一種本安型單通道聲發射數據采集裝置的設計與實現

周家緒

（中移物聯網有限公司 重慶市 400044）

鐵質儲油罐因長期使用其底板會發生腐蝕，為了安全使用，需要定期對其檢測。目前已有的檢測方法[1]有：罐底渦流檢測技術、罐底超聲波測厚技術、漏磁檢測技術和聲發射技術。其中聲發射檢測技術[2]，是一種無損檢測新技術[3]，與傳統無損檢測方法相比，具有檢測速度快、定位準確和操作簡便等特點。聲發射檢測的步驟包括：探測信號、記錄數據、分析數據以及推斷聲發射源位置，探測信號和記錄數據兩個步驟由聲發射數據采集裝置完成，分析數據和推斷聲發射源位置兩個步驟由上位機數據分析軟件完成。

在一些危險易爆的特殊環境中，比如油庫、地下礦藏挖掘現場等，對電子設備有本安防爆的要求。現有的聲發射數據采集裝置為一臺主機集中同時采集多個探頭數據[4]，功耗大，無法滿足防爆要求，故而需要設計一種結構簡單功耗低的聲發射數據采集裝置，本文針對上述問題設計了一種本安型單通道聲發射數據采集裝置。

1 系統架構

本文設計的本安型單通道聲發射數據采集裝置需要滿足數據采集、數據存儲、信息顯示、接收上位機指令等功能。為了滿足裝置功能需求和擴展，系統采用模塊化設計，完整的系統框圖如圖1 所示，系統主要包括微處理器、數據采集模塊、數據存儲模塊、電源模塊、人機交互模塊、通信模塊，其中數據采集模塊和微處理器在整個系統中起著關鍵作用。

2 硬件設計實現

2.1 微處理器

根據單通道聲發射數據采集裝置的應用特點，系統的微處理器需要滿足處理速度快、系統擴展性強、功耗低、成本適中、穩定性高等諸多要求，本文選用TI 公司的AM3517 處理器。AM3517 是基于Cortex-A8 的高性能處理器，其主頻高達600MHz，硬件資源包括：1GB DDR2 內存、64KB SRAM、USB 接口、4 個SPI 接口、4 個UART 接口、186 個GPIO 口。

2.2 數據采集模塊與存儲模塊

數據采集模塊主要包含傳感器、放大器、濾波器、A/D 轉換電路幾部分組成，聲發射傳感器輸出的原始模擬信號幅值很小，不能被A/D 轉換電路識別，所以需要對聲發射傳感器輸出的原始信號放大。聲發射信號的頻率一般在一定范圍內隨機產生，需要對收集的信號濾波，濾除聲發射信號頻率以外的信號。放大、濾波等調理電路[5]完成對原始模擬信號的放大、濾波。放大電路的放大倍數為25 倍，可通過程序控制是否進行放大。濾波電路中設計交流耦合功能，能濾掉信號中的直流成分。

圖1：本安型聲發射檢測儀的結構圖

圖2：主控程序工作流程

經過前兩部的信號處理，信號被輸入A/D 轉換電路轉換成數字信號。根據功耗、精度、速率等實際應用需求，A/D 轉換電路選用ADI 公司的AD7760 24 位模數轉換器，該轉換器具有16 位并口，轉換速率高達2.5 MSPS。根據實際需要，微處理器可通過并口和轉換器進行數據交互，實現對轉換器的初始化配置和數據采集。數據采集完成后經過簡單的處理被存儲到片外的SD 卡。

圖3：通信程序工作流程

鑒于對高速數據存儲[9]和讀寫的要求，在設計中選用速度等級為CLASS10 的SD 卡，SD 卡容量為32GB。采樣數據的在SD 卡中的存儲方式為：每幀數據量16KB，每幀需存儲序號(4B=32 位)、長度(4B=32 位)和采樣起始時間(8B)，通道號（1B），保留(367B)，數據部分16000B，總長度16384B；采用文件格式存儲，1 秒鐘存一個文件，一個文件125 幀（一個文件剛好是1 秒）。

2.3 時鐘模塊

每個聲發射數據采集裝置都有三個基本工作時鐘，即CPU 基本工作時鐘、A/D 采集時鐘、同步時鐘。CPU 基本工作時鐘的功能為持續計時，每次同步信號到達時均要計算同步誤差，同步誤差存儲在采樣數據中。如果同步信號缺失，可以有效發現，并記錄一個空幀。如果同步信號出現其它異常，也能主動判斷，異常信息存儲在保留字段中。經過計算A/D 采集時鐘的工作頻率應為1MHz，同時，A/D 采集時鐘和同步時鐘可以通過CPU 編程輸出穩定時鐘。

2.4 電源模塊

采用鋰電池作為電源，需達到本安防爆要求，鋰電池電源的供電電壓為12V，電量不小于3Ah，供電能保證2 小時連續工作且能循環充電。電源轉換電路達到A/D 采樣精度及可靠性要求，根據設備實際設計需求，需要設置4 種不同類型電壓轉換電路，包括12V轉5V 電路、5V 轉3.3V 電路、12V 轉4.096V 電路、12V 轉2.5V 電路。

2.5 人機交互模塊

人機交互模塊主要包括數碼顯示管、紅外遙控器兩部分，選用4 位數碼管作為顯示裝置，通過數值或字母表示當前設備工作狀態，第一位到第四位工作狀態分別包括主/從機模式、采集/休息模式、前1 秒所采集信號最高值以及故障類型。通過紅外遙控器來對設備進行信息輸入，遙控器設置三個紅外遙控按鍵，分別對應選擇模式、選擇參數和啟停。模式為主/從機模式，參數為工作參數，啟停為啟動、停止和暫停采集。

3 軟件設計實現

軟件主要由主控程序、通信程序兩部分構成。

3.1 主控程序

主控程序能接收按鍵輸入完成設備設置和啟停采集任務，將有關信息輸出等功能。具體工作流程為：系統上電，手動完成設備主/從機設定。若設備為主機，則對定時器設置輸出周期為125Hz 的同步方波信號，之后設備處于等待狀態直到接收到上位機的啟動命令，設備的微處理器產生AD 采樣同步使能信號讓A/D 采樣電路啟動采樣，A/D 采樣電路轉換的16 位數字信號通過16 位并口輸入到微處理器，這些數據經過簡單的處理然后存入片外的SD 卡。主控程序工作流程如圖2 所示。

3.2 通信程序

通信程序接收上位機指令，配置本機的工作模式；將所存儲的采集數據（整體/選擇幀）上傳至上位機。具體工作流程為：程序首選判斷是否接收到上位機指令，若收到指令則判斷指令類型，上位機指令類型包括工作模式指令和數據上傳指令。若指令為工作模式指令，則系統則根據指令內容完成系統啟動/停止/暫停操作。若指令為數據上傳指令，則系統將SD 卡中的采集數據按照TCP/IP協議通過網線上傳到上位機。通信程序工作流程如圖3 所示。

4 結束語

本文提出了一種本安型單通道聲發射數據采集裝置設計與實現。從系統架構、硬件電路和軟件流程三方面闡述了設計思路和實現方法。根據該設計方案開發的本安型單通道聲發射數據采集裝置已成功應用于油庫等高危險爆炸區域中，整個系統滿足防爆、功耗、速度、精度等設計要求。