涂 煊

（上海工業(yè)自動化儀表研究院1，上海 200233；工業(yè)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(shè)計(jì)

涂 煊1，2

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

基于WIA-PA技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種以TMS320VC5402最小系統(tǒng)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(shù)字信號處理技術(shù)對泄漏所產(chǎn)生的超聲波強(qiáng)度信號進(jìn)行FIR濾波，再經(jīng)過FFT處理和計(jì)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(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了泄漏數(shù)據(jù)的無線傳輸。經(jīng)測試，無線超聲檢漏裝置安裝方便、測量準(zhǔn)確、通信可靠。

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

0 引言

目前在工業(yè)發(fā)達(dá)國家，一個剛剛開始且相當(dāng)令人矚目的應(yīng)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(wǎng)絡(luò)對各種泄漏進(jìn)行檢測。其主要應(yīng)用于石油化工等工業(yè)現(xiàn)場中各類氣體管道的泄漏檢測，也包括在管道、精餾塔、反應(yīng)釜以及儲罐上安裝的各類閥門的泄漏檢測。如果應(yīng)用常規(guī)的人工檢測方式，將耗費(fèi)巨大的人力成本，而且對于管路、閥門發(fā)生的細(xì)小的泄漏，人工很難及時發(fā)現(xiàn)、定位和維修。對于一個大型石油化工廠在沒有發(fā)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(jìn)行的例行檢查發(fā)現(xiàn)，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(guī)定的允許值。這將成為石油化工產(chǎn)品泄漏和環(huán)境污染的主要來源。

在工業(yè)環(huán)境下，采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來完成工業(yè)參數(shù)測量，由于其功耗低、安裝方便、整體成本低等優(yōu)勢，得到越來越廣泛的應(yīng)用。本文通過采用以短程無線通信標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.15.4為基礎(chǔ)的、具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)規(guī)范（wireless networks for industrial automation-process automation，WIA-PA），設(shè)計(jì)具有低功耗、高靈敏度的無線超聲檢漏裝置，實(shí)現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)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(dāng)大的經(jīng)濟(jì)價值和環(huán)保價值。

1 設(shè)計(jì)背景

1.1 泄漏原理

在工業(yè)現(xiàn)場，當(dāng)閥門或管道上出現(xiàn)漏孔時，內(nèi)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(diǎn)的尺寸較小，而且有較高的雷諾數(shù)，氣體從漏孔泄漏出來就會在漏孔附近形成湍流，并且會產(chǎn)生一定頻率的聲波。當(dāng)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(xué)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(huán)境大氣）；P為駐壓（泄漏孔）。

由上述公式可以看出，當(dāng)測量點(diǎn)位置與泄漏孔距離一定時，泄漏孔的尺寸變化及管道內(nèi)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(guān)，其強(qiáng)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(jù)對管道、閥門氣體泄漏所產(chǎn)生的超聲的頻譜分析可以看出，由泄漏所產(chǎn)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(chǎn)生超聲波能量較大的頻率點(diǎn)是在40 kHz左右。在這個頻率點(diǎn)上，由泄漏所產(chǎn)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(diǎn)。通過對中心頻率附近超聲信號的強(qiáng)度檢測，確定管道、閥門是否有泄漏點(diǎn)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(diǎn)位置。

1.2 W IA-PA技術(shù)

WIA-PA技術(shù)是基于短程無線通信IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，使用符合中國無委會規(guī)定的自由頻帶，提供能夠滿足流程工業(yè)各種環(huán)境下應(yīng)用需求的高可靠、實(shí)時無線通信服務(wù)。通過使用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)WIA-PA技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對全流程的“泛在感知”，獲取傳統(tǒng)由于成本原因無法在線監(jiān)測的重要過程參數(shù)。WIA-PA兩層柘撲網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示［3］。

圖2 WIA-PA兩層拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Two-layer topological network structure ofWIA-PA

