基于USB的储罐底板检测器采集系统 .pdf

总第 47 卷第 532 期 2010 年第 04 期 电测与仪表 E l ec tri c al Measu rem ent In strum en tati on V oI 4 7 N o 532 A p r 20 10 基于USB 的储罐底板检测器采集系统半 童允 黄松岭 赵伟 清华大学 电机系 电力系统国家重点实验室 北京 100084 摘要 针对目前储罐底板检测器的接口与计算机连接不方便 数据传输的线缆易受干扰 检测信号不稳定等问 题 研制了基于USB的储罐底板检测器采集系统 适应36通道高清晰度信号采集和处理的需求 选用了集成A D 转换器的ADuC812型单片机 配合使用CY68013作为USB接口传输控制芯片 完成多路检测信号的采集 数据缓 冲以及与上位机的通信 本文重点介绍了采集系统的硬件结构 采集程序设计和USB固件程序设计 该系统已经 通过了检测器的现场试验与测试 测试结果表明 该系统满足检测数据的实时采集 传输以及显示的要求 能够 完成储罐底板的高速检测任务 关键词 USB通信 储罐底板 数据采集 漏磁检测 中图分类号 TP368 1 文献标识码 B 文章编号 1001 1390 2010 04 0057 05 D ata A c qu i si ti on S ystem for T ank F l oor Insp ec ti on T ool B ased on U S B T O N G Y u n H U A N G Song l i ng Z H A O W ei State Key Lab of Power System s Departm ent of E l ec tri c al E ngi neeri ng Tsi nghna U ni versi ty Bei ji ng 100084 Chi na A b strac t C urrent tank fl oor i n spec ti on tool s have p robl em s suc h as i n c onveni ent c onnec t i nterf ac e w i th c om puter data tran sm i ssi on c ab l e vul nerabl e to i nterf erenc e and u nstab l e i n spec ti on si gn a1 T o so ve these prob l em s a data ac qui si tion system for tank fl oor i nspec ti on too l based on U SB w as devel oped It i s desi gned to adapt th e requi rem ents of 36 c h an nel h i gh resol uti on si gnal ac qu i si ti on and p roc essi n g A D u C 8 1 2 w i th an i ntegrated A D c on verter w as used together w i th C Y 6 80 13 U SB m i c roc ontr ol l er to ac c om pl i sh m ul ti c hannel i nspec ti on si gnal ac qui si ti on data b uff eri ng an d U SB i nterf ac e c om m u ni c ati on w i th c om pu ter T h i s pap er foc used on th e system h ardw are struc ture the desi gn of ac qu i si ti on progr am and U SB fi rm w ar e progr am T he desi gn has pas sed fi l ed test of th e ta fl oor i nspec ti on too l suc c essful l y E xperim ents dem onstrated that the system m eets th e req ui rem ents of real ti m e ac q ui si ti on transm i ssi on and di spl ay Thi s system c ou l d ac c om pl i sh hi gh speed tank floor i nspec ti on as si gnm ents K ey w o rd s U SB c om m uni c ati on tank fl oo r d ata ac qui si ti on m agneti c fl ux l eakage testi n g 0 引 言 对石油 化工行业的大型储罐底板进行定期检测 是确保其安全运行的重要手段 及时地发现储罐底板 的腐蚀 穿孔等缺陷是防止储罐泄漏 消除事故隐患 的关键 目前 漏磁检测法是储罐底板检测方法中最 常用和有效的一种无损检测方法 