苗長云，關(guān)世陽

（天津工業(yè)大學電子與信息工程學院，天津 300387）

帶式輸送機作為一種現(xiàn)代化生產(chǎn)中的連續(xù)運輸設(shè)備，已被廣泛應用于煤炭、礦山、港口、電力、冶金、化工等領(lǐng)域[1]。鋼絲繩芯輸送帶是帶式輸送機牽引和運載的重要部件[2]，在使用過程中，由于鋼絲繩芯輸送帶載荷量增加、被廢鋼鐵和矸石等異物或障礙物劃傷、長期在惡劣環(huán)境下使用導致輸送帶老化、輸送機安裝調(diào)整不當、鋼絲繩芯接頭搭接和硫化不好等原因，易導致鋼絲繩芯斷裂、劃傷、銹蝕、接頭伸長或接頭搭接不規(guī)范和鋼絲繩芯與橡膠分離（脫膠）等故障。一旦發(fā)生故障，將造成重大斷帶安全事故，導致物料損耗、設(shè)備損壞，引發(fā)巨大的經(jīng)濟損失和人員傷亡[3]。為保障帶式輸送機的安全運行，需要對鋼絲繩芯輸送帶進行檢測。常規(guī)檢測方法有人工法、電磁檢測法[4]。人工法不能在線實時監(jiān)測，檢測效率低，消耗大量工時和勞動力，影響生產(chǎn)，且易發(fā)生漏檢現(xiàn)象；電磁檢測法存在準確性低、探傷周期長、顯示不直觀等缺點[5]。

本課題組提出了一種基于X 光的鋼絲繩芯輸送帶在線檢測系統(tǒng)設(shè)計方案，高速X 光探測器為該系統(tǒng)的核心部件。本文以Altera 公司Cyclone ⅢFPGA 芯片為核心設(shè)計了高速X 光探測器的硬件電路[6]，采用Verilog 語言設(shè)計了高速X 光探測器的軟件，并對該探測器的檢測效果進行實驗驗證[7]。

1 設(shè)計方案

1.1 系統(tǒng)組成

基于X 光的鋼絲繩芯輸送帶在線檢測系統(tǒng)由X射線源、探測卡陣列、高速X 光探測器和PC 機等組成，如圖1 所示。

圖1 在線檢測系統(tǒng)組成Fig.1 Composition of online detection system

圖1 中，系統(tǒng)上電后，由PC 機給出采集指令，X射線源開始進入工作狀態(tài)；X 射線在穿透鋼絲繩芯輸送帶后，產(chǎn)生不同強度的透射射線；由X 射線線陣探測卡對射線進行采集并轉(zhuǎn)換為不同幅值強度的電壓信號[7]，通過對X 射線探測卡的時序控制將電壓信號讀出，并對采集到的數(shù)據(jù)進行整理、增強；最終通過以太網(wǎng)將圖像數(shù)據(jù)發(fā)送回PC 機。

1.2 高速X光探測器設(shè)計方案

高速X 光探測器主要是由X 光信號數(shù)據(jù)采集、FPGA 信號處理和以太網(wǎng)接口等電路組成的，如圖2所示。圖中，F(xiàn)PGA 信號處理電路由FPGA 主處理器、Flash 電路、JTAG 下載電路和電源電路等組成；X 光信號數(shù)據(jù)采集電路連接4 路探測卡陣列，以太網(wǎng)接口電路通過RJ45 接口連接上位機PC。

圖2 探測器電路組成Fig.2 Detector circuit composition

系統(tǒng)上電后，當高速X 光探測器接收到由上位機發(fā)送的采集開始指令后進入采集狀態(tài)；首先從板載Flash 中讀取保存的數(shù)據(jù)，配置探測器的工作參數(shù)；通過對X 光信號數(shù)據(jù)采集電路的時序驅(qū)動和AD 轉(zhuǎn)換控制得到量化后的X 光強度信號數(shù)據(jù)；最后經(jīng)過FPGA 主處理器對數(shù)據(jù)進行整理和校正后，通過以太網(wǎng)RJ45 接口返回給上位機PC。

2 探測器硬件電路設(shè)計

2.1 X光信號數(shù)據(jù)采集電路

X 光數(shù)據(jù)采集電路如圖3 所示。

圖3 X 光數(shù)據(jù)采集電路Fig.3 X-ray data acquisition circuit

圖3 中，X 光信號數(shù)據(jù)采集電路由4 組相同的并行數(shù)據(jù)采集通道組成，每組采集通道采用高性能模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7621 作為采集芯片，并設(shè)計了相關(guān)的前端差分信號調(diào)理電路，如圖4 所示。AD7621 是一款16 位高精度電荷再分配型SAR 型全差分模數(shù)轉(zhuǎn)換器，最高同步采樣率達到3 MSPS，具備內(nèi)部轉(zhuǎn)換時鐘、內(nèi)部基準電壓和糾錯電路等[8]。