WIA-PA網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為上下兩層結(jié)構(gòu)（Mesh+ Cluster）。下層為由簇首和簇節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的星型結(jié)構(gòu)；上層為由冗余的網(wǎng)關(guān)和可兼作路由設(shè)備各簇首構(gòu)成的網(wǎng)狀（Mesh）結(jié)構(gòu)。通過兩層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，保證簇節(jié)點(diǎn)通過一跳就可將測量信息直接傳送給簇首，而不必去規(guī)劃、選擇無線傳輸?shù)穆窂?，從而提高了傳輸?shù)膶?shí)時性，克服了網(wǎng)狀傳輸路徑的不確定性。通過網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)（Mesh）的簇首的部署，實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)的靈活性，并可以提高網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中多路徑通信的抗干擾能力。WIA-PA網(wǎng)絡(luò)拓樸結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了在工業(yè)應(yīng)用環(huán)境下對無線通信的可靠性要求，同時也兼顧對無線傳輸?shù)拇_定性、實(shí)時性要求。

同時在WIA-PA數(shù)據(jù)傳輸中，數(shù)據(jù)格式采用超幀結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。WIA-PA的超幀結(jié)構(gòu)由活動期與非活動期兩部分組成。對不同網(wǎng)絡(luò)管理功能的時隙分配進(jìn)行了劃分?；顒悠谟址譃镃AP（進(jìn)行設(shè)備加入，簇內(nèi)管理和重傳）和CFP（進(jìn)行移動設(shè)備與簇首間的通信）；非活動期則完成簇內(nèi)通信、簇間通信以及休眠，從而解決了無線傳輸數(shù)據(jù)的效率和處理無線傳輸?shù)馁Y源有限的矛盾。WIA-PA超幀結(jié)構(gòu)圖如圖3所示［3］。

圖3 WIA-PA的超幀結(jié)構(gòu)圖Fig.3 The superframe structure ofWIA-PA

WIA-PA協(xié)議在時間上采用時分多址技術(shù)（time devision multi-address，TDMA），在頻率上采用跳頻技術(shù)（frequency-hopping spread spectrum，F(xiàn)HSS），并且采用網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)與星型結(jié)構(gòu)的混合網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌诳臻g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(xié)議具備自組織功能和網(wǎng)絡(luò)自愈能力，大大簡化了無線終端設(shè)備安裝的復(fù)雜度，具備了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在工業(yè)環(huán)境下長期穩(wěn)定的傳輸性能。

2 硬件設(shè)計(jì)

基于WIA-PA的無線超聲檢漏裝置硬件系統(tǒng)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(tǒng)）、WIA-PA無線通信模塊等部分。系統(tǒng)所有電路采用模塊化設(shè)計(jì)，直接插在底板上，底板上留有JTAG調(diào)試接口。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

圖4 無線超聲泄漏檢測裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)是本裝置的關(guān)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(jīng)帶通濾波放大，將超聲信號轉(zhuǎn)化為2 V左右的電壓信號；然后通過A/D轉(zhuǎn)換器，將其進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，并通過串行口輸出數(shù)據(jù)。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(yōu)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(tǒng)的低功耗、低成本。在硬件設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)5～1 000倍的放大增益。根據(jù)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(shù)，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(chǎn)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(wěn)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(shù)為：

由于泄漏超聲信號的中心頻率為40 kHz，因此，根據(jù)計(jì)算，我們選擇設(shè)置合適的R、C參數(shù)，使得38～42 kHz信號能夠通過。并且通過跟隨電路LM324集成運(yùn)放，將濾波后的微伏信號放大到2 V左右，再穩(wěn)定地輸送到A/D轉(zhuǎn)換器輸入端。

③A/D轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(shè)計(jì)采用三線制的SPI實(shí)現(xiàn)AD7685與DSP通信。

