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术创新
数采与监测
《ＰＬＣ技术应用２００例》
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崔新华：硕士
基金项目：国家８６３计划海洋基金资助项目项目编号（２００１ＡＡ６０２０２１）
ＡＤｅｓｉｇｎｏｆＤａｔａＡｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎＢｏａｒｄｆｏｒＵｌｔｒａｓｏｎｉｃＤｅｔｅｃｔｉｏｎｉｎＰｉｐｅｌｉｎｅｓ
（上海交通大学自动检测研究所）崔新华
阙沛文韩文花
Ｃｕｉ，ＸｉｎｈｕａＱｕｅ，ＰｅｉｗｅｎＨａｎ，Ｗｅｎｈｕａ
摘要：为了能够实现超声波管道机器人在线实时识别缺陷的要求，本文提出了一种板卡级处理器结构，采用ＦＰＧＡ和ＤＳＰ并行处理超声波数据，并应用小波分析等方法对超声信号滤波以及其它信号处理。关键词：超声波；小波；ＦＰＧＡ；ＤＳＰ中图分类号：ＴＰ２１６文献标识码：Ａ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｏｆｕｌｆｉｌｌｔｈｅｔａｓｋｔｈａｔｔｈｅＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔＰｉｇｓｈｏｕｌｄｒｅｃｏｇｎｉｚｅｄｅｆｅｃｔｓｉｎｔｈｅｐｉｐｅｌｉｎｅ，ｔｈｉｓｐａｐｅｒｐｒｏｐｏｓｅｓａｎｏｖｅｌａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅｔｈａｔｔａｋｅｓａｄｖａｎｔａｇｅｏｆｌａｔｅｓｔＦＰＧＡａｎｄＤＳＰｔｏｐｒｏｃｅｓｓｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｄａｔａｔｒａｃｅｓ．Ｗａｖｅｌｅｔａｎｄｏｔｈｅｒａｌｇｏｒｉｔｈｍｓａｒｅａｌｓｏｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄｉｎｔｈｉｓｄｅｓｉｇｎｔｏｆｉｌｔｅｒｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓｉｇｎａｌａｎｄｏｔｈｅｒｋｉｎｄｓｏｆｓｉｇｎａｌｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ．ＫｅｙＷｏｒｄｓ：Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ；Ｗａｖｅｌｅｔ；ＦＰＧＡ；ＤＳＰ
文章编号：１００８－０５７０（２００６）０５－１－００９７－０３
琥珀中发现古雏鸟
１前言
管道是目前普遍采用的一种重要的石油、天然气运输方式，然而在使用过程中由于受到恶劣环境的影响，管壁会产生大面积腐蚀，当腐蚀达到一定程度时，就会产生泄漏，从而造成严重的事故。因此定期对管道进行探伤检测是非常必要的。目前在国外已经应用管道探伤技术主要是ＭＦＬ（漏磁）和超声波检测两种方法。 与其它管道探伤技术相比，超声波探伤技术具有能够直接测量以及定量计算等优点。但超声波管道探伤技术在使用时必须使用液体耦合剂，这一方面使得使用范围缩小，另一方面超声波在耦合剂中传输时，会由于耦合剂中的气泡和杂质而产生多种噪声。更为严重的是，超声波照射到管道壁时，由于管道材料原因，超声波会产生散射现象，从而使得反射回波的中心频率会产生漂移，也因此混杂进多种噪声。这必然要求对超声回波进行复杂的滤波等方面的处理。
