摘要：

　　针对传统管道漏磁检测器检测精度的不足，提出了新式的基于FPGA的高精度管道漏磁检测系统设计，以适应813 mm管径的管道检测任务。主要介绍了系统逻辑设计，实现了多达400路传感器漏磁 检测信号的采集与存储。该设计融合了多种总线协议，可有效解决管道漏磁检测中的采集速率、功耗和精 度的问题。经实验验证，方案切实可行,为设计高精度管道漏磁检测系统提供了新的解决方案。

　　关键词：漏磁检测；现场可编程门阵列；SPI总线；LVDS串行收发器；

　　0　引言

　　铁磁性油气输送管道在长期使用后会因内外因素而造 成管壁腐蚀。腐蚀导致管道的输送安全系数日益降低，如 果缺陷处出现泄露不及时处理，极其可能出现严重的后果， 对管道的安全运行造成潜在的危机。管道内漏磁检测技术是利用漏磁检测原理，使用霍尔传感器检测磁化后的管道,达到缺陷检测的目的。目前，传 统管道漏磁检测器对于缺陷的探测、描述、定位及确定大小 的可靠性仍不稳定，不精确，需要改进的余地很大2。这 是因为传统的管道内检测器传感器数量较少，无法进行高 精度的缺陷检测，系统中传感器数据采集存储是依次进行的，一方面效率低，可靠性低，另一方面，功耗大，系统无法 进行长距离检测。

　　本文针对这些问题，采用多级的现场可编程门阵列(FPGA),利用其高速的并行处理能力，灵活可变的现场可 编程能力以及丰富的IP核资源，实现400只霍尔型传感器同时采集数据并及时存储，满足了高精度管道内漏磁检测器的所需精度要求。

　　1　系统概述

　　根据本系统设计的管道漏磁检测器外部为圆柱形结 构，可以分为漏磁检测、数据存储和设备电源3个部分，结构示意图如图1所示。漏磁检测主体外的圆周上均匀布置了5个集束器和80个检测探头，每个探头包含不同摆放方 向的5只霍尔传感器和控制采集的单片机，即共有400只 霍尔传感器同时进行信号采集，以获得高精度的管道检测数据；主控FPGA的PCI板卡与PC104-PLUS板卡作为数据 存储主体,确保大量传感器数据的传输与存储，后端为设备 电源部分；在数据存储主体部分的两侧安装有里程轮，用于记录内检测器走过的距离，并在运行中发送方波信号提示系统采集数据。

图1管道内检测器系统结构图与实物图

　　2　系统硬件组成

　　系统硬件组成可分为前端和后端两大部分，如图2所。

图2 系统前端与后端硬件结构图

　　图2 (a)为前端数据采集结构，传感器采用可休眠线性 霍尔型传感器，具有5mV/Gs的

检测精度，由单片机控制探 头内5只传感器电压信号的A/D转换，转换精度为8位。集束器端FPGA选用Altera的Cyclonelll系列FPGA,主要 控制单片机的SPI传输和后端的LVDS串行传输。

　　图2 (a)为后端数据存储结构，PCI9054总线控制芯片 作为主控FPGA到PC104的总线控制器，使得PC104可以 直接通过PCI方式读取主控FPGA内部缓存数据。主控FPGA 选

用 ALTERA 公司的 Stratix 的 EP1S20F484I6 型芯 片，具有20k的LE逻辑资源，主控逻辑设计LE单元使用率达75% ;内部静态RAM大小为1.67 Mbit,可实现8位地址总线,32位并行数据总线的双缓存乒乓设计，以满足大量 数据的缓存要求。

　　3　系统逻辑设计

　　3.1总体逻辑设计

　　系统总体逻辑设计框图如图3所示。系统运行过程中，里程轮会随着检测器运行的距离变化发出周期性的方 波信号，主控FPGA通过倍频的方式使其满足设计要求的 采样频率，并行发送至前端数据采集系统，确保前端各单片 机同时进行A/D转换。探头内由单片机负责依次A/D转 换5只霍尔传感器感应到的磁通信号，通过SPI总线将采 集到的数据发送回集束器端的FPGA;5组集束器端的FP-GA通过LVDS串行收发器同时将前端数据发送到主控FP-GA,当主控FPGA内部缓存满后，发送使能信号到PCI9054 桥芯片，通知PC104工控机读取FPGA的内部缓存数据，并 将数据及时存储到固态硬盘设备中。

