛文 日期 日期 2006 年年 1 月月 17 日日 日期 日期 2006 年年 1 月月 18 日日 上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪论 第 1 页 第一章第一章 绪绪 论论 1 1 课题的来源及意义课题的来源及意义 本课题来源于海洋资源开发技术主题下资源与环境技术领域中的一项国家海洋 十五 863 重大专题项目 海底管道内爬行器及其检测技术 A2001AA 602021 目 的是开发一套用于海底输油管道检测的装置系统 为了全面地检测海底管道内壁腐 蚀缺陷 项目中 同时采用漏磁检测技术和超声检测技术 并被整合到同一台检测 装置内 超声检测技术是本课题应用的检测手段之一 主要用于检测海底输油管道内壁 的腐蚀情况 基于 ARM 的海底管道超声在线数采系统的设计和实现 是超声检测 系统中的核心部分 超声检测的过程 1 是 首先用超声回波法对管道进行 在线检测 将检测装置 投入管道 利用油压驱动的方式前进 数采系统进行自动检测 并存储超声检测数 据 到达终点后 拖出装置进行清洗 对存储的数据进行离线分析 初步确定超标 的缺陷位置 类型 然后进行 定位检测 将带爬行器的检测装置再次投入到管道 利用电机驱动 由智能控制器控制直接爬到有超标缺陷的附近 开始检测 实时对 检测数据进行分析 自主判别缺陷 找到超标的缺陷后 发送大地定位消息 通知 智能控制器 激发定位装置发出超低频电磁波信号 与处于海面上方的维修船通讯 进行维修 在线检测 是不停产地粗检 当发现超标缺陷时再进行 定位检测 此工况 是直接爬行到预先判断有超标缺陷的地方 进行精确检测和大地定位后的维修 节 约检测的时间和所需的电能 系统结构如图 1 1 所示 超声信号的在线采集和存储 是实现对超声信号进行离线分析 缺陷判别 定 位的基础 采集系统首先对超声信号进行回波采样 即采用高速 A D 采集转换和大 容量的高速存储器存储回波的全部信息 离线后对数据进行分析 为了提高检测效率 获得较好的超声信号 本项目采用多传感器 多数据通道 的方式 每个超声传感器都有各自的激励脉冲发射电路和超声波接收预处理电路 上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪论 第 2 页 各探头传感器沿管道周向排成阵列 检测装置沿管道轴向运动完成对管道的全面检 测 超声信号的采集和存储系统采用 ARM FPGA 组合 以外挂 IDE 接口硬盘的方 式进行采集和存储 换 能 器 和 换 能 器 环 高速超 声信号 数据采 集和存 储卡 位置信息 电机 驱动 系统 定位 信号 发射 接收 装置 其他 辅助 装置 系统 系统智能控制器 电源系统 离线分析 处理显示 成像系统 CAN总线 图 1 1 超声检测系统结构示意图 Fig 1 1 Diagram of ultrasonic detection system 1 2 国际国内研究状况和进展国际国内研究状况和进展 管道发生腐蚀后 通常表现为管道的管壁变薄 出现局部的凹坑和麻点 管道 内腐蚀检测装置主要是针对管壁的变化进行测量和分析 在没有开挖的情况下进行 的管道内腐蚀检测 一般采用漏磁通法 2 4 超声波法 5 7 涡流检测法 8 9 等 1 2 1 各种管道内腐蚀检测技术的比较1 2 1 各种管道内腐蚀检测技术的比较 涡流检测法虽然可适用于多种黑色金属和有色金属 例如 探测蚀孔 裂纹 全面腐蚀和局部腐蚀 但涡流对于铁磁材料的穿透力很弱 只能用来检查表面腐蚀 而且如果在金属表面的腐蚀产物中有磁性垢层或存在磁性氧化物 就可能给测量结 果带来难以避免的误差 另外 由于涡流法的检测结果与被测金属的电导率有密切 上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪论 第 3 页 关系 为了提高测量精度 要求被测体系最好保持恒温 因此 现在国内外使用较 为广泛的管道腐蚀检测方法是漏磁通法和超声波检测法 表 1 1 漏磁通法和超声波检测法的比较 内 