目前国外超声波管道机器人都是采用在线采样、压缩、存储，然后离线分析的方法，之所以这么做是因为超声波采样频率高，产生数据量非常大，常规数字处理芯片无法实时进行处理，而且离线分析的准确度更高。但在国内由于缺少管道铺设的地理信息资料，必须对超声波检测数据进行在线实时处理。同时由于近年来国际上在ＦＰＧＡ、ＤＳＰ等芯片技术上的突破，使得超声波管道机器人在线实时检测技术成为可能。基于这一设想，本文提出了超声波管道机器人中的非常重要的一部分－－超声波数据采集处理板卡的设计。
双修正>蜗轮蜗杆传动２超声波检测原理
超声波测量壁厚使用纵波，探头采用直探头，中心频率为５ＭＨｚ。在检测时，探头与管道壁成９００角。探
头发出一串脉冲，就转到接收状态，以便接收管道内外壁分别反射回来的回波信号。通过计算内外壁的回波信号返回的时间，即可计算出壁厚以及缺陷的形式。
如图１所示，壁厚为，其中ｔ２是超声波在管道壁中传播时间，υ钢是超声波在管道材料钢铁中的传播速度。
图１超声波测壁厚原理
３数据采集板卡硬件电路组成结构
根据设计指标，超声波管道机器人共使用６４个直探头，每个探头检测频率为１５０Ｈｚ／ｓ。如图２所示，每８个超声波探头共用一块采集处理板卡。所有的数据采集板卡都挂在ＰＣＩ总线上，以方便与主控制处理模块进行数据交换。数据采集板卡的任务是控制各个超声探头分次进行ＡＤ转换，用小波变换等方法进行
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技术创新
中文核心期刊《微计算机信息》（测控自动化）２００６年第２２卷第５－１期
３６０元／年邮局：８２－９４６
《现场总线技术应用２００例》
数采与监测
数字滤波，判断是否有缺陷，如果有则再计算出缺陷的类型和具体大小，最后将缺陷的类型、大小、探头位置等信息通过ＰＣＩ总线传给主控制处理模块。主控制模块得到缺陷数据，再集合相邻探头数据从整体上做出判断。
图２硬件电路系统框图由于超声信号的频率高，ＡＤ采样后的数据量较
大，如果采用通用ＤＳＰ是无法对信号进行实时处理，为此处理板卡采用ＦＰＧＡ＋ＤＳＰ的混合结构，其中ＦＰ－
ＧＡ用来实现对实时性要求较高的并行运算比如卷积运算等，其特点是牺牲资源来增加计算单元以减少总运算时间；ＤＳＰ则主要是完成一些相对通用的计算，
ＤＳＰ中有专门针对数字信号处理做过优化的加法器和乘法器，虽然与通用处理器芯片相比，运算速度已经大大提高，但对于数据量大处理算法复杂的高速信号处理尚无法达到要求。
处理板卡中ＡＤ转换芯片采用ＴＩ的ＡＤＳ８３０，其最高采样频率为６０ＭＨｚ，转换位数８位。工作电压为＋
５Ｖ，而输出接口电压可调，可以方便的与ＦＰＧＡ配合使用。ＦＰＧＡ选用Ａｌｔｅｒａ公司ＳｔｒａｔｉｘＩＩ系列的ＦＰＧＡ，该系列的ＦＰＧＡ内部有很多ＤＳＰ模块，可以通过编程实现高速复杂的并行计算。ＤＳＰ选用ＴＩ的ＴＭＳ３２０Ｃ６４１２处理器，该处理器提供了６４个通用３２位寄存器，８个并行功能单元每时钟周期能够计算四个１６位乘法累加器（ＭＡＣ），还有多种外部接口组合，如１０Ｍ／１００Ｍ的Ｅｔｈｅｒｎｅｔ接口，此外，芯片还集成有２８８Ｋｂｙｔｅｓ的ＳＲＡＭ，可以满足复杂应用而无需外部扩展ＲＡＭ