　　图3系统逻辑框图

　　3.2SPI总线接口模块与FIFO缓存模块

　　集束器端FPGA作为SPI总线传输的主机端，提供2 MHz的SPI时钟信号，16路单片机做为从机端，同时接收 SPI时钟信号并发送数据。基于本系统庞大的前端传感器 数量与单向的数据传输结构，只采用了主机输入/从机输出 数据线MISO, SPI时钟线SCK和使能信号线SPICS 3的三 线形式即可完成SPI传输。SPICS信号默认为高电平，会根 据里程轮方波信号翻转变为低电平，单片机接收到低电平 后开始A/D转换数据和SPI传输,在单次SPI数据传输中 SPICS始终保持低电平状态。通过设置异FIFO缓存模块 读写时钟和进出数据位宽，可协调SPI接收模块与钟和进出数据位宽，可协调SPI接收模块与LVDS发 送器数据不同位宽和数据传输频率不同的问题，前端SPI 数据传输的流程如图4所示。

　　3.3 LVDS差分串行收发器模块

　　根据内检测器结构设计，从集束器FPGA到主控FPGA 的信号走线距离为4~5m,这种长度的走线一方面对较高频率的数据传输信号衰减比较严重，另一方面会增加信号干扰，降低信噪比，严重会导致数据接收出错。因此，采用 差分信号进行两级FPGA之间的数据传输，它与普通单端 信号走线相比有3个明显的优势:抗干扰能力强、能有效抑制EMI、时序定位精确。

图4 前端SPI数据传输流程图

　　系统采用了 ALTERA公司提供的LVDS差分串行收发 器IP核,方便快捷地实现了差分串行数据传输：通过配置 LVDS发送器的端口位宽、通道数及传输速度，集束器端FPGA可将FIFO缓存输出的并行4位数据转为串行数据发送到主控FPGA,主控FPGA通过LVDS接收器将串行数据 解串为并行数据存入内部缓存中。串行收发器经实际测试 可达400 Mbps,远远满足系统数据传输速度要求。

　　4　漏磁检测数据分析

　　将管道内漏磁检测系统置于813 mm管径的直线测试 管道中进行牵引实验，管道总长118 m,运行平均速度为 1.2m/s,经上位机软件分析得出的各通道传感器数据如 图5,图6所示。

图5管道内漏磁检测原始数据图

图6 管道44.70~47.00m段7通道传感器数据分析图    

　　图5为通过软件分析得出的40.00~48.00m的其中120路管道漏磁检测原始数据图，横轴

表示检测器运行距 离，竖轴从上至下为均匀分布在管道检测器外部圆周上的 各通道传感器漏磁数据，图下方为记录距离的里程轮方波信号。

　　图6表示图5其中一段44.70~47.00m处管道的7个通道传感器数据图，管壁无缺陷处的电压值为1.5V,变化 范围为0~3V之间,46.62m处各路传感器信号电压值同时 下降到0.72V左右的位置应为管道该段的环焊缝所在位置。管道实际焊缝位置与系统测量得出的位置对比结果如 表1所示。

　　表1管道焊缝位置测量结果

　　从对比结果可知，测量出的管道焊缝位置与实际焊缝 位置基本一致，且通过分析各通道传感器电信号变化的长 度幅度，可如实反映出实际管壁上缺陷的大小深度，说明系 统数据传输存储稳定可靠，可实际应用于813 mm的大管径 管道的检测任务。

　　5　结论

　　本系统使用的Stratix系列的FPGA具有丰富的逻辑资 源,优秀的速度以及大容量的内部静态RAM,实现了多达 400路漏磁传感器信号的并行采集和快速存储，通过FPGA 的功耗分析工具优化系统逻辑设计，可使系统整体功耗低 于75W,与传统管道内漏磁检测系统相比大大降低了功耗， 使系统适应长距离的管道检测，实验结果充分证明了系统 数据传输的准确性，为管道检测及其他需求多传感器数据 采集存储的工程领域提供了一个值得借鉴的设计方案。（作者：尚林\李一博\陈世利\刘栋）

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