圖4 差分信號調(diào)理電路Fig.4 Differential signal conditioning circuit

在前級差分信號調(diào)理電路上，采用高速運放組成差分放大電路，將X 射線探測卡陣列輸出的差分信號轉(zhuǎn)換為單端信號[9]。差分信號調(diào)理電路主要功能為將輸入的視頻信號進行正負項減法運算，同時進行衰減。由圖4 所示電路，根據(jù)差分電路原理，當R1=R4和R2=R3時，可得輸出電壓Vout遵循以下公式：

因為R3=R4，故輸出電壓為輸入端電壓正負端的差值。

2.2 FPGA信號處理電路

高速X 光探測器需要并行采集4 路探測卡陣列數(shù)據(jù)，時序要求嚴格，需要引腳較多。因此，本文選用Altera 公司的 Cyclone Ⅲ系列 EP3C16Q240C8N 芯片作為FPGA 信號處理電路的FPGA 主處理器。選用AMS1117 系列芯片設(shè)計電源電路[10]，為FPGA 主處理器提供 1.2、3.3、2.5 V 等多路電源；設(shè)計 SRAM 總線接口掛接Flash 芯片[11-12]，用于存儲探測器的配置參數(shù)；設(shè)計標準JTAG 接口電路，用于FPGA 程序調(diào)試和固化。

2.3 以太網(wǎng)接口電路

高速X 光探測器探測幅面寬，探測速度快，采集數(shù)據(jù)量較大。為了滿足圖像數(shù)據(jù)的傳輸需求，在與PC機通信鏈路上采用以太網(wǎng)接口方案。選用Wiznet 公司的W5300 作為以太網(wǎng)接口芯片[13]。W5300 芯片集成了硬件TCP/IP 協(xié)議棧，內(nèi)置了10/100 M 以太網(wǎng)控制器、PHY、MAC，簡化了以太網(wǎng)接口周圍的外圍電路，最高傳輸能力達到80 Mbps，能夠滿足本設(shè)計的高速圖像傳輸需求[14]。以太網(wǎng)接口電路組成如圖5 所示。

圖5 以太網(wǎng)接口電路組成Fig.5 Circuit composition of Ethernet interface

3 高速X光探測器軟件設(shè)計

高速X 光探測器使用Quartus ⅡFPGA 開發(fā)平臺，采用Verilog 語言進行軟件設(shè)計，主流程如圖6 所示。

圖6 軟件主流程圖Fig.6 Main flowchart of software

軟件程序主要包括數(shù)據(jù)采集程序和以太網(wǎng)控制程序。數(shù)據(jù)采集程序?qū)崿F(xiàn)X 光信號數(shù)據(jù)采集電路的時序控制和AD 數(shù)據(jù)采集功能；以太網(wǎng)控制程序?qū)崿F(xiàn)探測器與上位機PC 的指令接收和圖像數(shù)據(jù)發(fā)送[15]。

3.1 數(shù)據(jù)采集

在數(shù)據(jù)采集軟件中采用4 通道AD 并行采集模式，探測卡陣列時序管理部分產(chǎn)生采集觸發(fā)信號，通過相位控制模塊調(diào)整AD 芯片的初始采集相位，精確采集差分調(diào)理電路輸出的視頻信號的平臺期，提高采集穩(wěn)定度。將AD 異步采集得到的4 通道數(shù)據(jù)經(jīng)過整理合并，拼接成一個完整單幀圖像，對此幀圖像執(zhí)行數(shù)據(jù)校準算法，最后將校準后的單幀圖像數(shù)據(jù)存入采用乒乓操作的雙端口RAM 組成的緩存中[16]，此緩存稱為乒乓RAM 緩存。數(shù)據(jù)采集軟件流程如圖7 所示。

圖7 數(shù)據(jù)采集軟件控制流程Fig.7 Control flowchart of data acquisition software

3.2 以太網(wǎng)控制

以太網(wǎng)接口軟件流程如圖8 所示。

圖8 以太網(wǎng)接口軟件流程圖Fig.8 Flowchart of Ethernet interface software

以太網(wǎng)接口采用16 bit 模式進行操作，采用SRAM 總線時序?qū)崿F(xiàn)對W5300 芯片內(nèi)部寄存器的讀寫操作[17]。在電路上電后，首先對以太網(wǎng)芯片進行復位，復位后配置W5300 芯片的MAC 地址、網(wǎng)關(guān)和子網(wǎng)掩碼、Socket 協(xié)議格式、本地端口、遠程IP 和遠程端口。以太網(wǎng)操作分為發(fā)送操作和接收操作。

