基于WIA-PA的無線超聲檢漏裝置的設計

涂 煊

（上海工業自動化儀表研究院1，上海 200233；工業過程自動化國家工程研究中心2，上海 200233）

基于WIA-PA的無線超聲檢漏裝置的設計

涂 煊1，2

（上海工業自動化儀表研究院1，上海 200233；工業過程自動化國家工程研究中心2，上海 200233）

基于WIA-PA技術，設計了一種以TMS320VC5402最小系統為核心的新型無線超聲泄漏檢測裝置。通過搭建無線超聲檢漏硬件電路，并利用數字信號處理技術對泄漏所產生的超聲波強度信號進行FIR濾波，再經過FFT處理和計算得到泄漏量。通過WIA-PA無線通信模塊與DSP處理單元通信程序的設計，實現了泄漏數據的無線傳輸。經測試，無線超聲檢漏裝置安裝方便、測量準確、通信可靠。

WIA-PA 無線 超聲泄漏 數字信號處理（DSP） 快速傅里葉變換（FFT）

0 引言

目前在工業發達國家，一個剛剛開始且相當令人矚目的應用，就是借助無線超聲波檢漏裝置并輔以無線溫度變送器、無線壓力變送器等智能無線傳感器配合，組成無線傳感器網絡對各種泄漏進行檢測。其主要應用于石油化工等工業現場中各類氣體管道的泄漏檢測，也包括在管道、精餾塔、反應釜以及儲罐上安裝的各類閥門的泄漏檢測。如果應用常規的人工檢測方式，將耗費巨大的人力成本，而且對于管路、閥門發生的細小的泄漏，人工很難及時發現、定位和維修。對于一個大型石油化工廠在沒有發生任何大的泄漏事故的情況下，通過每五年對全廠的卸壓閥進行的例行檢查發現，大約有30％以上的卸壓閥都存在一定程度上的泄漏情況，并且超過了規定的允許值。這將成為石油化工產品泄漏和環境污染的主要來源。

在工業環境下，采用無線傳感器網絡來完成工業參數測量，由于其功耗低、安裝方便、整體成本低等優勢，得到越來越廣泛的應用。本文通過采用以短程無線通信標準IEEE 802.15.4為基礎的、具有我國自主知識產權的無線傳感器網絡規范（wireless networks for industrial automation-process automation，WIA-PA），設計具有低功耗、高靈敏度的無線超聲檢漏裝置，實現工業現場對氣體管道以及閥門泄漏的精確測量。該裝置無需排線放線，安裝部署靈活，投資小，具有相當大的經濟價值和環保價值。

1 設計背景

1.1 泄漏原理

在工業現場，當閥門或管道上出現漏孔時，內部有一定壓力的氣體就會從漏孔中泄漏出來。如果漏孔比較大，人耳可聽到漏氣聲，憑人耳就可以判斷泄漏；如果漏點的尺寸較小，而且有較高的雷諾數，氣體從漏孔泄漏出來就會在漏孔附近形成湍流，并且會產生一定頻率的聲波。當聲波頻率高于20 kHz時，人耳（20 Hz～20 kHz）就聽不到了，屬于超聲波。泄漏超聲是湍流和噪聲的集合。由著名學者馬大猷教授推出的公式如式（1）所示［1］：

式中：L為與噴射垂直方向口1 m處的聲壓級，dB；D為噴口直徑，mm；D0=1 mm；P0為絕對壓力（環境大氣）；P為駐壓（泄漏孔）。

由上述公式可以看出，當測量點位置與泄漏孔距離一定時，泄漏孔的尺寸變化及管道內壓力的變化會引起泄漏超聲的聲壓級跟隨變化。泄漏超聲的聲波振動頻率與漏孔的大小有關，其強度會隨著超聲聲源（泄漏孔）距離的增加而快速衰減。

同時，根據對管道、閥門氣體泄漏所產生的超聲的頻譜分析可以看出，由泄漏所產生的超聲聲波頻率范圍在10～100 kHz之間，但能量主要分布于10～50 kHz之間，并且氣體泄漏產生超聲波能量較大的頻率點是在40 kHz左右。在這個頻率點上，由泄漏所產生的超聲和本底噪聲的能量差值也最大。一般泄漏超聲與本底噪聲的頻譜分布如圖1所示［2］。

圖1 泄漏超聲與噪聲的頻譜分布Fig.1 Spectral distributions of the leakage noise and noise

從圖1可以看出，可以將超聲信號的中心頻率定在40 kHz左右，作為判斷管道、閥門是否有泄漏的參考點。通過對中心頻率附近超聲信號的強度檢測，確定管道、閥門是否有泄漏點存在，并估算出泄漏量的大小。由于超聲波具有良好的指向性，因而可以精確判斷漏點位置。

1.2 W IA-PA技術

WIA-PA技術是基于短程無線通信IEEE 802.15.4標準，使用符合中國無委會規定的自由頻帶，提供能夠滿足流程工業各種環境下應用需求的高可靠、實時無線通信服務。通過使用無線傳感器網絡WIA-PA技術，可以實現對全流程的“泛在感知”，獲取傳統由于成本原因無法在線監測的重要過程參數。WIA-PA兩層柘撲網絡結構如圖2所示［3］。