2.2 DSP最小系統(tǒng)

DSP最小系統(tǒng)是由中央處理單元及外圍電路構(gòu)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(tǒng)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(diǎn)數(shù)字信號處理芯片TMS320VC5402。該芯片功耗低、可編程、運(yùn)算速度快且具備高性能數(shù)字信號處理能力，非常適合信號與信息處理等領(lǐng)域。外圍電路包括：電源電路、復(fù)位電路、JTAG仿真接口、時鐘電路、外部存儲擴(kuò)展電路等。

中央處理主控芯片是整個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中核心處理部分。它通過同步串行接口完成對A/D轉(zhuǎn)換器操作，將傳送來的超聲泄漏數(shù)字信號做進(jìn)一步數(shù)據(jù)處理后；再通過SPI串行通信總線將經(jīng)過DSP處理好的數(shù)據(jù)傳輸給WIA-PA通信模塊；WIA-PA模塊實(shí)時將數(shù)據(jù)通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)上傳至上層監(jiān)控中心。

2.3 W IA-PA模塊

3 軟件設(shè)計(jì)

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(jìn)行配置，以控制其工作方式、數(shù)據(jù)速率等相關(guān)設(shè)置。從A/D轉(zhuǎn)換器采集到超聲泄漏信號后，在DSP中實(shí)現(xiàn)對信號的數(shù)字處理，包括A/D采樣處理、數(shù)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(qiáng)波。通過與WIA-PA無線模塊的通信程序，將數(shù)據(jù)傳輸給SiA2420，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)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(shù)公式，我們可以把FIR濾波器運(yùn)算看成為卷積運(yùn)算。由于超聲泄漏特征頻率中心點(diǎn)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(huán)尋址，通過計(jì)算得到濾波器的51個系數(shù)值；從輸入端讀取樣本值，通過累乘運(yùn)算后，得到FIR濾波后的結(jié)果。結(jié)果以數(shù)組的形式進(jìn)行存儲。

經(jīng)過數(shù)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(dá)式如下：

為了消除前向通道產(chǎn)生的噪聲以及直流電壓的偏差，我們采用FIR濾波處理，運(yùn)用Hanning（漢寧）窗函數(shù)設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器，其傳遞函數(shù)為：

利用蝶形因子的對稱性和周期性，實(shí)現(xiàn)快速運(yùn)算，并對中間數(shù)值進(jìn)行歸一化處理，避免DSP運(yùn)算結(jié)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(xù)監(jiān)聽信道內(nèi)的信標(biāo)幀，接收到信標(biāo)后，選定簇首節(jié)點(diǎn)并完成時間同步。同時，裝置向簇首節(jié)點(diǎn)發(fā)出加入請求，簇首節(jié)點(diǎn)向WIA網(wǎng)絡(luò)管理者轉(zhuǎn)發(fā)該加入請求，網(wǎng)絡(luò)管理者接收到請求后返回加入響應(yīng)。簇首根據(jù)自身的通信資源情況以及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)漕愋拖蜓b置發(fā)出響應(yīng)；收到簇首發(fā)出的響應(yīng)后，狀態(tài)正確即加入到網(wǎng)絡(luò)中。如果響應(yīng)中status=Success，則該手持設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)，并將與DSP通信獲取的泄漏信息發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)管理者，完成數(shù)據(jù)無線上傳。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的基于WIA-PA的無線超聲泄漏檢測裝置可以安裝在工業(yè)現(xiàn)場一般工作人員不宜到達(dá)或難以觸及的地方，并可實(shí)現(xiàn)對閥門及管道氣體泄漏信號的低功耗、高精度實(shí)時監(jiān)測，通過無線方式上傳至監(jiān)控中心。該裝置對工業(yè)環(huán)境下各種氣體泄漏檢測都有相當(dāng)大的經(jīng)濟(jì)價值和環(huán)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(jì)劃基金資助項(xiàng)目（編號：2011AA040103）。

修改稿收到日期：2014－06－24。

作者涂煊（1974－），男，1997年畢業(yè)于浙江大學(xué)工業(yè)自動化專業(yè)，獲學(xué)士學(xué)位，高級工程師；主要從事智能制造、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等方向的研究工作。