检测方法 容 比较领域 漏磁检测法超声波检测法 检测小壁厚管道适合不太适合 检测中等壁厚管道适合适合 检测大壁厚管道不太适合适合 检测带一定曲率的管道能够兼容不太兼容 应用于管道检测的次数广泛使用广泛使用 对管内流体的敏感性不敏感敏感 对管道材料的敏感性对材料的磁导率敏感敏感性小 对壁厚的测量间接非定量 漏磁信号的 峰峰值仅对应于 k k 是 缺陷深度和该处壁厚的比 值 数据需校验 直观 显示缺陷比较困难 难以 得到管道周向的局部壁 厚 直接定量 可得到精确 的绝对数据 数据无需 校验 可以直接使用 检测精度也较高 能得 到管道某一局部范围内 的精确壁厚值 裂口小而径向深的缺陷很容易检测到不易检测到 边缘光滑的大面积缺陷不易检测到很容易检测到 管壁缓坡式腐蚀不易检测到容易检测到 使用费用低高 对探头布设的要求一般高 实施检测的便利性需要适当清洁 使用较为 便利 在检测前要做许多准备 工作 如多次清洗附在 管壁上的蜡层等 从表 1 1 中可以看出 漏磁检测法和超声波检测法各有特点 彼此之间具有较 强的互补性 为了能对海底管道腐蚀壁缺陷进行全面地检测 本项目同时使用这两 种方法进行缺陷检测 上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪论 第 4 页 1 漏磁通法 漏磁通法检测的基本原理是建立在铁磁材料的高磁导率这一特性之上 钢管在 外加磁场作用下被磁化 当钢管中无缺陷时 磁力线绝大部分通过钢管 此时磁力 线均匀分布 当钢管内部有缺陷时 磁力线发生弯曲 并且有一部分磁力线泄漏出 钢管表面 检测被磁化钢管表面逸出的漏磁通 就可判断缺陷是否存在 2 超声波检测法 超声波检测法主要是利用超声波的脉冲反射原理来测量管壁腐蚀后的厚度 检 测时将探头垂直向管道内壁发射超声脉冲 探头首先接收到由管壁内表面的反射脉 冲 然后接收到来自管壁外表面的反射脉冲 两个脉冲之间的时间间隔反映了管壁 的厚度 1 2 2 超声检测系统国内外的研究现状1 2 2 超声检测系统国内外的研究现状 在超声检测领域 国外一些发达国家已经将管道超声检测爬行器用于实际检测 其结构 10 如图 1 2 Ultrasonic exchange energy array Ultrasonic control and storage unit 图 1 2 国外的超声检测爬行器 Fig 1 2 Ultrasonic detection system of foreign nation 国外研制出的这些管道超声检测爬行器设计复杂 造价高昂 6 7 11 难以适应我 国目前的国情 因此我国也在积极从事爬行器原型机的研制工作 本项目组研制的工程样机超声检测装置采用 64 个多探头 分两列 采用螺旋式 错开排列的方式 保证整个圆周都被覆盖 不漏检 数据采集部分要实现四路超声 探头信号的同时采集 每一路控制 16 个探头 上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪论 第 5 页 1 3 超声测厚的基本原理1 3 超声测厚的基本原理 超声波是指频率在 20KHz 以上 不能引起正常人听觉反应的机械振动波 是物 体的机械振动在弹性介质中的传播所形成的机械振动波 本项目采用超声检测方法中的直探头纵波脉冲反射法 利用超声脉冲波入射到 两种不同介质交界面上发生反射的原理进行检测 管内超声波测厚技术原理 12 见图 1 3 图 1 3 管内超声波测厚技术原理图 Fig 1 3 Figure of the ultrasonic detection principle 垂直于管道壁的超声波探头对管道壁发出一组超声波脉冲后 探头首先接收到 由管道内壁反射的回波 前波 随后接收到由管道壁缺陷或管道外壁反射的回波 缺 陷波或底波 探头至管道内壁的距离 A 与管道壁厚度 T 可以分别通过前波时间 以及前波和缺陷波 或底波 的时间差来确定 即 2 ff Av t 1 1 2 s b Tv t 1 2 式中 t f 为第一次反射回波 前波 时间 b t为第二次反射回波 