礦用本質安全型線陣列X射線接收箱設計

方崇全

(1.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400039；2.瓦斯災害監控與應急技術國家重點實驗室，重慶 400037)

0 引言

鋼絲繩芯輸送帶作為煤礦煤流運輸的主要工具[1]，需要定期對輸送帶進行無損探傷，以發現輸送帶內部鋼絲繩接頭硫化不規范、接頭抽動、斷繩、銹蝕、劈絲等安全隱患[2-3]。目前，采用X射線透視成像是鋼絲繩芯輸送帶無損探傷的主要手段[4-6]，其檢測原理：利用X射線照射正在運轉的輸送帶，由線陣列X射線接收箱采集經輸送帶衰減后的X射線并生成線陣列X射線圖像數據，監控計算機中的成像軟件根據線陣列X射線圖像數據重構輸送帶二維透視圖像，從而實現輸送帶無損探傷。

線陣列X射線接收箱作為煤礦鋼絲繩芯輸送帶無損探傷的關鍵部件，可設計為礦用隔爆型或礦用本質安全(下文簡稱本安)型。礦用隔爆型線陣列X射線接收箱一般選用工業探傷用線陣列探測板，僅能適應低帶速且帶速恒定的輸送帶無損探傷[7-10]；針對寬帶面輸送帶無損探傷，礦用隔爆型線陣列X射線接收箱的隔爆外殼加工困難，且隔爆外殼質量大[11-12]，在輸送帶上安裝非常不便。此外，煤礦輸送帶運行速度隨載荷的變化而波動[13]，為了等比例重構輸送帶二維透視圖像，線陣列X射線接收箱應實時采集輸送帶運行速度。鑒于此，筆者以FPGA為核心控制器，設計了一種礦用本安型線陣列X射線接收箱，可實現鋼絲繩芯輸送帶X射線圖像數據及輸送帶運行速度實時采集、高速傳輸等功能，滿足煤礦對高帶速、寬帶面的鋼絲繩芯輸送帶X射線無損探傷的需求。

1 總體方案

礦用本安型線陣列X射線接收箱由信號探測板和信號處理板組成，如圖1所示。

圖1 礦用本安型線陣列X射線接收箱組成

信號探測板采集透過輸送帶的X射線信號并生成線陣列X射線圖像數據。不同縱向拉伸強度輸送帶的鋼絲繩直徑為3.0～15.0 mm[14]，為了能夠分辨直徑3.0 mm的鋼絲繩，信號探測板采用像元間距1.6 mm的X射線探測器，每塊信號探測板搭載4個X射線探測器，每個X射線探測器具備16個探測通道，因此每塊信號探測板的檢測寬度為100.8 mm。

信號處理板集中處理信號探測板采集的線陣列X射線圖像數據，同時采集輸送帶運行速度，通過千兆以太網接口將數據傳輸至監控計算機供成像軟件進行圖像重構。我國生產的礦用鋼絲繩芯輸送帶寬度為800～2 200 mm[15]，為滿足帶寬2.2 m的輸送帶成像需求，信號處理板設計4條總線，每條總線級聯6塊信號探測板，因此，礦用本安型線陣列X射線接收箱的檢測寬度為2.4 m。此外，信號處理板實現本安電源的過流、過壓保護及電壓等級變換，并通過總線為信號探測板供電。

2 硬件設計

2.1 信號探測板

信號探測板主要包括DC/DC電源變換模塊、X射線探測器、A/D轉換模塊、FPGA、M-LVDS(Multipoint Low Voltage Differential Signaling，多點低電壓差分信號)收發器和總線接口等，如圖2所示。

圖2 信號探測板硬件框圖

信號探測板的本安設計：電源輸入端采用雙二極管串聯進行隔離，防止電路故障的情況下，級聯的多塊信號探測板電源輸入端的電容并聯；DC/DC電源變換模塊設計二級過流保護，限制電源能量，使電路元件在正常和故障狀態下的熱效應均不超過150 ℃；DC/DC電源變換模塊的輸出端設計二級過壓保護，當模塊輸出端發生過壓時，通過晶閘管保護電路將電源輸入端對地短路，引起電源輸入端的二級過流保護電路動作，從而切斷電源，防止電源電壓施加在輸出端的電容上。

