基于FPGA的管道缺陷检测系统设计
时间：2023-03-26 22:30:02 来源：千叶帆 本文已影响人
常学仕，李锦明
（中北大学 仪器与电子学院，太原 030051）
随着我国现代化建设的不断发展，对石油、天然气等战略资源的需求在不断增长，而对于液态能源运输管道的建设也在大力的发展。管道在长时间的运输过程中特别容易受到其传输介质的腐蚀，从而使管道产生形变，产生极大的安全隐患。因此需要定期对管道进行检测，提早发现问题并解决问题。目前，常用检测工业管道的无损检测方法为声学检测（超声波检测为主）和射线检测。但超声波检测需要将管道防腐层打磨去除，而且逐点测量效率低成本高，基本上是进行局部抽查，无法对整条管道进行检测；
射线检测需要逐点拍片，需要对周围环境和人员进行防护，效率更低、成本更高[1]。在狭小的管道中没有光照以及各种环境噪声的干扰，本文设计了基于FPAG 的管道缺陷检测系统，采用漏磁传感器对管道的缺陷进行检测，缩小设备的体积，以面对无光、狭小的环境，该系统体积小、效率高，有效地节约成本，且能够准确地对管道进行检测。
系统选择使用Inter 公司的EP4CE10F17C8 作为控制核心，采用漏磁传感器获取管道信息，漏磁传感器输出的电压信号经过调理电路的放大、滤波处理后，通过AD7490 对完成模数信号的转换，同时通过里程传感器对齿轮旋转进行计数确定装置的距离，将外部的脉冲信号以及转换的管道数据信息输入至FPGA 中，将全部的数据信息进行数据编帧处理，便于存储以及读取、数据的分析以及处理，经编帧处理后对数据进行存储[2]。在完成管道检测后，通过上位机读取存储的数据信息，并在上位机上完成数据进行处理并对每路的数据波形显示。系统设计如图1 所示。
图1 系统设计Fig.1 System design
1.1 磁漏传感器检测技术原理
漏磁检测技术原理就是将铁磁性材料进行磁化后使材料内部的磁通量达到饱和状态，但是当材料表面有缺陷时就会在材料表面形成磁漏场。所谓的磁漏场指的就是当材料存在切割磁力线的缺陷时，缺陷材料表面的磁导率就会发生改变，其磁导率会变小但是磁阻却变大，使得磁路中的磁通量发生改变，其磁力线就会发生泄漏从而使材料缺陷表面形成磁漏场。磁漏检测装置就是根据漏磁的物理性质进行检测的，其检测原理如图2 所示。
图2 磁漏检测原理Fig.2 Magnetic leakage detection principle
1.2 电源模块
根据对系统整体分析，主控制芯片以及A/D转换器等需要3.3 V、2.5 V、1.2 V 供电，本设计采用AMS1117 系列的LDO 低压差线性稳压器，AMS117的输入电压以及输出电压范围满足设计需求，同时输出的电压精度为1.5%，且内部集成过热保护与限流保护[3]。而A/D 转换器需要提供一个高精度的参考电源源，本设计使用REF43FZ 产生高精度电压源，REF43FZ 将外部电源5 V 转换为2.5 V，其电压精度为±0.06%。其参考电源电路如图3 所示。
图3 参考电压源Fig.3 Reference voltage source
1.3 调理电路
漏磁传感器根据磁场的变化产生一个连续电压信号，输出的电压信号在-4 mA～+4 mA 之间变化，无法满足A/D 采集电路0 V～5 V 的输入范围，因此必须对电压信号经过放大处理。本设计采用TLC2254AC 运算放大器，该芯片内部集成4 个运算放大器，输入信号经三级调理电路，达到A/D 采集电路的输入范围，调理电路如图4 所示。
图4 调理电路Fig.4 Conditioning circuit
将输入信号与图4 中CHNL1 端口相连接，通过二级调理电路，其输出信号的表达式如式（1）所示：
式中：Vout为二级调理电路输出电压；
Vin为二级调理电路输入电压；
R11，R13，R15，R16为图4 中的电阻。
采集的信号经过二级调理电路输出，其电压的幅值变化范围为-1.25 V～+1.25 V。由于A/D 采集信号输入范围为0 V～5 V，通过第三级调理电路对采集信号加入偏置电压，其输出信号如式（2）所示：
式中：VIN为二级调理电路输出电压；
Vout为最终输出的电压信号；
REF 为外部稳压电源输入的电压为0.625 V；
R17，R19为图4 中的电阻值。
经过三级调理的采集信号电压变化幅值在0 V～2.5 V，满足A/D 采集电路输入信号的要求。
1.4 A/D 采集电路
系统采用AD7490 作为传感器信号A/D 转换器，AD7490 是一款12 位的高速、低功耗、16 通道逐次逼近型的ADC。该AD 包含一个低噪声、宽带跟踪保持放大器，可处理超过1 MHz 的输入频率[4]。
AD7490 与FPGA 采用串行接口方式完成数据的交互。A/D 采集电路如图5 所示，主要接口如下：
图5 A/D 采集电路Fig.5 A/D acquisition circuit
（1）XH1～XH16：与16 路漏磁传感器经过调理电路处理的信号连接。
（2）CS：设置为低电平，表示选中该AD 芯片。
（3）DIN，DOUT：表述AD 数据的输入与输出，直接与FPGA 相连接。
（4）REFIN，VDRIVE：外部提供的电压源。