底波或缺陷波 和前波的时间差 f v为超声波在介质中的声速 s v为超声波在管道中的声速 上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪论 第 6 页 1 4 本论文研究内容及创新点1 4 本论文研究内容及创新点 本文研究的内容是基于 ARM 的海底管道超声在线数采系统的设计和实现 其 主要用于采集和存储输油管道内壁的腐蚀超声信号 具体包括以下几个方面 1 根据工程样机的工作环境 条件指标 进行系统参数的计算分析 包含探头 参数 数据量等的计算 2 在超声信号的 在线检测 过程中 对超声信号的数据采集系统进行研究和 设计 提出使用 ARM FPGA 以 IDE 硬盘外挂存储的方式实现四路超声信号的同 时采集和存储 具体工作包括根据系统的性能指标 确定超声信号数据采集系统的 方案 为各部分芯片定型 设计数采系统的原理图和 PCB 图 制成电路板后的芯片 焊接 硬件调试和软件编程 超声信号具有高频 高速的特点 并且数据量庞大 因此该数采系统有别于普通的数采系统 本论文的结构安排 第一章 介绍了项目背景及基础理论 第二章 简述了超声技术的理论 对超声检测过程中涉及的主要参数进行分析计 算 根据工程样机的探头方案 提出设计超声信号在线数采系统的要求 第三章 超声信号数据采集系统方案设计和芯片定型 第四章 超声信号数据采集卡的硬件设计和硬件调试 主要包括电源模块 A D 模块 FPGA 模块 ARM 模块 Norflash 模块 Nandflash 模块 Sdram 模块 第五章 超声信号数据采集系统的软件编程 包括 FPGA 模块和 ARM 模块 第六章 结论 总结了本文的研究工作及展望 本文创新性研究成果主要有 1 使用 ARM FPGA 以 IDE 接口硬盘的方式来实现缺陷超声信号的数据采 集和存储 设计并调试成功一块用于超声信号的数据采集卡 2 在 FPGA 中实现了内嵌 FIFO 技术 增加了系统设计的灵活性 运用自行编 写的 8 位数据输入 16 数据输出的内嵌式 FIFO 充分发挥了 ARM 芯片和 IDE 接 口 16 位数据传输能力 提高了整个数采系统的工作效率 3 运用两片 FIFO 来实现乒乓缓存 支持了 IDE 硬盘以 PIO 传输模式下的块传 输方式来传输数据 提高了数采系统的工作效率 4 硬件和软件都采用模块化的设计方法 使数采系统的各个模块具有很好的通 用性和可移植性 上海交通大学硕士学位论文 第二章 超声信号在线检测系统总体设计方案 第 7 页 第二章第二章 超声信号在线检测系统总体设计方案超声信号在线检测系统总体设计方案 2 1 超声波技术理论 2 1 1 超声波的基本概念 2 1 超声波技术理论 2 1 1 超声波的基本概念 超声波是频率大于 20KHz 的机械波 常用于检测的超声波频率范围为 0 5 10MHz 按传播方式分为纵波和横波 纵波的传播方向与质点的振动方向一致 可 以在气 液和固体中传播 横波的传播方向垂直于质点的振动方向 只能在固体中 传播 超声波具有良好的指向性 其波长很短 达到毫米级 在弹性介质中能像光波 一样沿直线传播 同时 超声波能量大 能集中在一定区域 称为超声场 内定向 辐射 并且超声波在介质面上还有反射特性 因此可以用于检测管壁腐蚀等缺陷 2 1 2 超声波声场的基本物理量2 1 2 超声波声场的基本物理量 1 超声场 表征超声波在介质中的区域分布 2 声压 在超声场中 某一点在某一瞬时刻 t 所具有的压强与没有声波存在 时该点的静压强之差 称为声压 p 其单位为帕斯卡 Pa 对于一个在无吸收的无 限均匀介质传播的超声波 可以用下列数学公式 14 表示其在某点的声压 P t P cos 2 ft cu cos 2 ft 2 1 其中 f为超声波的振荡频率 为该点处的相位 u为该质点振动速度 c为介 质中的超声声速 为介质的密度 cu为该点的最大声压值 波长 声速c 和频率f 之间的关系为 c f 2 2 3 声强 在垂直于声波传播方向上 单位面积上在单位时间内所通过的声能量 上海交通大学硕士学位论文 