DC/DC電源變換模塊電路如圖3所示。總線接口輸入的6.5 V電源經過二級過流保護電路后，通過LDO電源芯片轉換為5.0 V電壓，再通過Buck降壓電路轉換為3.3，2.5，1.2 V電壓給FPGA和M-LVDS收發器供電。

圖3 DC/DC電源變換模塊電路

X射線探測器采用SF-XD-16HS，每個探測器集成16通道碘化銫晶體和光電二極管。探測器將接收的X射線信號轉換為可見光，再通過光電二極管轉換為電流信號。

A/D轉換模塊將X射線探測器輸出的電流信號轉換為數字信號。采用64通道并行高速A/D轉換芯片DDC264CK，該芯片集成電流積分電路和A/D轉換電路，采用雙積分切換實現一個積分器進行A/D轉換，另一個積分器同時進行輸入電流積分，提高芯片的轉換速率。A/D轉換芯片積分時間可低至166 μs，而X射線探測器的像元間距為1.6 mm，因此礦用本安型線陣列X射線接收箱可適應的輸送帶最高運行速度為9.6 m/s。

FPGA選用Cyclone III系列芯片，利用Verilog HDL硬件設計語言實現A/D轉換控制、數據接收、總線數據收發等功能。

總線接口信號包括1路時鐘信號、1路信號處理板到信號探測板的下行數據信號、1路信號探測板到信號處理板的上行數據信號。時鐘和數據信號均通過M-LVDS收發器驅動，M-LVDS收發器共模電壓范圍為-1.0～3.4 V，抗干擾性強，具有30～50 Ω負載阻抗的差分線路驅動能力，信號傳輸速率高，能滿足信號探測板與信號處理板之間的數據高速、可靠傳輸需求。

2.2 信號處理板

信號處理板主要包括DC/DC電源變換模塊、FPGA、存儲器、輸送帶速度采集接口、千兆以太網接口、M-LVDS收發器和總線接口等，如圖4所示。

圖4 信號處理板硬件框圖

信號處理板的本安設計：信號處理板將輸入的12 V/2.6 A本安電源降壓變換為2路6.5 V電源為信號探測板和信號處理板供電。2路電源均設計二級過流保護電路，保證降壓電路元件表面溫度在正常和故障狀態下均不超過150 ℃。一路電源給總線接口1、總線接口2上的信號探測板供電，限流1.2 A，另一路電源給總線接口3、總線接口4上的信號探測板供電，并為信號處理板供電，限流1.6 A。

存儲器包括SDRAM，EEPROM，Flash：SDRAM選用IS42S16160G芯片，作為程序運行內存；EEPROM選用24LC32A芯片，用于配置參數存儲；Flash選用EPCS64SI16N芯片，用于FPGA程序存儲，上電時FPGA自動從Flash中加載程序。

輸送帶速度采集接口電路如圖5所示。安裝在輸送帶上的速度編碼器輸出的脈沖信號先通過保險絲和TVS管實現過流過壓保護，然后通過RC電路濾波，再通過LM339比較器實現脈沖整形，整形后的脈沖信號經高速光耦隔離后由FPGA采集。

圖5 輸送帶速度采集接口電路

3 軟件設計

礦用本安型線陣列X射線接收箱的軟件設計包括信號探測板及信號處理板FPGA程序設計、信號處理板嵌入式軟件設計。FPGA程序是以Verilog HDL語言在Quartus II開發環境編寫。嵌入式軟件程序采用C語言編寫，在Nios II開發環境編譯，運行在信號處理板FPGA的Nios II軟核上。

3.1 信號探測板FPGA程序

信號探測板FPGA程序實現的功能包括接收信號處理板發送的配置及控制命令、啟動A/D轉換、讀取A/D轉換模塊的數據并將數據發送到信號處理板。信號探測板FPGA程序狀態轉換如圖6所示。

圖6 信號探測板FPGA程序狀態轉換

(1)FPGA上電及收到信號處理板下發的參數配置命令時進入“初始化/配置”狀態，產生100 ms的低電平對各電路進行初始化，然后從EEPROM中讀取配置參數，對A/D轉換等參數進行配置，配置完成后進入“等待”狀態。

(2)在“等待”狀態下，當收到信號處理板下發的參數配置命令時進入“初始化/配置”狀態，當收到信號處理板下發的啟動采集命令時進入“A/D轉換”狀態。

(3)在“A/D轉換”狀態下，按照配置的積分參數產生A/D轉換時序信號，由A/D轉換模塊周期性地將X射線信號轉換為圖像數據。當A/D轉換模塊的數據有效信號為高電平時進入“數據緩存”狀態，當收到信號處理板下發的停止采集命令時進入“等待”狀態。