４ＰＣＩ总线接口设计
各数据采集处理板卡与主处理器之间的数据传输通过ＰＣＩ总线进行。ＰＣＩ总线的特点：传输数据快，在总线主频为３３ＭＨｚ，数据位为３２位时，采用ＢＵＲＳＴ方式传输数据实际可以达到的最高速度为９０ＭＢ／ｓ。
在设计ＰＣＩ总线时，一般有以下几种方式：（１）采用ＰＣＩ接口芯片，比如ＰＬＸ公司的９０５４芯片等。这种方式虽然简单，但成本高，而且会占用ＰＣＢ面积；（２）采用ＦＰＧＡ芯片，并利用ＦＰＧＡ芯片生产厂家的ＩＰ来实现。需要购买昂贵的ＩＰ使用权；（３）采用ＦＰＧＡ芯
片，完全自主开发ＰＣＩ接口协议。这种方式简洁，集成度最高，数据传输速度最快，但开发也最为困难。在本设计中，为了节约成本和ＰＣＢ空间，采用第三种方式来开发ＰＣＩ接口。
用ＦＰＧＡ来实现ＰＣＩ接口功能，最关键的是ＰＣＩ总线状态机的设计，如图３所示。
图３ＰＣＩ总线状态机示意图
本设计中的ＰＣＩ接口遵循ＰＣＩＬｏｃａｌＢｕｓＳｐｅｃｉｆｉ－ｃａｔｉｏｎＶ２．２协议，３２位数据地址总线，ＰＣＩ时钟频率为
３３ＭＨｚ。这一部分已经实际调试通过，在上位机采用
Ｗｉｎｄｏｗｓ平台并采用
“猝发”传输方式时，实际测出的最高数据传输量约为９４ＭＢ／ｓ。
图４（ａ）原始信号
图４（ｂ）算术平均滤波后的信号
５超声信号处理各个算法模块
（１）算术平均滤波
算术平均滤波算法很简单，在ＡＤ采样后得到的
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《ＰＬＣ技术应用２００例》
您的论文得到两院院士关注序列中的Ｎ（Ｎ＝２ｍ）个连续点，取其平均值，作为新的序列中的一个点。算术平均滤波可以虑除高频噪声。根据文献１，算术平均滤波可使的信号的信噪比增加
３ｍｄＢ。
在本设计中，这一模块由ＦＰＧＡ实现，采用流水线结构，用了ｍ层加法器，在累加完成后，再向右移ｍ
位。
治理理论（２）小波函数滤波
在超声波检测中，由于材料原因超声波在管道壁上产生的反射回波除了有高频噪声外，反射回波的中心频率会产生漂移，故无法用普通带通滤波器来虑除噪声。而小波算法特点是具有多分辨率，能够进行信号进行精细分析，将频带进行多层次划分，并根据信号特征，自适应选择频带使之与信号频带相匹配。因而可以用小波算法来对超声信号进行滤波。但由此带来的新的问题是，小波算法计算比较繁琐，用通用处理器无法实时在线完成。为此，本设计中，小波算法采用ＦＰＧＡ来实现。ＦＰＧＡ可以进行大规模并行处理的特性以及可重构的特性恰好可以实现小波算法。实际仿真验证显示其最高处理速度可达８０Ｍｈｚ以上。
图５（ａ）原始信号
图５（ｂ）小波算法滤波后的信号
（３）峰值检测
ＡＤ采样后的数据，在经过滤波处理之后，再进行峰值检测，其目的是为了判断超声波检测点是否有缺陷。峰值检测有两种模式，一种是检测单一峰值，另一
检测多个峰值。在第一种模式下，使用四个时间窗来进行搜索，只记录每个时间窗中最大值和最小值，以及极值的时间坐标；在多峰值检测模式下，每个时间窗检测１０对峰值。峰值检测算法也是由ＦＰＧＡ来并行实现的。
（４）曲线拟合
为精确计算管壁厚度，必须确定反射回波信号与