第二章 超声信号在线检测系统总体设计方案 第 8 页 称为声强度 声的能流密度 简称声强 I 对于简谐波 常将一个周期中能流密 度的平均值作为声强 并用符号I表示 公式 14 为 2 3 其中p为声压 2 2 p I c 2 3 4 声特性阻抗 由P c u可知 在P一定的条件下 c与u成反比 因此把 c 称为介质的声特性阻抗 表示为 z c 2 4 5 声压和声强的表示方法为 贝耳数 1 10 2 log I I 贝耳 2 5 分贝数 1 10 2 10log I I dB 2 6 声压和声强之间的关系可表示为 I p 2 2 z 这表明 同等能量的超声波在 不同的声阻抗材料中的声压是不同的 声阻抗越大 相应材料中的声压也越大 压 电晶片正是将机械能形式的声压转化为电能形式的电压幅值 6 超声波波形 声波在无限大且各向同性的介质中传播时 其波形根据波阵面 的形状可分为平面波 球面波和柱面波 当声源为圆盘形状时 称为活塞波 7 波阵面 指同一时刻介质中振动相位相同的所有质点所联成的面 波阵面的 数目可以有无限多个 8 波前 指某一时刻振动所传到的距声源最远的各点所联成的面 在任何时刻 波前的位置总是确定的 而且只能有一个 9 波线 表示超声波传播方向的线 在各向同性介质中 波线恒垂直于波阵面 2 1 3 超声波的物理特性2 1 3 超声波的物理特性 超声波的物理特性是超声波参数计算 超声系统设计及应用的理论依据 主要 有以下六个方面 1 波动特性 超声波有频率f 声速c与波长 三个物理量 三者关系见式 2 7 上海交通大学硕士学位论文 第二章 超声信号在线检测系统总体设计方案 第 9 页 c f 2 7 超声在不同的介质中传播的速度各不相同 从有关文献中查得 13 14 固体中的 声速最大 在2130 7540m s之间 液体次之 在1000 2000 m s之间 气体中的传播 速度最慢 在200 970 m s之间 水约为1500 m s 空气中约为332 m s 利用超声波 在同一介质中速度相对比较恒定的特征 就可以进行比较精确地测量 2 束射特性 超声波具有方向性和射线性 在相同条件下 随着频率的提高 其方向性更加 尖锐 在离声场较近的一段 声速几乎平行 称为近场 但该区域内声场的分布比 较复杂 近场范围内 2 rf L c 2 20 式中 Vc为耦合剂的声速 Vwt为被检材料的声速 dwt为被检材料的厚度 N为 被检材料中重复反射的次数 本课题的在线检测过程中 所检测的管道是钢 其Vwt 5850m s 耦合剂是原油 上海交通大学硕士学位论文 第二章 超声信号在线检测系统总体设计方案 第 17 页 其Vc 1390m s 被测材料厚度取所测管道厚度最大值dwt 14 5mm 重复次数取N 2 可求得 SO 6 89mm 2 2 4 晶片直径的选择2 2 4 晶片直径的选择 超声探头中的换能器常用压电晶片来制作 当压电晶片受发射电脉冲激励后产 生振动 从而发射超声波 称为逆压电效应 当超声波被晶片收到时 晶片受迫振 动 从而将引起的机械形变转换成相应的电信号 称为正压电效应 压电晶片的固 有频率就是探头的中心频率 以下是几种晶片直径在不同材料中的近场长度 15 mm 见表2 3 表 2 3 晶片在不同材料中的近场长度 直径 mm 钢 mm 玻璃 mm 油 mm 67 316 134 6 813 328 761 5 1020 94596 1 下面计算声波经过探头中有机玻璃 介质后还要在钢铁中传播多远才能达到远 场区 由式 2 21 计算 15 得到 glass oil steelsteelsteel glassoil L L SNNN NN 2 21 式中 S 为到达远场时在钢中传播的距离 steel N为晶片直径为 的探头在钢中 的近场长度 glass L为探头有机玻璃长度 glass N为晶片直径为 的探头在有机玻璃中 的近场长度 oil L为油介质厚度 即悬垂高度OS oil N为晶片直径为 的探头在油中 的近场长度 6mm 6 107 7 3 7 37 3 1 29 16 134 6 Smm 