圖2 WIA-PA兩層拓撲網絡結構圖Fig.2 Two-layer topological network structure ofWIA-PA

WIA-PA網絡拓撲結構為上下兩層結構（Mesh+ Cluster）。下層為由簇首和簇節點構成的星型結構；上層為由冗余的網關和可兼作路由設備各簇首構成的網狀（Mesh）結構。通過兩層結構的設計，保證簇節點通過一跳就可將測量信息直接傳送給簇首，而不必去規劃、選擇無線傳輸的路徑，從而提高了傳輸的實時性，克服了網狀傳輸路徑的不確定性。通過網狀結構（Mesh）的簇首的部署，實現組網的靈活性，并可以提高網狀結構中多路徑通信的抗干擾能力。WIA-PA網絡拓樸結構實現了在工業應用環境下對無線通信的可靠性要求，同時也兼顧對無線傳輸的確定性、實時性要求。

同時在WIA-PA數據傳輸中，數據格式采用超幀結構的設計。WIA-PA的超幀結構由活動期與非活動期兩部分組成。對不同網絡管理功能的時隙分配進行了劃分?；顒悠谟址譃镃AP（進行設備加入，簇內管理和重傳）和CFP（進行移動設備與簇首間的通信）；非活動期則完成簇內通信、簇間通信以及休眠，從而解決了無線傳輸數據的效率和處理無線傳輸的資源有限的矛盾。WIA-PA超幀結構圖如圖3所示［3］。

圖3 WIA-PA的超幀結構圖Fig.3 The superframe structure ofWIA-PA

WIA-PA協議在時間上采用時分多址技術（time devision multi-address，TDMA），在頻率上采用跳頻技術（frequency-hopping spread spectrum，FHSS），并且采用網狀結構與星型結構的混合網絡拓撲，在空間上形成可靠的路徑傳輸途徑。這使得看似簡單但非常有效的通信協議具備自組織功能和網絡自愈能力，大大簡化了無線終端設備安裝的復雜度，具備了無線傳感器網絡在工業環境下長期穩定的傳輸性能。

2 硬件設計

基于WIA-PA的無線超聲檢漏裝置硬件系統主要包括：泄漏超聲信號處理電路、電源電路、DSP處理電路（最小系統）、WIA-PA無線通信模塊等部分。系統所有電路采用模塊化設計，直接插在底板上，底板上留有JTAG調試接口。

系統結構框圖如圖4所示。

圖4 無線超聲泄漏檢測裝置系統結構圖Fig.4 Systematic structure of the wirelessultrasonic leakage detector

2.1 泄漏信號采集電路

泄漏信號采集電路設計是本裝置的關鍵。泄漏信號采集電路先通過超聲傳感器的信號接入，通過低通濾波器、一級放大器，再經帶通濾波放大，將超聲信號轉化為2 V左右的電壓信號；然后通過A/D轉換器，將其進一步轉化為數字信號，并通過串行口輸出數據。具體電路如圖5所示。

圖5 信號采集硬件電路圖Fig.5 Hardware of data acquisition

無線超聲檢漏裝置的優勢在于安裝方便，不需要接線，一般采用電池供電，所以首先要考慮的是系統的低功耗、低成本。在硬件設計中，對于所有元器件的選擇都遵循這個原則。

①前級放大

前級放大電路選用美國ADI公司的AD627。它采用單電源或雙電源（+2.2 V或±18 V）供電，工作時的最大功耗僅為85μA，只需要外接電阻就可以實現5～1 000倍的放大增益。根據所選擇的超聲波傳感器的輸入信號（10～15 mV），確定前級放大器的放大倍數，完成超聲信號的前級放大。

②帶通濾波

通過前置濾波處理后，我們選擇 ADI公司的OP777作為壓控電源二階帶通濾波器，通過本級可以將前置放大后的信號中的背景噪聲和元器件以及電路上產生的噪聲濾除。

由于OP777是精密雙通道軌到軌輸出單電源放大器，具有微功耗特性和軌到軌輸出范圍，輸出穩定，在完成微弱信號放大濾波功能的同時，能有效降低噪聲和直流輸入偏差。

通過帶通濾波的傳遞函數為：

由于泄漏超聲信號的中心頻率為40 kHz，因此，根據計算，我們選擇設置合適的R、C參數，使得38～42 kHz信號能夠通過。并且通過跟隨電路LM324集成運放，將濾波后的微伏信號放大到2 V左右，再穩定地輸送到A/D轉換器輸入端。

③A/D轉換

Step 1 Consider the case of single-joint failure,confirm the fault joint and the optimized locked angle,and establish the degraded workspace Wfby the Monte Carlo method.