（1）發(fā)送操作：當乒乓RAM 緩存存滿一幀數(shù)據(jù)之后，將乒乓RAM 緩存中的數(shù)據(jù)依次讀出；組合幀頭和幀尾標記后，依序存入W5300 內(nèi)部發(fā)送FIFO；存入完畢后給出發(fā)送指令，將數(shù)據(jù)發(fā)送到目標IP；確認發(fā)送完畢后，等待下次發(fā)送操作觸發(fā)。

（2）接收操作：當查詢到W5300 接收FIFO 緩沖區(qū)存在待接收的數(shù)據(jù)時，執(zhí)行接收操作；首先讀取W5300 接收計數(shù)寄存器中待接收數(shù)據(jù)的大小，根據(jù)此大小讀取W5300 接收FIFO 中的數(shù)據(jù)；將數(shù)據(jù)取出存入內(nèi)部RAM，供主控程序進行協(xié)議解析；當數(shù)據(jù)接收完畢后，寫入接收完畢指令到W5300 控制寄存器，完成接收操作。

4 實驗驗證

根據(jù)鋼絲繩芯輸送帶在線檢測系統(tǒng)設(shè)計方案，采用X 射線源、探測卡陣列、高速X 光探測器、PC 機等搭建測試平臺[18-19]，鋼絲繩芯輸送帶幅面寬度為2.4 m，分析PC 機接收到的高速X 光探測器的圖像質(zhì)量、分辨率、數(shù)據(jù)傳輸丟包情況等。圖像質(zhì)量客觀上采用峰值信噪比進行評價[20]，在相同X 射線源、鋼絲繩芯輸送帶、相同X 射線探測卡陣列配置情況下，將原X 光探測器采集行頻為1 628 Hz、平均傳輸速率為45.8 Mb/s條件下，采集到的圖像作為原始圖像，高速X 光探測器高速運行時采集的圖像作為待評價圖像。實驗采集高速X 光探測器不同運行速率下得到的圖像，每種速率采集30 幅圖像與原始圖像進行測量分析。原X 光探測器采集圖像如圖9 所示，在采集行頻為2 640 Hz的情況下，高速X 光探測器采集圖像如圖10 所示，實驗結(jié)果如表1 所示。

圖9 原X 光探測器采集圖像Fig.9 Original X-ray detector acquisition image

圖10 高速X 光探測器采集圖像Fig.10 High-speed X-ray detector acquisition image

表1 不同采集頻率下高速X 光探測器測試性能比較Tab.1 Comparison of test performance of high-speed X-ray detector at different acquisition frequency

由表1 可以看出，高速X 光探測器有效提升了圖像采集的傳輸速率，相對于原X 光探測器采集圖像，高速X 光探測器采集圖像的峰值信噪比較高，圖片失真度小，在速度提高的情況下圖像質(zhì)量劣化不明顯。

由圖10 可以看出，本文所設(shè)計的高速X 光探測器采集的鋼絲繩芯細節(jié)邊緣清晰。實驗測試平臺共計有24 張?zhí)綔y卡，每張?zhí)綔y卡采集64 個像素點，則每行采集的像素個數(shù)為64×24=1 536 個像素。探測到的鋼絲繩芯輸送帶幅面完全，為2.4 m。經(jīng)測試，該高速X 光探測器分辨率達到1.5 mm，在相同探測幅面和分辨率的情況下，能夠有效提升鋼絲繩芯輸送帶X 光探測器的探測速度，在數(shù)據(jù)傳輸過程中無丟包現(xiàn)象，能夠有效滿足對高速帶式輸送機的鋼絲繩芯輸送帶在線檢測的速度、分辨率和幅面尺寸要求。

在高速X 光探測器全速運行過程中，測量接入的電流表電流，已知供電電壓為11.89 V，通過測量流入電流即可計算出高速X 光探測器的功耗。由于高速X光探測器采用了模擬供電與數(shù)字供電雙端子設(shè)計，故所采集到的電流參數(shù)為2 個，如圖11 所示。

圖11 電流采集結(jié)果Fig.11 Acquisition results of current

經(jīng)計算，高速X 光探測器總體功耗為16.741 W，滿足功耗小于17 W 的指標需求。

5 結(jié) 語

本文提出了一種高速X 光探測器設(shè)計方案，以Altera 公司Cyclone ⅢFPGA 芯片為核心設(shè)計了高速X 光探測器的硬件電路，采用Verilog 語言設(shè)計了高速X 光探測器的軟件，并對其探測性能進行實驗驗證。結(jié)果表明：該探測器能夠?qū)崿F(xiàn)對4 路X 光信號的高速采集、處理和以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸，最大采集行頻為2 640 Hz，每行采集像素數(shù)達1 536 個像素，功耗小于17 W，圖像分辨率1.5 mm，在鋼絲繩芯輸送帶在線檢測系統(tǒng)中具有較高的應用價值。