8mm 6 107 13 3 13 313 3 7 15 28 761 5 Smm 10mm 6 107 20 9 20 920 9 14 7 4596 1 Smm 为保证声波进入管壁一定长度后工作在非干扰区 兼顾探头数量为64个 选用 上海交通大学硕士学位论文 第二章 超声信号在线检测系统总体设计方案 第 18 页 晶片直径为10mm的探头 2 2 5 分辨率的确定2 2 5 分辨率的确定 本项目的分辨率要求为 能分辨最小腐蚀面积21 10mm2 其中21mm为周向 的分辨率 10mm为轴向的分辨率 周向分辨率 周向分辨率可用公式 2 22 决定 式中 D为管道直径 N为 探头数 cD N 2 22 如果周向分辨率在大管径的管道检测中得到满足 则将在对小管径的管道检测 中得到更高的周向分辨率 因此选用最大管道的管外径 325mm进行计算 探头数 量为64 可以达到周向分辨率为 c 325 64 15 95mm 满足项目中的周向分辨 率指标要求21mm 轴向分辨率 由超声波的重复频率决定 具体公式如下 ljr vf 2 23 式中 vj是爬行速度 fr为激励脉冲的重复频率 本课题中激励脉冲重复频率用150Hz 爬行速度为150mm s 其轴向分辨率可 以达到1mm 即使最高速度300mm s时 也可达到2mm 满足轴向分辨率10mm 2 2 6 技术参数小结2 2 6 技术参数小结 经过以上的计算 设计探头结构和采集系统时可以参照以下表格2 4 表 2 4 超声检测有关技术参数 脉冲中心频率 p f MHz 脉冲重复频率 r f Hz 提离距离OS mm 晶片直径 mm 探头数 515071064 当采用这些参数时 完全可以达到系统的要求 满足周向分辨率21mm 轴向 分辨率10mm 径向分辨率0 5mm 也能满足每3mm检测一次 上海交通大学硕士学位论文 第二章 超声信号在线检测系统总体设计方案 第 19 页 2 3 工程样机超声在线检测系统设计 2 3 1 工程样机超声检测系统设计指标 2 3 工程样机超声在线检测系统设计 2 3 1 工程样机超声检测系统设计指标 根据项目设计 经过上节的理论计算 工程样机超声检测部分总的设计指标为 1 检测内径 297mm 壁厚为12 14 5mm的海底输油管道 管道最大的允许 变形量为直径的 2 5 并且能够实现3D转弯 保证系统在管道内灵活的转弯爬 行 2 检测范围周向覆盖360 能检出21 10mm2的局部腐蚀 径向测量精度为 0 5mm 一次完成10km的管道检测 3 在线检测时 爬行的平均速度为150 mm s 4 油温为5 60 油压最大压力达4MPa 5 超声的重复采样频率为150Hz 6 轴向采样速度 每3mm采样一次 7 超声探头的中心频率为5MHz 超声检测系统采用64个探头 共64个超声信号通道 共分四路采集 每路控 制16个超声信号通道 在实际工况下 一次必须完成10km的管道检测 采用的是无缆方式 数据量 非常大 并且可利用的空间有限 不可能无限制的采用多个存储装置 庞大的数据 量也会延缓数据处理和传输的速度 因此必须在不影响超声检测效果的情况下 需 要对管道超声检测数据传送到硬盘进行存储 传输过程中可以进行滤波处理并做数 据压缩 离线后再利用分析软件对缺陷进行分析 分析前需要对数据进行解压缩 2 3 2 超声在线检测探头装置的方案2 3 2 超声在线检测探头装置的方案 实际的工程样机中 探头的布置和探头环的主要结构 如图2 6 单位 mm 由图2 6可见 探头布置两列 每列32个 探头采用螺钉固定 引线沿轴向引 出 探 头 头 部 外 壳 直 径 18mm 接 线 端 外 壳 直 径 12mm 探 头 高 度 为 18mm L12mm 12mm L13mm 探头环的超声探头侧与超声采集箱通过铰链相连 探头环采用不锈钢 如1Cr18Ni9Ti 以满足强度和耐腐蚀要求 壁厚为阶梯状 上海交通大学硕士学位论文 第二章 超声信号在线检测系统总体设计方案 第 20 页 分别为12mm 5mm 图 2 6 探头布置和探头环结构 Fig 2 6 