數字無線網絡技術在實時無損檢測系統中的應用

摘 要：在傳統的實時無損檢測系統中，信號傳輸采用模擬信號或數字信號通過模擬電臺實時傳輸，信號在傳輸過程中容易受到現場工作環境干擾和帶寬限制，從而導致信號的失真，嚴重影響后續處理精度。因此基于數字信號傳輸特點及數字無線網絡新進展的深入研究，討論現代數字信號傳輸系統的組成、無線網絡系統技術在實時無損檢測系統中的應用、相關軟硬件設計與實現方法。實驗表明該檢測系統性能穩定、靈敏度高。

關鍵詞：數字無線網絡系統；實時無損檢測系統；信號傳輸與控制；模擬電臺實時傳輸

中圖分類號：TP393文獻標識碼：B

文章編號：1004-373X(2008)08-182-03

Application of Digital Wireless Network Technology in Realtime

Nonconstructive Detection System

WANG Kaizhi，LIU Cuishan，LUAN Jiangfeng，DING Qimin

(Mechanic Engineering School，Liaoning Shihua University，Fushun，113001，China)

Abstract：Traditional RealTime NonConstructive Detection System (RTNCDS) transmits analog / digital realtime signals via analog radio stations，which is vulnerable to the working circumstances and is confined by bandwidth，resulting in signal distortion that seriously affects the accuracy of consequential signal processing.Now based on the characteristics of digital signals latest development of Digital Wireless Network Technology (DWNT)，the components of modern digital signal transmission system，application of DWNT in RTNCDS，design of supporting software hardware，and application methods are discussed，the tests show this system has a stable performance and a high sensitivity.

Keywords：digital wireless network system;realtime nonconstructive detection system;signal transmission control;analog radio realtime transmission

在當今無線測控工作站的檢測信號與控制信號傳輸過程中，一種是傳統的模擬式傳輸，以FMFM為代表；一種是數字式傳輸，以PCM為代表。兩種方法各具特點，模擬式傳輸實現起來比較簡單，不需要專用的控制芯片進行數據控制，實時性好，不足之處是傳輸精度不高且易受環境干擾；數字式傳輸實現起來比較復雜，需使用專門的智能控制芯片進行數據位控制。在檢測狀態進行數字通信時，要保證數據位的同步極為困難，成為制約數字式無線通信工程應用的主要瓶頸。而其優點則是傳輸精度高，安全性好，是未來無線通信發展的方向。尤其在現代無損檢測過程中，由于現場工作環境惡劣，不可控干擾因素較多，信號的抗干擾能力就顯得非常重要。

1 傳統模擬系統組成

測量系統組成如圖1，圖2所示。

在傳統模擬系統中，測量站基本組成為：傳感器組、數據采集器、單片機或PLC控制系統和通訊適配器及模擬電臺。信號傳輸一般分為2組，一組是采集信號傳輸，一組是測量站工作控制信號傳輸。在傳輸過程中，可以采用模擬式傳輸，或現代的數字電臺傳輸。要保證信號穩定傳輸，一般要求用兩組信號通道分別傳輸，傳輸過程中還要考慮到電源干擾及檢測部件如射線源的輻射干擾等。對于信號采集系統而言，數據采集器采集的模擬信號如果直接通過模擬電臺傳輸，傳輸精度及帶寬由于各種現場環境的影響，其效果難以保證，即便是信號通過模/數轉換后經由數字電臺傳輸，傳輸精度及帶寬也不能保證實時信號能為后續處理系統接受。控制部分一般是利用單片機或PLC實現。單片機和PLC的造價可能較低，但單片機前期開發及量產少問題困擾著系統開發者。控制精度和系統調試上，單片機和PLC系統調試需要有專門的外圍設備和專業技術人員的支持。遙控測量站動作所需的控制信號由模擬FM電臺傳輸，控制信號的精度由于現場環境影響有時也不能保證。系統調試過程中的工作量及系統運行過程中的人機互動過程實現也極其困難，特別是在遙控站系統發生故障時，系統修復及人工控制又為系統開發與應用提出了難題。因此，傳統模擬信號傳輸系統及部分數字信號傳輸系統在應用過程中有很多不足及難以預料的問題。

2 數字系統組成

其測量系統組成如圖3，圖4所示。

在數字系統組成中，模擬信號經由傳感器組傳輸到數字數據采集器中，經過濾波、放大、模/數轉換等轉換成數字信號傳入測量站控制機。控制機經由Intel公司的WIFI無線網絡端口與主控機進行無線聯網，通過對主機與測量站控制機的分別設置，使測量站控制機成為主控機的一個遠程終端，實現對其完全遠程控制。通過無線網絡，測量站控制機采集的實時數據及圖象傳輸至主控機，同時主控機對測量站控制機進行全面控制，并且通過RS 232端口或USB端口控制其他外圍設備。如果在測量過程中，無線信號傳輸有較強烈的干擾（如X射線干擾），可利用無線網絡進行機器工作狀態預覽。測量站控制機采集實時數據并存儲，干擾去除后，再把有用信號無線傳輸至主控機。主控機在接收信號的同時并控制測量站設備進行下一次信號采集準備，一切就緒后，打開采集系統進行下一次工作。如此添加中間存儲環節，通過全數字的無線信號傳輸，提高了數字信號傳輸精度，也提高了抗干擾能力及控制精度。

