高清晰度漏磁管道內檢測器主控系統的設計*

李 健，崔劍雷，劉 棟

(1.天津大學精密測試技術及儀器國家重點實驗室，天津300072;2.天津綠清管道科技發展有限公司，天津301700)

0 引言

常見的管道內檢測技術有漏磁通、渦流和超聲檢測技術等。但由于當前各類內檢測技術具有針對性和局限性，不能同時檢測出各種類型缺陷，經常會造成對不敏感缺陷的漏檢或缺陷評定誤差的增大。為了彌補這一不足，往往需要在同一管道內運行多種內檢測設備以便發現不同類型缺陷。這不僅提高了運行成本，而且增加了檢測過程中的風險。因此，提高管道內檢測技術探測能力、精度和可靠度，成為了內檢測技術一直努力探索的方向，高清晰度漏磁管道內檢測技術的研發正是基于這一需求的產物［1］。

目前，國外的高清晰度管道內檢測器制造技術已經很成熟。1998年，英國PII公司研制出新一代系列漏磁裂紋檢測器，據稱能滿足?200～2 000 mm天然氣管道的檢測，并已完成上萬公里天然氣長輸管道的檢測任務，其對軸向焊縫開口寬度的檢測精度達到了0.1 mm［2］。但該技術屬于壟斷技術，我國每年為檢測管道缺陷花費巨大。因此，自主研制高精度管道檢測設備是十分必要的。

高清晰度漏磁管道內檢測器利用漏磁檢測原理，使用霍爾傳感器測量管道飽和磁化后所產生的磁通信號，實現對埋地管道缺陷的識別，其檢測精度和缺陷識別率主要取決于單位檢測面積、傳感器數量和數據采集精度。增加傳感器數量、提高采集精度可以滿足檢測要求，這就要求檢測器必須具有高速數據采集、存儲海量數據的基本功能。主控系統位于檢測器記錄儀艙內，主要完成檢測過程中的數據采集、壓縮、存儲功能。因此，能否完成高速、海量數據的采集與存儲，是本文設計的主控系統的難點和關鍵。

1 檢測器總體結構簡介

檢測器由漏磁探測艙、記錄儀艙、電池艙組成，相互間用萬向節連接。

主探頭放置于漏磁探測艙周圍，數量為132個，每個主探頭內包含10只霍爾傳感器。檢測時探頭緊貼管壁，采集到的磁場強度信號被存儲至位于記錄儀艙的存儲設備中。

電池組放置于電池艙內，向漏磁探測艙和記錄儀艙輸出5 V工作電壓。

IDOD探頭與里程輪放置于記錄儀艙外，IDOD探頭數量為12個，每個探頭內包含10個線圈傳感器，用于辨別內外管壁缺陷。里程輪沿管壁轉動，每轉過0.12 rad(對應檢測器前進3.3 mm)發出一個脈沖，檢測器每收到一個脈沖完成一次數據采集。

主控系統位于記錄儀艙內，控制檢測器分別工作于調試模式和檢測模式。在調試模式，主控系統對檢測器中各傳感器進行調試，并實現與地面標記系統時鐘的同步;在檢測模式，主控系統完成海量傳感器數據的傳輸、壓縮和存儲功能，同時檢測電池電量以完成電源管理功能。

2 主控系統硬件設計

漏磁場檢測的數據量非常龐大，要提高系統的探傷精度，需要進一步增加探頭排列密度，減小采樣時間間隔。然而，目前檢測系統的數據存儲速度和存儲容量都已接近極限［3］。因此，必須對檢測器主控系統重新設計，本文設計的主控系統硬件構成如圖1所示。

圖1 主控系統硬件構成示意圖Fig 1 Schematic diagram of hardware structure of MCS

本文設計的主控系統須在一次采樣時間間隔內(0.41～0.66 ms)同時采集144路數據。FPGA具有高速、可編程的優點，本文以Altera公司的FPGA作為主控系統的前端，產品型號為Cyclone III系列EP3C55F484I7，利用FPGA并行處理能力［4］，使其每接收到一個里程輪脈沖信號完成一次144路探頭數據的并行接收。

PC104plus產品在電氣特性和機械特性上可靠性高，其中CPU板卡具有易操作、計算能力強的特點，同時支持PCI總線，可以連接高速外接設備。本文設計的主控系統采用的PC104plusCPU板卡型號為研華PCM—3362Z2，其作為檢測器主控系統的核心，可完成檢測器在調試模式和采集模式下的工作。在調試模式下，CPU板卡通過RS—485串口與上位機通信，CPU接收到上位機調試指令后完成相應的調試工作。其中，主探頭、IDOD探頭的調試通過PCI9054接口芯片完成，溫度傳感器、姿態傳感器的調試通過RS—232串口完成，與地面標記器的主時鐘同步通過RS—485總線完成;在采集模式下，CPU板卡通過 PCI9054接口芯片接收32位數據，利用CPU對接收數據進行壓縮處理，之后將壓縮數據通過SATA存儲接口寫入固態硬盤，同時，通過RS—232串口完成電池電量檢測工作。檢測結束后，主控系統從記錄儀艙取出，檢測數據通過千兆網口傳輸至上位機。