Structure of probe disposal and probe ring 测厚用的超声探头 型号为5C 14mm 10宽带窄脉冲直探头 使用PZT 5的 压电晶片 几种常用压电晶片材料的主要参数见表2 5 表 2 5 几种常用的压电晶片材料的主要参数 13 15 材料居里点 oC 介电常数声特性阻抗 106kg m2s 压电应变常数 10 12m V 压电电压常数 103Vm N 石英5704 515 22 050 钛酸钡11517003019013 锆钛酸铅30015002832024 4 铌酸铅 40028020 574 8032 硫酸锂7510 311 216165 在设计超声探头时 考虑的关键技术包括 1 探头承压问题 探头及其内部结构所承受的静水压为2MPa 对PZT 5晶片 而言 压力低于7 107N m2时 压电常数仅有微小变化 15 为验证所设计的探头在 该工作环境下的可靠性和工作寿命 可以通过水压试验装置模拟实际检测的压力条 上海交通大学硕士学位论文 第二章 超声信号在线检测系统总体设计方案 第 21 页 件进行相关试验 试验内容为 4MPa压力 带水密线缆 保持固定水程 检测对 比试块 加压时间为24小时 水压试验箱外部用超声仪持续观测信号和工作情况 2 宽带窄脉冲 主要通过阻尼层 背衬层和匹配层的设计和制作来获得宽带窄 脉冲 如分层浇铸和离心铸造技术的应用 通常此时探头频率会略有下移 灵敏度 下降 但分辨力提高 目前 6dB带宽可以达到70 80 有助于提高壁厚测量的精 度又可以满足测量工作的其它要求 3 探头密封问题 探头外壳采用不锈钢 硬铝 黄铜制作 探头尾部电缆引出处 采用锥形金属密封面密封 用螺钉固定 电缆与密封环的配合面采用硅胶灌注和密 封胶胶接 电缆采用同轴水密电缆 电子23研究所 上海电缆研究所等都有提供 最高水压可以是4 4MPa 在2MPa的工作环境下 完全可实现轴向和径向水密 同时用70oC耐油柔软PVC护套解决耐油腐蚀问题 线缆外径约为6mm 4 含蜡原油的声衰减 声衰减会影响检测的效果 因为衰减系数均随温度的下 降而提高 低于某一温度后 衰减系数随温度的降低而急剧增大 衰减温度曲线可 以大致反映蜡晶的析出情况 通过试验表明不同类型原油的衰减系数显著转折点如 下 南海油约为37 39 oC 丘陵油约为22 30 oC 5 含蜡原油约为15 oC 不 明显 20 含蜡原油约为23 27 oC 本项目检测工作条件约为50 oC 含蜡原油 的声衰减影响不大 2 3 3 超声信号在线采集和存储模块2 3 3 超声信号在线采集和存储模块 在超声信号在线采集和存储模块前端有一个预处理电路模块 预处理电路模块 完成超声信号的发送 接受控制 提高信号的信噪比 对信号进行初步的滤波 通 道的选择控制等功能 超声信号在线采集和存储模块 为了能够实现四路超声信号被同时采集和存储 数据采集系统的设计分两个阶段来实现 第一阶段 设计并调通一路超声腐蚀缺陷信号的采集和存储 使采集模块硬件 系统能稳定地实现单路缺陷超声信号的采集和存储 通过实际的调试来确定是否满 足测试要求 在设计硬件和软件时应该充分考虑开发的系统的可移植性 第二阶段 一路超声信号采集和存储系统能稳定工作后 在满足系统的测试指 标的前提下 进行电路上的扩充 实现四路超声信号同时采集和存储 本人研究的是第一个阶段 为采集系统做先行的研究设计 主要包括 1 根据系统的性能指标来选定方案 确定使用的主芯片 是单独使用单片机 上海交通大学硕士学位论文 第二章 超声信号在线检测系统总体设计方案 第 22 页 DSP ARM FPGA 还是结合起来使用 定方案时应充分为四路超声信号同时采 集做好移植准备 2 设计方案 以性价比高 满足系统要求的原则下选定硬件系统的芯片种类和 型号 3 设计硬件原理图 PCB图 4 制板后 包括购买器件 焊接电路 调试硬件电路 调试电路包括硬件各部 分模块的调试 确定各部分是否能正常工作 最后编写软件代码 结合硬件进行调 试 完成第一阶段的设计任务 使一路信号的数据采集卡能稳定地工作 2 4 本章小结2 