在 已经应用于实际 工程的储罐底板检测设备中 较早的是美国VETCO PIPE LIN E SER V IC E公 司开发A ST u 3型储罐底板腐 蚀扫描仪 1 以及英 国SILVERW ING 公 司开发的 FLOORM AP系列储罐底板检测仪 国内这方面的研究 起步较晚 1999年北京赛诺静远科技发展有限公司开 国家自然科学基金资助项目 109741 15 发了LCTS一 1型储罐底板漏磁探伤仪 2003年 天津石 化 公 司机 械 研究 所 与 华 中科 技 大学 联 合研 制 了 HrITI 一 II型储罐底板检测仪嘲 2006年 清华大学研制了 M SCA N 系列高清晰度储罐底板缺陷检测器刚 这些检 测设备均采用基于霍尔传感器的漏磁检测方法 而且 普遍使用便携式计算机作为显示终端 其数据传输通 过计算机串口或者并 口 传输的速度较慢 且接 口的 连线较多 信号易受干扰 影响检测的结果及缺 陷的 辨识 随着计算机和微电子技术的发展 USB总线传 输技术逐渐成熟 已经形成标准的USB2 0串行通信接 口规范 具有高速 可靠 通用性好等诸多优点 因此 本文在国内外已有的研究基础上 充分考虑了电路的 一 57 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 总第 47 卷第 532 期 20l 0 年第 04期 电测与仪表 E l ec tri c al M easurem ent Instrm n en tati on VloJ 47 No 5 2 A p r 20 10 电磁兼容性 设计 了一套基于U SB 的储罐底板检测器 采集系统 实验证明 同已有设备相比 该系统在实际 工程应用中具有更高的可靠性和稳定性 本文介绍了 其技术实现方法 1系统硬件设计 储罐底板检测器的采集系统整体结构框图如图1 所示 它主要由数据采集模块和数据传输模块两部分 组成 两个模块分别以A DuC812型单片机和CY68013 型USB集成控制芯片为核心 在可调速直流电机的带 动下 36通道霍尔传感器组沿检测器前进的方向对储 罐底板进行扫查 探头阵列产生的漏磁检测信号由数 据采集模块进行放大 滤波等信号调理 通过模数转 换和数据拼接 然后由数据传输模块实现检测数据 的 缓存以及与上位机的USB接口通信 最后 由上位机 的专用软件对数据进行分析处理 实现检测数据的实 时显示以及储罐底板缺陷的辨识和量化 霍 尔传 感 器组 1 3 6 里 1 1数 据采 集模 块 数据采集模块要对36路传感器的模拟信号进行 预处理以及循环采样 采用集成A D 转换器的单片机 配合信号调理电路和多路开关 实现多通道数据高速 采集 传感器部分使用了霍尼维尔公司的SS495A 1穿 孔式霍尔元件 它的检测范围为一 680 680高斯 输 出0 5V 电压 由于设备运用中只需要检测正向的磁 通分量 因此设计了一个由阻容网络和运算放大器构 成的信号调理电路 将霍尔传感器的输出电压调整至 0 5V对应0 680高斯 选择了AD公司生产的高精度运 放OPA2350 输出电流达60mA 在改变信号电压范围 的同时也增强了信号的驱动能力 多通道的数据采集 需要考虑信道的延时以及信 道 的抗干扰能力 选择 了高速低噪声多路模拟开关 ADG608 使用5V单电源供电 导通电阻最大为30l I 数 据 采 集模 块 数 据传 输 模块 广 一一 一 一 一 一 一一 一 一 一 一 一一l l一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 I I I 信 U SB 屏 蔽线 号 J C Y 68 01 3 上位 机 一 调 ADuC81 2 1一 I I 理 l t T 轮 触发 时钟 11 059M H z 时钟 24M H z 图1系统 整体结 构框 图 Fi g 1 System struc ture d i agram 开关输 出 电容最大 为40pF 通道切 换时 间最大 为 150ns 单片拥有8个通道 设计采用5片ADG608实现 36路检测信号的选通 为满足数据采集速度和精度的要求 根据A D采 样精度 采样率 片内存储空间大小以及工作频率等 指标 选择了ADuC812型单片机 它采用8051兼容内 核 工作主频最大16M Hz 拥有8KB 的片内Fl ash存储 空间 3个 l 6位的定时器 9个 中断源 32路可编程输入 输出通道 支持外部存储器 集成12位A D转换器 最 高采样率可达200ksps 1 2 数据 传输模 块 采用高速的USB接口取代传统的RS232串行接口 和EPP并行接口 保证了检测数据传输的实时陛 与 上位机之间的数据传输采用专用的USB屏蔽线 提高 了整个系统的可靠性和抗干扰能力 与传统的计算机接口不同的地方在于 USB接口 采用高速的串行差分数据传输方式 具有一套相对复 一 58 一 杂的传输协议 因此无法简单地将单片机的I O接口 与计算机的USB接口相连 而需要专门的接口芯片来 实现单片机与计算机USB接口的通信和数据传输 本设计采用 了Cypress的CY68013型U SB微 控制 器 CY 68013 集 成 了 一 个 增 强 型 的 8051 内 核 和 EZ USB