FPGA與PC104plus的連接選用PLX公司生產的PCI9054芯片。該芯片完成本地總線到PCI總線的數據傳輸，支持DMA傳輸方式。DMA傳輸方式可使數據直接通過芯片進入CPU板卡內存，而不用通過CPU將數據寫入內存，這樣不但極大提高了數據傳輸速度，也降低了CPU功耗，CPU可以將有限的資源用于數據壓縮，這對于本文設計的主控系統至關重要。普通數據傳輸與DMA數據傳輸的對比如圖2所示。

圖2 DMA與普通數據傳輸方式對比示意圖Fig 2 Schematic diagram of comparison between DMA and general mode of data transmission

由于工作環境限制，設計選用2.5 in(1in=2.54 cm)寬溫固態硬盤，容量為256 GB，滿足了數據存儲要求。

3 主控系統軟件設計

主控系統軟件程序須支持檢測器兩種工作模式的切換。程序總體流程為:檢測器主控系統啟動，系統程序開機自運行，若在系統程序運行的前20 s內外界進行干預，檢測器進入調試模式，若20s內無外界干預，檢測器進入采集模式。

3.1 調試模式軟件程序設計

檢測器在進入管道前需要在現場與上位機進行通信，對各部分進行調試以確定檢測器是否工作正常，若不正常則更換部件，確保管道檢測順利進行。由于調試現場存在潛在的爆炸性環境和地面標記系統的接口限制，本文設計的主控系統只采用串口通信的方式對主控系統進行調試。調試模式程序流程圖如圖3所示。

圖3 主控系統調試模式程序流程圖Fig 3 Program flow chart of MCS modulating mode

3.2 采集模式軟件程序設計

檢測器進入管道轉入采集模式后，開始對管道進行檢測，若使檢測器正常工作，主控系統必須滿足技術指標，即數據傳輸速度達到6.7MB/s，可存儲245 GB檢測數據。

為了滿足數據傳輸速度這一技術指標，主控系統采用了DMA數據傳輸技術。軟件部分，使用PLX SDK對PCI9054DMA控制器進行初始化并控制傳輸過程。由于主控系統前端FPGA緩存數據位于0x0000-0x1FFF這一連續地址空間內，故本文設計中采用了BLOCK DMA傳輸方式，同時利用中斷配合DMA傳輸，使PCI9054接收到FPGA緩存滿這一中斷信號后方可開始DMA傳輸。

檢測器從進入管道直至檢測結束，會產生約245 GB檢測數據。本文在將數據儲存入硬盤前，利用了霍夫曼與LZW壓縮編碼結合的算法對數據進行了數據壓縮，節省了存儲空間，對以后提高管道漏磁檢測系統的分辨率和延長檢測距離有著重要的意義。

檢測器工作于采集模式時，為了保證數據的連續傳輸和數據存儲的正常進行，主控系統使用了雙緩沖和多線程技術。雙緩沖開辟于PC104plusCPU板卡的內存中，單個緩沖區大小為32MB，兩者均可作為DMA數據傳輸的目的地址，其中一緩沖區數據存滿后，由數據存儲線程完成對數據的壓縮并存儲入硬盤。同時，另一緩沖區由DMA傳輸線程完成DMA數據的接收。依次輪流完成數據傳輸。采集模式下程序流程圖如圖4所示。

圖4 主控系統采集模式程序流程圖Fig 4 Program flow chart of MCS acquisition mode

4 實驗結果

本文對該主控系統進行了實驗。實驗中對主控系統FPGA緩存寫入固定格式數據，緩存大小為32 kB，數據格式為0X00000000～0X00001FFF，循環填滿緩存。PC104plusCPU主板通過PCI總線反復讀取緩存數據，數據傳輸方式采用DMA方式。實驗進行5次，每次實驗持續進行3 h，實驗結果如表1所示。

表1 實驗結果數據Tab 1 Datas of test result

實驗結果表明:數據正確率為100%，未發生數據錯誤和丟失。

5 結論

本文針對高清晰度漏磁管道內檢測器的單位時間采集數據量和總采集數據量大的特點，設計了以PC104plus CPU板卡為核心的主控系統。滿足了檢測器在調試模式和采集模式下的工作要求，設計方案切實可行。

［1］馮慶善.在役管道三軸高清漏磁內檢測技術［J］.油氣儲運，2009(10):72-75，84，93-94.

［2］宋小春，黃松嶺，趙 偉.天然氣長輸管道裂紋的無損檢測方法［J］.天然氣工業，2006(7):103-106，160.

［3］楊理踐.管道漏磁在線檢測技術［J］.沈陽工業大學學報，2005(5):46-49.

［4］劉福奇.FPGA嵌入式項目開發實戰［M］.北京:電子工業出版社，2009.