4 本章小结 本章介绍了超声测厚技术的原理 对项目的技术指标进行了分析 确定了超声 在线检测装置的部分设计参数 根据超声探头架的设计方案 提出了设计超声信号 数字采集系统的要求 上海交通大学硕士学位论文 第三章 超声数采系统方案设计和芯片定型 第 23 页 第三章第三章 超声信号数采系统方案设计和芯片定型超声信号数采系统方案设计和芯片定型 为了完成数据采集系统第一阶段的设计 首先要确定超声信号在线采集和存储 系统方案 以及为芯片定型 主要包括主CPU芯片 存储器芯片 电源芯片 A D 芯片 集成运算放大器芯片等的选取 本系统属于嵌入式领域范畴 嵌入式设备的选择至关重要 将直接影响数采系 统的性能 故在定方案之前有必要对嵌入式系统进行简述 了解各种嵌入式芯片的 使用范围和各自特点 3 1 嵌入式系统的概述 3 1 1 嵌入式微控制器 3 1 嵌入式系统的概述 3 1 1 嵌入式微控制器 嵌入式微控制器又称单片机 芯片内部集成ROM EPROM RAM 总线逻辑 定时 计数器 WatchDog I O 串行口 脉宽调制输出 A D D A Flash RAM EEPROM等各种功能和外设 单片机的最大特点是单片化 体积大大减小 从而使功耗和成本下降 可靠性 提高 片上外设资源比较丰富 适合于控制 但是单片机较难移植操作系统 很难 进行多任务的扩展 3 1 2 嵌入式 DSP 处理器3 1 2 嵌入式 DSP 处理器 DSP的主要特点 16 1 高速 高精度运算能力 DSP具有较快的指令执行周期 可达10ns 并 行的内部指令执行流水线 内部集成硬件乘法器 2 强大的数据通信能力 3 灵活的可编程性 可以通过编程来实现数字信号处理功能 所以DSP配置 片内RAM和ROM 也可以方便地扩展程序 数据及I O空间 上海交通大学硕士学位论文 第三章 超声数采系统方案设计和芯片定型 第 24 页 4 低功耗设计 DSP可以工作于省电状态 节省了能源 但是DSP在下面四个方面没有优势 1 DSP的外围支持相对简单 为了支持更多的设备和网络要做更多的工作 2 DSP对于成块数据的优化使用 使得系统常常不能被打断 中断响应会延迟 3 DSP的软件优化较为复杂 在DSP上实现优化不能很好的利用流水和并行 特征 反而可能会导致效率不高 而且功耗较高 4 无特殊设计的情况下 DSP即使在待机状态也会有一定的功耗 3 1 3 FPGA 和 CPLD 体系3 1 3 FPGA 和 CPLD 体系 FPGA是现场可编程逻辑门阵列 CPLD是复杂可编程逻辑器件 FPGA和CPLD用法类似 但FPGA容量更大 FPGA的优点 1 FPGA具有很强的灵活性和高并行性 很高的工作速度 2 基于FPGA的设计可以轻易的升级 以执行新功能或者满足新标准 3 FPGA的I O引脚很丰富 可控制性很强 特别适合对于一些外围控制信号 比较多的电路进行控制 4 提供很多免费下载的IP核 这些IP核可以直接调用 只需设计一些接口 简化电路 集成度更高 FPGA的缺点 1 FPGA的灵活性以牺牲能源效率和成本效率为代价 2 FPGA的价格相对于DSP和51单片机要昂贵 3 1 4 ARM 系列3 1 4 ARM 系列 ARM是32位嵌入式RISC处理器 有三大特点 17 1 小体积 低功耗 低成本 高性能 能够与高端的MIPS和PowerPC 嵌入式微处理器抗衡 2 16位 32位双指令集 3 全球众多的合作伙伴 已发展到122家半导体系统合作伙伴 50家操作系 统合作伙伴 ARM处理器的出色性能使系统设计者可得到完全满足其确切要求的解决方案 上海交通大学硕士学位论文 第三章 超声数采系统方案设计和芯片定型 第 25 页 借助于来自第三方开发者广泛的支持 设计者可以使用丰富的标准开发工具和ARM 优化的应用软件 ARM处理器系列主要的应用领域 18 有 1 汽车产品 如车上娱乐系统 车上安全装置 自主导航系统等 2 消费娱乐产品 如数字视频 Internet终端 交互电视 网络计算机等 3 数字音频播放器 数字音乐板 游戏机等 4 数字影像产品 如信息家电 