ｘ轴的交点。为此，需要根据已测得滤波之后的离散数据，求出回波信号过零点的时间值。一般有两种方法来计算，一种是用插值法，另一为曲线拟合。插值法目前应用比较成熟，但其缺点是求出的函数必须过已知点，而且在已知点很多的情况，计算量非常大，在很多场合下无法实时实现。因而在本设计中采用曲线拟合的方法来计算。曲线拟合的算法采用最常用的最小二乘法。这一算法使用ＤＳＰ来计算。
６结束语
Ｍａｔｌａｂ和Ｍｏｄｅｌｓｉｍ仿真验证结果表明，本设计方案用来做实时超声管道检测是可行的。当然实际效果尚有待于现场应用检验。
参考文献：
［１］ＡＰｉｐｅｌｉｎｅｄＡｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅｆｏｒＨｉｇｈＳｐｅｅｄＡｕｔｏｍａｔｅｄＮＤＥ，Ｃ．Ｆｒｉｔｓｃｈ，ＩＥＥＥＵｌｔｒａｓｏｎｉｃｓＳｙｍｐｏｓｉｕｍ，１９９５．
［２］ＡＮｅｗＧｅｎｅｒａｔｉｏｎｏｆＵｌｔｒａｓｏｎｉｃＩｎ－ｌｉｎｅＩｎｓｐｅｃｔｉｏｎＴｏｏｌｓｆｏｒＤｅｔｅｃｔｉｎｇ，ＳｉｚｉｎｇａｎｄＬｏｃａｔｉｎｇＭｅｔａｌＬｏｓｓａｎｄＣｒａｃｋｓｉｎＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｐｉｐｅｌｉｎｅｓ，Ｋ．Ｒｅｂｅｒ，ＩＥＥＥＵｌｔｒａｓｏｎｉｃｓＳｙｍｐｏｓｉｕｍ，２００２．
石油化工装置工艺管道安装设计手册
［３］王玉辉．ＣＰＬＤ技术在时差法超声波流量计中的应用［Ｊ］微计算机信息２００５，８：１１７－１２０
［４］Ｂｌａｃｋｆｉｎ－ＦＰＧＡＭｕｌｔｉｐｒｏｃｅｓｓｏｒＳｙｓｔｅｍｆｏｒＵｌｔｒａｓｏｎｉｃ－ＤａｔａＲｅｄｕｃｔｉｏｎ，Ｍ．Ｂａｌｚｅｒ，Ｈ．Ｓｔｒｉｐｆ，ＩＥＥＥ，２００４．
作者简介：崔新华（１９７９－），男，汉族，上海交通大学自动检测研究所，硕士在读，主要从事ＤＳＰ技术、超声波
无损检测信号处理等方面的研究。阙沛文（１９４４－），女，汉族，教授，博导，主要从事信息检测与仪器，总线测试等方面的教学科研工作。韩文花（１９７４－），女，汉族，博士研究生，主要从事信息检测和缺陷重构等科研工作。
Ａｕｔｈｏｒｂｒｉｅｆｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ：ＸｉｎｈｕａＣｕｉ，ｂｏｒｎｉｎ１９７９，ｍａｌｅ，ｐｏｓｔｇｒａｄｕａｔｅｓｔｕｄｅｎｔ，ｆｏｃｕｓｏｎＤＳＰｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｄｅｔｅｃｔｉｏｎａｎｄｓｏｏｎ．ＰｅｉｗｅｎＱｕｅ，ｂｏｒｎｉｎ１９４４，ｆｅｍａｌｅ，ｐｒｏｆｅｓｓｏｒｏｆＳＪＴＵ，ｆｏｃｕｓｏｎｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｄｅｔｅｃｔｉｏｎａｎｄｔｅｓｔｂａｓｅｄｏｎｂｕｓ．
（２０００３０上海交通大学自动检测研究所）崔新华阙沛文韩文花
（ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＡｕｔｏｍａｔｉｃＤｅｔｅｃｔｉｏｎ，ＳＪＴＵ）Ｃｕｉ，ＸｉｎｈｕａＱｕｅ，ＰｅｉｗｅｎＨａｎ，Ｗｅｎｈｕａ
通讯地址：（２０００３０上海市华山路１９５４号上海交通大学徐汇校区５号楼４２５）崔新华
（投稿日期：２００５．８．２１）（修稿日期：２００５．９．２１）
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