FX2LP USB2 0微控制器 使用48M Hz 24M Hz 或者12M Hz的高速时钟 拥有多达40个通用I O接口 可以通过U SB接 口直接下载固件程序 灵活地改变芯 片端口配置 集成4个FIFO高速缓冲器 可以采用同步 时钟或异步选通的工作模式 进行数据传输的应用时 不需要再单独设计数据缓冲器 EZ USB芯片提供了多种接口 模式 本设计采用 了Sl ave FIFO模式进行数据传输 这种模式下 单片机 可以对FIFO缓冲区直接进行读写操作 EZ USB作为 USB主机和外部逻辑电路之间的管道 此时数据的传 输不需要EZ USB的CPU的干预 因此具有很高的效 率同 由于单片机和USB控制芯片采用不同的时钟频 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 总第47 卷第532 期 2010 年第 o4 期 电测与仪表 E l ec tri c al M easurem ent Instrum en ta ti on VoI 47 N0 532 A p r 2010 单片机 C Y 68013 网 缓冲器 F1F0ADR 1 o l R 选择 接 口 F I II H Fo 满标志 Sl aveF 0 S S B 卜 I D G N D 日 P rY 呸 j i f 0 空标志 SU R 写有效信号 l 6位数据 FD 15 0 总线 H c IE N D f上 包 结 束 信 号 型堕 图2 异步Slave FIFO写数据模式硬件结构框图 F i g 2 H ardw are stru c ture di agram of asyn c hronou s Sl ave FIFO wri te d ata m ode 率 因此设计通过异步Sl ave FIFO 写模式进行数据传 输 硬件结构框图如图2所示 为了增强系统整体抵抗电磁干扰的能力 数据传 输模块的电源采取与采集模块模拟电源隔离的设计 采集模块由电池和DC DC模块组成的高质量的直流 电源供电 传输模块则由上位机USB接口供电 由于 CY68013A一 128芯片工作需要3 3V 电压 而USB总线 电 压 为 5V 不 能 直 接 使 用 因 此 这 里 采 用 LT 1763CS8 3 3电压调整芯片来实现5V 到3 3V 的电压 转换 2 系统软件设计 2 1数据采集模块程序设计 采集模块的程序存放在单片机中 主要完成多路 检测信号的选通 采样 并负责将数据写人FIFO缓冲 区 程序流程如图3所示 将里程轮输入信号接在单片 机的0号中断引脚 在中断信号的触发下 单片机控制 模拟多路开关的开断 通过内置的A D转换器进行信 号采样 完成36路检测数据的采集 然后再按照规定的 时序将数据写入USB控制芯片的FIFO缓冲器中即可 2 2数据传输模块程序设计 USB控制芯片CY68013的固件程序 负责处理上位 机发来的USB设备请求 通知单片机开始采集 接收单 片机写人数据 以及将缓冲区中的数据打包发送给上位 机 系统固件程序采用K ei l c 51语言编写 在CY 68013内 置的8051内核中运行 代码可以通过USB接口从主机下 载到芯片内部RAM 中 也可以存储在EEPROM 中 上电 时自 动加载 固件程序流程如图4所示 Sl ave FIFO 模式的配置是通过一系列的寄存器来 实现的 程序首先调用TD Ini t 函数 该函数在USB 上电后只执行一次 完成所有需要用到的全局变量和 寄存 器的初始化 然后配置E PxC FG E PxFIFO CFG FIFORESET EPxAUTOINLENH 等寄存器 设定采用 AUTOIN数据传输模式 设置512字节的双重缓冲区 芯片会在FIFO缓冲区满时自动将512字节的采集数据 打包发送到上位机 2 3 U SB驱动程序设计 在W indows操作系统下 应用软件一般不能直接 对硬件接口进行操作 必须通过处于内核模式的驱动 程序间接地对I O端口进行操作 在Cypress的设备驱 动程序工具包的支持下 通过调用USB接口相关的 API函数便可完成上位机USB设备程序的开发 检 测 器 上 位 机 软 件 由 LabV IE W 编 写 由 于 LabV IE w 不支持直接访问U SB 接 口 因此设计采用 了 本机网卡通讯的方法 具体来说就是利用本机网络端 口IP 127 0 0 1 构建服务器一 客户端 Server Cl ient 模型 进行数据传输 将LabVIEW 程序设为Server USB驱动程序设为Cl i ent 驱动程序通过向1 hVIEW 程 序发送连接请求建立连接 然后将数据发送到本机网 络端 口 LabV IEW 通过TC P IP操作函数 将网络端 口 数据读人上位机软件 中进行显示 3 实验结果 在试验车间的条件下 采用了厚度 l Om m 的钢板 作 为标准试板 并参 照美 国石油学 会标准API Std653 2001的要求 在钢板上加工了一组半球形盲 孔来模拟储罐底板上的腐蚀缺陷 如图5所示 图6为 该系统采集的检测数据经过上位机软件处理以后显 示出来的波形图 上位机软件可以控制系统开始和停 止采集 实现检测数据的实时显示 回放和保存 缺陷 的辨识和量化等功能 系统在检测器里程轮脉冲的触 