基于FPGA的鋼絲繩漏磁無損檢測系統(tǒng)設計

嚴 鵬，張寶生，王學仁，張志永

（第二炮兵工程大學 陜西 西安 710025）

漏磁檢測技術是一種重要的無損檢測方法。主要應用于工業(yè)，如輸油氣管路、儲油罐底板、鋼絲繩、鋼板、鋼管等鐵磁性材料的檢測，包括表面和近表面的腐蝕、裂紋、氣孔、凹坑、夾雜等缺陷的檢測，也可用于鐵磁性材料的測厚。

漏磁檢測均需在設備現(xiàn)場進行，因此對于檢測設備的體積、重量、精度等參數(shù)均有較高要求。文中提出一種基于現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA，F(xiàn)ield Programmable Gate Array）的漏磁無損檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用FPGA為硬件核心，依靠FPGA的快速運算能力，減少檢測時間，提高檢測精度，并且FPGA功耗較低，有利于設備小型化，使之能夠實現(xiàn)在線檢測的要求。

1 系統(tǒng)工作原理與硬件設計

系統(tǒng)通過勵磁裝置對被測鋼絲繩進行磁化，利用聚磁回路加強漏磁場強度，磁敏傳感器探測漏磁信號；由數(shù)據(jù)處理模塊實現(xiàn)抑制噪聲，增大微弱信號幅度，并通過對采集信號進行相關運算，提取有用信號，根據(jù)信號中包含的有效信息，判斷出鋼絲繩的損壞程度；同時可由數(shù)據(jù)輸出模塊顯示、存儲并傳輸所需信息。本系統(tǒng)硬件電路設計包括外圍硬件電路搭接和嵌入式軟核的配置兩大部分。系統(tǒng)外觀如圖1所示。

1.1 總體硬件電路設計

圖1 系統(tǒng)外觀Fig.1 Equipment appearance

系統(tǒng)采用的FPGA芯片是altera公司出品的CycloneⅡ系列的EP2C35。基本硬件電路組成主要包括信號預處理電路、位置編碼器、A/D采集轉換電路、FPGA系統(tǒng)、存儲器及USB電路、人機接口電路。系統(tǒng)結構如圖2所示。

1.2 數(shù)據(jù)預處理電路

鋼絲繩工作現(xiàn)場環(huán)境惡劣，檢測系統(tǒng)會受到多種干擾的影響，并且漏磁信號極其微弱。為了獲取較理想的漏磁信號，設計中采用多路檢測探頭采集信號，并經(jīng)過放大濾波、A/D轉換、FIR數(shù)字濾波預處理階段。信號處理流程如圖3所示。

放大電路選用集成運放LM358差動輸入方式，模擬濾波電路采用帶通濾波方式。其應用電路如圖4所示。

圖2 系統(tǒng)硬件總體設計框圖Fig.2 Hardware design diagram

FIR數(shù)字濾波器用過配置NIOS IP軟核實現(xiàn)其功能。設計中使用Matlab軟件中的FDATOOL工具和Quartus軟件中的FIR Megacore工具共同完成FIR濾波器的配置。首先使用FDATOOL工具進行FIR濾波器設置，完成濾波器參數(shù)配置，并通過仿真驗證濾波器性能。仿真合格后，將設置好的濾波器參數(shù)通過FIR Megacore導入Quartus軟件，根據(jù)導入的濾波器參數(shù)完成FRI濾波器的配置，并生成IP軟核。

圖3 信號預處理流程圖Fig.3 Flow chart of signal pretreatment

圖4 差動輸入式放大器Fig.4 Differential input amplifier

1.3 A/D采集轉換電路

A/D采集轉換電路是系統(tǒng)信號的唯一來源，直接關系到對所測鋼絲繩問題的判斷。經(jīng)測試，系統(tǒng)采用AD9220芯片。為減小電源及外部電磁干擾（EMI）對輸入信號的影響，設計中采用差分輸入方式。系統(tǒng)中采用了ADI公司生產(chǎn)的AD8138差分轉換芯片。當驅動差分時，AD工作在最好的狀態(tài)，信號失真較小。其應用電路如圖5所示。

圖5 AD8138應用電路Fig.5 AD8138 Circuit

差分轉換芯片AD8138的正輸出和負輸出 （VinA和VinB）均通過阻值為49.9Ω的電阻（圖中為R8和R11）連接到AD9220的差分輸入端，其作用是減小AD9220前端轉換電容的影響。為避免AD8138自激，必須保證AD8138差分正輸出和負輸出匹配，即兩邊的電阻值大致相等。設計中AD9220采用單電源＋5 V供電，而AD9220的CML管腳輸出電壓為電源電壓的一半。通過連接AD9920CML端和AD8138共模端，可為AD8138共模端（圖中為端）提供2.5 V電壓。AD9220應用電路如圖6所示。

圖6 AD9220應用電路Fig.6 AD9220 circuit

1.4 嵌入式軟核的配置

利用FPGA強大的運算能力，設計中采用基于嵌入IP軟核的SOPC系統(tǒng)，只需在SOPCBuilder開發(fā)工具中分別配置SRAM、SDRAM、FLASH、串行通信接口、USB接口等器件，即可實現(xiàn)相應功能。

通過對各部分軟核配置，搭建系統(tǒng)電路如圖7所示。

經(jīng)編譯無誤后，用QuartusⅡ軟件將系統(tǒng)IP核燒寫入芯片中，完成系統(tǒng)硬件設計。

圖7 系統(tǒng)硬件電路IP核Fig.7 Hardware IPsoft-core

2 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件分為時間調度、應用層數(shù)據(jù)、界面管理程序、采集調度程序4部分。時間調度在設置軟核建立簡單的中斷方式，時間為50 ms，為系統(tǒng)提供時間調度資源；應用層數(shù)據(jù)是原始數(shù)據(jù)的采集；界面管理程序包括顯示程序，鍵盤處理程序，基本繪圖等程序；采集調度程序主要實現(xiàn)采集信號的數(shù)據(jù)調度以及異常情況的報警。系統(tǒng)軟件結構如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)軟件結構圖Fig.8 Software structure diagram

在QuartusII軟件開發(fā)平臺上采用混合編輯的方法完成VHDL硬件語言程序設計。包括編碼器初始化、A/D采集轉換電路軟件設計、雙口RAM軟件編程、串行存儲器軟件設計、信息調度模塊的軟件設計。使用C語言完成初始化主模塊init_app和菜單主模塊lcd_main的編寫。其中菜單主模塊包含了管理主模塊和更新維護主模塊。管理主模塊由曲線及瞬時值顯示功能模塊、報警功能模塊、信息調度功能模塊和SD卡存儲功能模塊構成。更新維護主模塊包含更新維護程序，并完成參數(shù)配置功能。

3 實驗結果及分析

對該系統(tǒng)性能進行實驗，通過系統(tǒng)調校，設置檢測閾值，超出閾值的信號峰值即可認定鋼絲繩有破損。實驗結果如圖9所示。

圖9 采集數(shù)據(jù)Fig.9 Data acquisition

4 結束語

通過實驗室和現(xiàn)場測試，該系統(tǒng)均能滿足使用要求。在檢測精度及檢測速度方面均有較大提高，這得益于FPGA系統(tǒng)強大的運算能力。通過對相關檢測參數(shù)的現(xiàn)場修改，可滿足多種不同規(guī)格鋼絲繩的在線無損檢測，極大提高了工作現(xiàn)場的安全指標。

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