（5）SCLK：表示传输数据的时钟信号。
1.5 存储电路
电路中存储器采用镁光公司生产的MT29F16-G08CABA 芯片，内存容量是8 GB，8 位并行数据线完成命令、数据的传输，支持最高时钟频率为100 MHz，读写速度快，体积小，目前广泛应用于各种领域。该芯片使用TSOP 封装，同类型不同容量的芯片的硬件电路完全兼容。存储电路如图6 所示。
图6 存储电路Fig.6 Memory circuit
1.6 串口电路
当数据存储完成后，读取数据需要通过RS232串口发送至上位机，由于FPGA 与上位机之间电平不匹配，选用MAX232 完成传输电平的转换[5]。通过FPGA_RX3 和FPGA_TX3 两个端口与上位机进行连接，完成数据的传输与控制指令的发送。串口电路如图7 所示。
图7 串口电路Fig.7 Serial port circuit
根据系统的整体框图，使用Verilog HDL 语言分别对分频模块、AD 驱动模块、FIFO 模块、Flash 模块、串口接受与发送模块进行编程。程序设计采用模块化设计思想，在Quartus Ⅱ的开发环境中对每一部分的代码进行模块化封装，并画出整体程序的原理图，能够直观的看到程序所用的各个模块以及接口连接，便于后续的修改与维护，大大增强了可移植性。
2.1 AD 驱动模块设计
设计要求每个传感器的采样频率为1 kHz，在1 ms 之内完成对16 路传感器各采集一次。FPGA 的系统时钟设置为50 MHz，通过计数器来实现采样时间的控制，使用CS_N，SCLK，DOUT，DIN 四个端口控制AD7490 的转换与数据传输，在CS_N 信号变为低电平的时候AD7490 开始进行数据的转换，a 在16 个时钟信号内完成16 bit 的数据传输[6]。其AD 驱动时序图如图8 所示。
图8 AD 驱动时序图Fig.8 AD drive sequence diagram
为了测试AD 驱动模块功能，通过MATLAB 生成Sin.txt 的二进制正弦波文件，该文件数据位宽为16位，个数为4096。将正弦波文件添加到MODLESIM工程目录下[7]。将并行数据按照ADC 的数据输出格式送到DOUT 信号线上，供AD 驱动模块采集读取。AD 仿真结果如图9 所示。
图9 AD 仿真图Fig.9 AD simulation diagram
2.2 里程定位模块设计
里程传感器放置的位置位于齿轮的上方，根据霍尔效应原理，传感器在经历齿轮凹凸位置时会发生磁场的变化并产生相应的脉冲信号，产生的脉冲信号直接与FPGA 进行连接，在系统内通过内部计数器对脉冲信号进行计数，与AD 的转换数据一起输入数据编帧模块，读取相应的计数值通过计算可以确定检测装置实际走过的距离。
2.3 Flash 模块设计
NAND Flash 的读、写功能都是以页为单位进行。在Flash 的写入数据操作之前也必须进行无效块的检测，在检测到无效块时需要将Flash 的块地址加1，该块不对数据进行存储保证有效数据不丢失。如果判断是有效块就进入页编程模式。Flash 操作命令如表1 所示。
表1 Flash 操作命令Tab.1 Flash operation comman
该模块通过状态机实现命令以及相应信号的控制，读操作、写操作、擦除操作实现逻辑相同，但擦除操作是以块的形式进行擦除。其Flash 操作的写流程如图10 所示。
图10 Flash 写操作流程Fig.10 Flash write operation flow chart
为了验证系统功能，将检测系统固定在检测装置上，放入4 m 的铁制管道中，模拟管道的实验环境。随着装置的移动完成对管道缺陷的采集与存储，完成操作后读取存储的数据并对数据进行处理，取出数据进行波形显示并对波形进行放大显示，在无缺陷的管道上采集的波形如图11 所示。
图11 数据波形显示1Fig.11 Data waveform display 1
对应的波形显示电压值稳定在2.5 V 之间上下浮动，之后再将传感器放置在有缺陷的铁管管道上移动。把采集到的数据进行波形显示，如图12所示。
图12 数据波形显示2Fig.12 Data waveform display 2
通过观察波形可得，开始时的输出电压稳定在2.5 V 附近，当电压在2 V 和3.2 V 进行上下波动时说明此时小车运动到管道缺陷处。之后在4 m 长的管道中进行多次测试，并在1.25 m 与2.5 m 出设置漏缝，进行多次采集并对数据进行读取。测试结果如表2 所示。根据读取的数据在上位机进行计算，能够准确地确定缺陷的位置，其误差在0.1 m 内。
表2 测试结果Tab.2 Test resul
本文设计了一种基于FPGA 的管道缺陷检测系统，该系统体积小，可以通过调整传感器的数量适用于不同的中小型管道的检测。通过测试可知该装置能够完整地采集到管道内的缺陷信息。在经过多次测试比对后得到，该装置测试结果精度高，能准确地测量出管道的缺陷位置，其误差范围可以精确到0.1 m，能够在管道中进行缺陷检测。
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