2.1 傳感器組及數字信號采集器的組成

該系統可以應用于現有的多種檢測技術中，即能把傳感器組所得到的檢測信號通過信號采集器變為數字信號的所有系統中。該系統不但能完成常規信號（如溫度，壓力，流量等傳感器組采集的信號）和非常規信號（攝像頭，各種內窺鏡，聲納信號等）的傳遞工作，更可應用于無損檢測工程領域，用以傳輸超聲波測量信號和X射線檢測圖像的數字信號。比如，超聲波探頭信號，當超聲波探頭換能器將探傷回波轉化為電信號，信號采集器即可設計為具有信號放大、濾波、整定、模/數轉換等功能的結合體，當信號經過一系列整定變為數字信號后，再經由測量站控制機端口進入計算機進行儲存和傳輸，完成信號采集；而對于X射線數字實時成像采集設備——平板檢測器（FPD），若平板檢測器能直接輸出數字圖象，便可以直接通過數據電纜，經過測量站控制機端口進入計算機存儲和傳輸；對于需要轉換的信號，可以先經過專有設備轉換為測量站控制機所能采集的信號，再進入計算機進行存儲和傳輸。

2.2 測量站控制機

測量站控制機在整個測量站中處于核心地位，對于能否實現測量站的正常工作及穩定信號傳輸有極其重要的作用，所以對其選擇一定要慎重。測量站控制機性能必須滿足以下幾點：

（1） 具有低功耗、高效率特性、最好能直接由標準電池組直接驅動；

（2） 工作溫度區限必須寬、散熱性良好、適用于溫度變化大的場合；

（3） 耐沖擊、耐震動、適用于各種現場環境；

（4） 體積適中，對于一些移動采集測量站尤為重要；

（5） 擁有數字無線傳輸能力，支持無線傳輸協議；

（6） 系統能和主控機進行良好的系統兼容，能保證順利的軟件對接；

（7） 有豐富的外圍接口，能與多種信號采集器及工業控制器PLC等設備進行數據傳輸與控制。

基于以上幾點和現有的軟件流行趨勢，應該選擇盒式工控機和單片機等應用廣泛的工業控制機。這種工控機具有良好的接口性能，擁有LAN接口，能支持WIFI無線傳輸協議，有擴展功能。最好采用裝有Windows XP Embedded 系統的工控機，這樣就能更好地實現測量站的穩定工作和信號傳輸。

2.3 通訊適配器及通訊協議的選擇

考慮現場實際工作環境，合理地選擇通訊適配器及通訊協議，對于是否能穩定、高效、保證傳輸精度也很重要。對于一般測量站與主控機，因其在可視的范圍內，可以選擇現在通用的WIFI信號適配器。在WIFI信號能滿足的情況下，如需遠距離傳輸控制，可以添加無線網絡路由器，經路由器與INTERNET廣域網進行連接，進行合理配置后，擴展為遠距離傳輸，多點傳輸與控制。例如，在油品常輸管線冰堵點定位檢測中，檢測現場工作人員、遠程監測人員、介質加壓泵站人員都需要同時了解實時檢測狀態，通過該系統可良好實現多點傳輸與控制。如果不能保證工作場合有廣域網連接，也可添加WIFI信號功率放大器或者添加現有的數傳電臺，如Motorola公司的GM系列車載電臺，工作于VHF/UHF頻段，可進行無線數傳（9線制標準串行RS 232接口），或者美國MDS公司遙測遙控系列數字電臺（采用數字信號處理、糾錯編碼、軟件無線電、數字調制解調和表面貼片一體化設計等技術，具有高性能、高可靠性的特點，電臺能提供標準232數據口并可直接與計算機、地震數據采集器、RTU數據終端、GPS接收機、數碼相機等連接）。

2.4 主控機的選擇

在選擇主控機時，要考慮到主控站工作環境、數據傳輸與儲存能力、數據處理能力、外圍擴展接口（連接更多的后期數據處理專業設備）等特點。對于移動主控機工作站，可以選擇車載電腦甚至手提電腦。對于需要強大的后期處理能力的，可以選擇圖形工作站等有特殊要求的計算機。對于要求測量系統高精度控制或使用在特殊控制的場合，可以選擇能外接特殊控制系統并可把信號通過無線網絡傳輸給測量站工控機的主控機。

3 結 語

通過把數字無線網絡應用于無損檢測的實時檢測系統中，可以實現原有設備的模擬式傳輸轉換為數字傳輸。對于工作現場沒有干擾，數據傳輸量少的情況，可以選擇功能簡單，造價較低的測量站工控機、單片機。對于多組信號采集，可添加多個信號采集設備和無線網絡路由器、無線信號中繼器等設備進行設備功能擴展。對于現場工作環境復雜，無線信號干擾嚴重的場合，可以先進行信號采集與儲存，結束后，關掉干擾源，再以設定的傳輸方式進行測量站與主控站計算機的無線信號傳輸。

本系統也可添加無線網關等聯入Internet廣域網，進行超遠程數據傳輸與控制，真正實現安全、穩定、高效的異地控制方案。把互聯網技術和現代無損檢測技術良好地結合和運用。通過其他功能擴展，還可實現更強大的控制功能與作用。經實驗室和生產現場應用表明：由于采用全數字無線信號傳輸、數據傳輸準確及時、控制精度高，抗干擾能力強、達到了預期效果。

參 考 文 獻

［1］姜連祥，汪小燕.無線傳感器網絡硬件設計綜述［J］.單片機與嵌入式系統應用，2006（11）:1316.

［2］李洪濤，皇甫堪，王展，等.AT89C51單片機在無線數據傳輸中的應用［J］.單片機及嵌入式系統應用，2003（6）:5860.

［3］陳如明.信號系統與高速無線數字傳輸［M］.北京:科學出版社，2000.

［4］梁森，王侃夫，黃杭美.自動檢測與轉換技術［M］.北京:機械工業出版社，2004.

作者簡介 王開治 男，遼寧撫順人，在讀碩士研究生。主要從事自動檢測與控制技術方向的研究。