DSP與AD7685接口圖如圖6所示。

圖6 DSP與AD7685接口圖Fig.6 Interface between DSP and AD7685

A/D轉換器采用AD公司的AD7685，該處理芯片功耗低、采樣精度高、采樣速率快。由于AD7685可以通過以SPI帶中斷的三線或四線鏈接方式與外部芯片通信，所以本次設計采用三線制的SPI實現AD7685與DSP通信。

2.2 DSP最小系統

DSP最小系統是由中央處理單元及外圍電路構成的最精簡的模塊，其硬件電路圖如圖7所示。

圖7 D S P最小系統硬件電路圖F i g.7 H a r d w a r e o f D S P m i n i m u m s y s t e m

主控芯片采用美國德州儀器公司（TI）的高性能定點數字信號處理芯片TMS320VC5402。該芯片功耗低、可編程、運算速度快且具備高性能數字信號處理能力，非常適合信號與信息處理等領域。外圍電路包括：電源電路、復位電路、JTAG仿真接口、時鐘電路、外部存儲擴展電路等。

中央處理主控芯片是整個數據采集系統中核心處理部分。它通過同步串行接口完成對A/D轉換器操作，將傳送來的超聲泄漏數字信號做進一步數據處理后；再通過SPI串行通信總線將經過DSP處理好的數據傳輸給WIA-PA通信模塊；WIA-PA模塊實時將數據通過無線傳感器網絡上傳至上層監控中心。

2.3 W IA-PA模塊

3 軟件設計

軟件主要包括DSP信號處理程序和WIA-PA通信處理程序。

3.1 DSP信號處理程序

TMS320VC5402通過SPI總線對AD7685進行配置，以控制其工作方式、數據速率等相關設置。從A/D轉換器采集到超聲泄漏信號后，在DSP中實現對信號的數字處理，包括A/D采樣處理、數字濾波處理（FIR）、FFT變換求取信號的幅值，從而得到信號的聲強波。通過與WIA-PA無線模塊的通信程序，將數據傳輸給SiA2420，實現數據無線上傳。具體軟件處理流程如圖8所示。

圖8 DSP軟件處理流程圖Fig.8 DSP software processing flowchart

由上述傳遞函數公式，我們可以把FIR濾波器運算看成為卷積運算。由于超聲泄漏特征頻率中心點在40 kHz，因此可以截取濾波帶寬為39～41 kHz，采樣頻率選取為160 kHz。利用MAC指令和循環尋址，通過計算得到濾波器的51個系數值；從輸入端讀取樣本值，通過累乘運算后，得到FIR濾波后的結果。結果以數組的形式進行存儲。

經過數字濾波處理后的信號通過傅里葉變換處理，可以完成超聲信號從時域到頻域的變換。離散傅里葉變換（discrete Fourier transform，DFT）的表達式如下：

為了消除前向通道產生的噪聲以及直流電壓的偏差，我們采用FIR濾波處理，運用Hanning（漢寧）窗函數設計數字濾波器，其傳遞函數為：

利用蝶形因子的對稱性和周期性，實現快速運算，并對中間數值進行歸一化處理，避免DSP運算結果的溢出。處理程序如下。

3.2 W IA-PA通信處理程序

WIA-PA超聲泄漏檢測裝置完成初始化后，開始持續監聽信道內的信標幀，接收到信標后，選定簇首節點并完成時間同步。同時，裝置向簇首節點發出加入請求，簇首節點向WIA網絡管理者轉發該加入請求，網絡管理者接收到請求后返回加入響應。簇首根據自身的通信資源情況以及網絡拓撲類型向裝置發出響應；收到簇首發出的響應后，狀態正確即加入到網絡中。如果響應中status=Success，則該手持設備加入網絡，并將與DSP通信獲取的泄漏信息發送給網絡管理者，完成數據無線上傳。

4 結束語

本文設計的基于WIA-PA的無線超聲泄漏檢測裝置可以安裝在工業現場一般工作人員不宜到達或難以觸及的地方，并可實現對閥門及管道氣體泄漏信號的低功耗、高精度實時監測，通過無線方式上傳至監控中心。該裝置對工業環境下各種氣體泄漏檢測都有相當大的經濟價值和環保價值。

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［8］IEC 62601 Ed.1.0.WIA-PA communication net-work and communication profile［S］.2009.

Design of the Wireless Ultrasonic Leakage Detector Based on WIA-PA

The new wireless ultrasonic leakage detector withminimum system of TMS320VC5402 as the core has been designed based on WIAPA technology.In the instrument，the wireless ultrasonic leakage detecting hardware circuit is built，by adopting digital signal processing technology and softwaremethod，the FIR filtering of ultrasonic intensity signal of leakage is conducted，and the amountof leakage is calculated through FFT processing.The wireless transmission of the leakage data is implemented through designing program of communication between WIA-PA wireless communication module and DSP processing unit.The tests show that the wireless ultrasonic leakage detector is easy for installation，accurate tomeasure leakage，and reliable for communication.

WIA-PA Wireless Ultrasonic leakage Digital signal processing（DSP） Fast Fourier transformation（FFT）

TP273

A

國家“863”計劃基金資助項目（編號：2011AA040103）。

修改稿收到日期：2014－06－24。

作者涂煊（1974－），男，1997年畢業于浙江大學工業自動化專業，獲學士學位，高級工程師；主要從事智能制造、無線傳感器網絡技術等方向的研究工作。