发下进行等间隔的采样 采样的距离间隔为2mm 确 一 59 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 总第 47 卷第 532 期 2010 年第 04 期 电测 与仪表 E l ec tri c al M easu rem en t Instru m ental i on r0 I 47 N o 532 A pr 2010 图3单片机程序流程 图 Fi g 3 M i c roc ontrol l er program flow di agram 单位 m m 800 T 10 0 孔 深 20 T 孔深40 T 0 孔深60 T 孔深 8O T 8 l I 寸 7 图5 储罐底板标准缺陷试板 F i g 5 Sta ndard tank fl oor defec t test board H R 缓冲区满 是 j 数据打包发送到上位 图4 U SB 控制芯片固件程序流程 图 Fi g 4 U SB c ontrol l er fi rm w are program fl ow di agr am F i g 6 In sp ec ti on si gn al w aveform d i sp l ayed by up per c om puter softw ar e 保了检测的清晰度 4结束语 本文介绍了 基于usB的储罐底板检测器采集系 统 重点介绍了单片机采集模块和USB数据传输模块 的设计以及相关程序的开发 实现了36路检测信号的 一 60 一 高速采集和实时传输 本文设计的数据采集系统已成 功地应用于储罐底板漏磁检测器中 该系统采集的多 路检测数据经过上位机软件处理显示后能够较为准确 地辨识实验试板上缺陷 确定缺陷的大小和位置 通过 USB接口 上位机可以方便地控制采集的起始和停止 鑫 厂 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 总第 47 卷第532 期 2010 年第 o4 期 电测与仪表 E l ec tri eal Measu rem ent l n strum en tati on V l0 I 4 7 N 0 S 2 A p r 2010 实现随采随停 工程试验证明 系统工作可靠稳定 为 完成储罐底板高速缺陷检测任务提供了有效的保证 参 考 文 献 1 Porter Patri c k C Use of m agneti c fl ux l eakage M rL for the i nspec tion of pi pel i nes and storag e tanks J Proc SPIE Int Soc O pt E ng 1995 2454 1 72 1 84 2J李春树 李 涛 武新军 等 常压储罐底板漏磁检测技术开发与应用 J 石油化工设备技术 2004 25 2 57 58 LI Chunshu LI Tao W U X i un et a1 D evel opm ent an d appl ic ati on of bottom pl ate l eakag e m agnet detec ti on tec hnol ogy for storag e tan k J Petro ehem i c al E qui pm ent Tec hnol ogy 2004 25 2 57 58 3 黄松岭 赵伟 宋小春 等 基于虚拟仪器技术的储罐底板缺陷检 测器 J 仪器仪表学报 2007 28 4 200 204 H U A NG Songl i ng Z H A O W ei SO N G X i aoc hun et a1 D efec ts i nspec t i on system fo r tank fl oor S based on vi rt ual i nstrum ent tec hni qu e叨 Ch i nese Journal of Sc i entifi c Instrum ent 2007 28 4 200 204 4 宋小春 黄松岭 赵伟 等 高清晰度储罐底板漏磁检测器的研制 J 化工自 动化及仪表 2007 34 1 77 80 SO N G X i aoc hun H UA N G S ongl i ng ZH A O W ei et a1 D evel opm ent of a hi gh resol uti on M FL i nspec ti on system fo r tank fl oors J C Ontrol an d Instruments i n Chemi c al Industry 2007 34 1 77 80 5 薛圆圆 USB应用开发技术大全 M 北京 人民邮电出版社 2007 X U E Y uanyuan U SB appl i c ati on devel opm ent tec hni c al m an ual B ei ji n g Posts Tel ec om P ress 2007 6 API standard 653 2001 Tank Inspecti on Repm r Al terati on an d Rec onstruc ti on