数字照相机 数字系统打印机等 5 工业控制产品 如机器人的控制 工程机械 化工生产控制等 6 网络产品 如PCI网络接口卡 ADSL 调制解调器 路由器等 7 存储产品 如PCI到Ultra2 SCSI 64位RAID控制器 硬盘控制器等 8 无线产品 如手机 PDA 目前85 以上的手机是基于ARM做的 比较ARM与DSP的优劣 1 ARM常常可以支持多样的外围设备 并提供实时控制 适用于嵌入实时嵌 入式操作系统 而DSP可以以很低的功耗完成多媒体处理的密集计算 2 ARM可以支持多任务的操作 工作速度快 功耗低 多任务操作DSP可以 做 但并不是DSP所擅长的 典型的DSP优化操作也常常会影响系统的响应性 3 2 超声信号数采卡设计方案的确定 3 2 1 超声信号数采系统数据量的计算 3 2 超声信号数采卡设计方案的确定 3 2 1 超声信号数采系统数据量的计算 超声检测系统的脉冲重复频率为150Hz 每次探头发送一组超声波 以每个探 头每次采集300个点 A D 的字长为8位来计算 对于一个探头信号的采集 其传输平均速度达到 V0 300 8 150 351 6Kb s 现以爬行器爬行检测速度平均是150mm s 一次采集距离为10公里计算 得检 测时间T 107 150 66666 7s 整个系统有64个探头 其数据量S1 64 V0 T 178 8GB 数据量非常庞大 即使采用平均压缩率为40 的压缩算法进行处理 其 数据量还高达107 3GB 故需使用硬盘这种大容量存储器来进行存储数据 上海交通大学硕士学位论文 第三章 超声数采系统方案设计和芯片定型 第 26 页 3 2 2 嵌入式主芯片的选择3 2 2 嵌入式主芯片的选择 采集系统的功能是为了实现一路超声信号的采集和存储 考虑到第二阶段要实 现四路超声信号的同时采集和存储 这四路超声信号需要系统合理分配时间进行采 集和存储 这个多任务的操作需要一个操作系统来实现任务的调配 从3 1节的比 较中可以得出DSP和单片机都不擅长多任务处理 基于上述的原则 采集系统决定采用ARM FPGA的处理器来作为数采系统的 核心芯片 ARM中内嵌操作系统来实现多任务的调度 同时ARM处理速度快 功 耗低 3 2 3 存储设备接口的选择3 2 3 存储设备接口的选择 采集系统的高速度对接口传输速率提出了很高的要求 在满足速度要求的前提 下 从性价比上综合考虑选择出存储设备的接口 在存储设备接口方面 主要有SCSI 19 21 和IDE 19 21 接口 IDE接口价格低廉 兼容性好 使用方便 长期以来不断改进 使性能也有了长足进步 其性价比已经 相当完美 但是事实上 SCSI接口在技术和性能上始终有着顶级设备的特征 在专 业服务器设备中占有绝大多数的分额 下面比较以下SCSI技术与IDE技术的区别 1 扩展性的比较 SCSI的扩充性在与IDE相比较中充分表现其优越性 每个IDE系统可有两个IDE 通道 总共可连4个IDE设备 而SCSI接口可连接7 15个设备 比IDE要多很多 IDE的电缆长度大约为46cm SCSI可达到1 5 12米 安装的自由度高了很多 由 于SCSI设备的中断共享 即只有SCSI卡只用一个中断 连接在其上的设备由SCSI 卡提供ID地址 因此等于中断得到了扩展 方便地解决了安装硬件较多时中断冲突 的问题 2 传输速度的比较 现在的IDE硬盘支持PIO mode 4的传输速度已经可以达到16 7MB s 硬盘转 速目前也发展到7200转 秒 但与SCSI相比还是有一定的差距 SCSI硬盘现在已 达到10000转 秒 而且由于SCSI具有带宽共享能力 即多个设备可同时进行数据 传输 比如有两个SCSI硬盘接到同一个SCSI卡上 数据传输速度最高可达40MB s 这是IDE设备没法实现的 3 数据校验方式 上海交通大学硕士学位论文 第三章 超声数采系统方案设计和芯片定型 第 27 页 SCSI设备采用ECC Error Checking and Correcting 校验 不同于IDE的CRC Cyclical Redundancy Check