(4)在“數據緩存”狀態下，讀取A/D轉換模塊轉換的圖像數據并寫入內部RAM。當數據發送脈沖信號為高電平時進入“數據發送”狀態，當收到信號處理板下發的停止采集命令時進入“等待”狀態。

(5)在“數據發送”狀態下，按約定的總線時序依次將圖像數據發送到總線上。當收到信號處理板下發的停止采集命令時進入“等待”狀態。

3.2 信號處理板FPGA程序

信號處理板FPGA程序實現的功能包括配置參數、接收信號探測板采集的線陣列X射線圖像數據、采集輸送帶運行速度、緩存數據、通過UDP包傳輸數據至監控計算機。信號處理板FPGA程序狀態轉換如圖7所示。

圖7 信號處理板FPGA程序狀態轉換

(1)信號處理板上電初始化處于“待機/配置”狀態，從EEPROM中讀取配置數據，配置相關參數。當收到信號處理板發送的啟動采集命令時進入“數據接收”和“輸送帶速度采集”狀態。

(2)在“數據接收”狀態下，接收信號探測板傳輸的線陣列X射線圖像數據，對數據進行串并轉換后，進入“RAM緩存”狀態。

(3)在“輸送帶速度采集”狀態下，完成輸送帶速度采集后，進入“RAM緩存”狀態。

(4)在“RAM緩存”狀態下，當數據寫入RAM后進入“UDP發送”狀態，當收到信號處理板發送的停止采集命令時進入“待機/配置”狀態。由于輸送帶X射線圖像數據量大，對數據傳輸的實時性要求高，采用2片RAM按照乒乓切換的方式對數據依次進行處理和封裝，奇偶行數據分別寫入不同的RAM中。第1個緩存周期，將數據寫入RAM1中，處理和傳輸RAM2中的數據；第2個緩存周期，將數據寫入RAM2中，處理和傳輸RAM1中的數據。

(5)在“UDP發送”狀態下，通過UDP包發送輸送帶X射線圖像數據和運行速度。當收到信號處理板發送的停止采集命令時進入“待機/配置”狀態。

3.3 信號處理板嵌入式軟件

信號處理板嵌入式軟件與監控計算機中的成像軟件建立可靠的Socket網絡通信后，接收成像軟件下發的啟停控制、參數配置、恢復出廠設置、設備復位等指令，并將接收的指令傳遞給FPGA程序，控制X射線數據及輸送帶速度信號的采集和傳輸。信號處理板嵌入式軟件流程如圖8所示。

圖8 信號處理板嵌入式軟件流程

4 測試驗證

研制了礦用本安型線陣列X射線接收箱樣機，質量為54 kg，約為相同檢測寬度(2.4 m)的隔爆型線陣列X射線接收箱質量的1/6。信號探測板與信號處理板實物如圖9所示。

(a)信號探測板

研制的礦用本安型線陣列X射線接收箱樣機在煤炭工業重慶防爆電氣檢驗站進行了圖紙審查及火花點燃試驗，經評估和測試，樣機滿足本安設計要求。

在礦用輸送帶X射線探傷實驗室進行了輸送帶成像試驗，試驗現場如圖10所示。X射線源在輸送帶寬度方向的照射角度為80°，X射線源焦點與輸送帶之間的距離大于0.6 m，X射線源發出的射線可覆蓋帶寬1 m的輸送帶。輸送帶X射線透視圖像如圖11所示，可清晰呈現輸送帶內鋼絲繩劈絲情況。

圖10 試驗現場

圖11 輸送帶X射線透視圖像

5 結語

礦用本安型線陣列X射線接收箱由信號探測板和信號處理板組成：信號探測板采用X射線探測器和64通道并行高速A/D轉換模塊采集經輸送帶衰減后的X射線信號并轉換為線陣列X射線圖像數據；信號處理板通過M-LVDS收發器及FPGA實現24塊信號探測板圖像數據的同步高速采集和處理，同時可實時采集輸送帶運行速度，并通過千兆以太網接口傳輸數據。該礦用本安型線陣列X射線接收箱可實現高帶速、寬帶面的鋼絲繩芯輸送帶X射線透視成像，具有質量小、安裝方便等特點。