一种基于FPGA的埋地管道损伤谐波磁场检测系统及实现方法

本发明涉及管道损伤检测领域，具体涉及一种基于fpga的埋地管道损伤谐波磁场检测技术。

背景技术：

在役管道非开挖外检测技术是在地面直接针对管道管体缺陷进行检测的技术。近年来这类检测技术主要有磁力层析技术(mtm)、瞬变电磁检测技术(tem)、nopig技术。磁力层析技术(mtm)利用维埃里原理对管道缺陷与应力集中区域所产生漏磁场的磁场方向与强度的变化进行检测，估计缺陷类型，比较适合焊缝、裂纹等具有明显应力集中的缺陷检测，检测损伤类型具有局限性，且抗干扰能力较差。瞬变电磁检测技术(tem)利用在发射线圈上施加短时脉冲电流，产生瞬变电磁场(一次场)并向地下传播，通过采集地下管道在瞬变电磁场作用下产生涡流场(二次场)包含的电磁信息，识别管道腐蚀缺陷，其主要通过管道壁厚减薄来衡量其腐蚀情况，对管道的其他损伤检测具有局限性。等效电流中心偏移法(nopig)是通过在管道两端加载多频交流电，根据高低频检测下等效电流中心偏移情况来检测管体缺陷，该方法只能用于检测管道轴线上非对称金属损失，且需要提前开挖地面向管道打入钢钎。针对现有非开挖管道损伤检测技术的适用性与局限性，提出了一种谐波磁场聚焦检测技术，通过以低频正弦信号载高频正弦信号，利用低频信号的强穿透性和高频信号的高灵敏度检测能力，保证检测的深度和缺陷识别的精度，并以此设计发明了基于fpga的埋地管道损伤谐波磁场检测系统，该系统具有信号发射与接收、信号采集与调理、数据处理与存储、缺陷精确定位等功能，且具有抗干扰能力强、集成度高、轻便易携带等特点，能够实现对埋地管道损伤的地面非开挖检测。

技术实现要素：

本发明设计了一种基于fpga的埋地管道损伤谐波磁场检测系统，包括数据采集模块(1)、数据信息高速处理模块(2)、算法滤波模块(3)、液晶显示模块(4)、移动位移解算模块(5)、高精度编码器(14)、自动收线器(15)、算法校正模块(16)、按键控制与led指示模块(6)、数据管理控制模块(10)、实时操作系统(7)、数据存储模块(8)、磁信息探测模块(11)、谐波磁场聚焦检测探头(12)、激励线圈阵列(18)、磁信号检测探头(19)、谐波激励源(13)、电源管理模块(17)。

所述系统电源管理模块(17)连接系统中的所有需要供电的单元或模块，数据采集模块(1)和数据信息高速处理模块(2)相连，数据信息高速处理模块(2)与数据采集模块(1)、算法滤波模块(3)、液晶显示模块(4)、移动位移解算模块(5)、按键控制与led指示模块(6)相连，数据信息高速处理模块(2)还与数据管理控制模块(10)通过fsmc总线进行通讯。

数据采集和处理流程：通过磁信息探测模块(11)进行管体损伤处磁异常值的探测与感应，并通过数据采集模块(1)在fpga中进行磁信息的采集和量化，算法滤波模块(3)对转化数据进行多通道实时滤波并送入液晶显示模块(4)进行显示，数据信息高速处理模块(2)控制移动位移解算模块(5)采集高精度编码器(14)旋转产生的a、b相脉冲信号并在fpga中对信号消抖后，进行移动位移解算，通过算法校正模块(16)对解算后位移数据进行实时校正后，传输给液晶显示屏实时曲线显示。

数据信息高速处理模块(2)：采用altera公司cycloneiv系列fpga芯片作为主控芯片，并行传输高精度ad芯片转化的12通道电压数据，并写入滤波算法对每一通道数据进行实时滤波处理，将移动位移解算模块解析的位移信息和电压数据统一打包，送入异步fifo进行跨时钟域处理，分别送入数据管理控制模块和液晶显示模块存储和显示。

移动位移解算模块(5)：移动位移解算模块的机械部分包括高精度增量式旋转编码器(14)、自动收线器(15)，采用旋转周长转直线位移输出的结构进行作业。增量式旋转编码器采用zsp3806003g-bz3-24c型号，优选线数为600线，编码器具有强抗干扰，不丢脉冲的特性，自动收线器(15)包括布线装置、绕线转轮、收线手轮，采用复合编织线进行绕线，此线具有线径小、拉力大的特点，将线缠绕在自动收线器(收线器的结构可将线均匀的绕在转轮上)的转轮上，将线的延伸所产生的旋转运动转换成电子信号，fpga采集程序对电子信号进行实时采集与量化，并在程序中根据圆周长公式和编码器单圈脉冲数实时将脉冲总次数转化为移动位移，并通过算法校正模块(16)进行旋转半径的校正。

磁信息探测模块(11)：包括谐波磁场聚焦检测探头(12)和谐波激励源(13)，其利用谐波激励源(13)对激励线圈阵列(18)施加谐波激励信号，磁信号检测探头(19)利用阵列排布4个tmr隧道磁阻传感器感应磁场数据并进行模数转换，单个tmr传感器输出六路数据x-、x+、y-、y+、z-、z+，三差分对信号，利用差分转单端芯片将每差分信号转为单端信号再利用运算放大器进行信号调理输出，利用fpga控制ad芯片对12通道数据并行高速采集。

算法滤波模块(3)对fpga采集的多通道数据实时滤波，根据fir滤波器的数学表达式，在fpga中将64阶fir滤波器的分成三级流水线；第一级将输入信号延时，这样才能将信号和滤波器系数相乘，第二级将输入信号和系数相乘，第三级将乘积进行累加得到结果，将以上逻辑利用verilog语言进行编写，根据信号截止频率和采样率的不同，确定不同的滤波参数，并通过顶层参量传参，实现软件滤波，且滤波参数可调，以适应不同的检测工况。

数据管理控制模块(10)：包括实时操作系统(7)、数据存储模块(8)，使用μc/os-iii实时操作系统，给数据获取、数据存储和按键控制分配优先级，来定义功能实现的顺序；使用μc/os-iii是为了使程序层次更加清晰，添加功能也更加方便；数据的存储利用fat32文件系统进行文件读写操作，文件名来源于uart串口协议获取的液晶屏时间参数，操作usb2.0传输协议将数据存储至u盘。

液晶显示模块(4)：采用组态屏，对所有的显示对象分配不同的变量存储器单元，通过指令语句更新变量单元内容；系统通过fpga串口程序发送调取时间指令将实时检测时间数据包回传进行存储文件的命名，然后fpga向显示屏发送ad芯片采集的数据，每通道发送帧头、数据、帧尾的数据包在显示屏内解析后实现八通道并行显示。

按键控制与led指示模块(6)：按键控制与led指示模块(6)包括3个led指示灯、3个按键；按键key0控制系统电源的关断；红色led指示灯用于指示fpga芯片当前的运行状态，常亮表示正常运行；黄色led指示灯用于指示arm芯片的运行状态，常亮表示正常运行；绿色led灯闪烁指示第一帧数据正在获取和回传，结束时常亮；蓝色led灯闪烁时表示系统采集、处理与存储数据；按键key1为无自锁开关，按下时结束数据采集，绿色、黄色、蓝色led灯同时闪烁；按键key2为自锁开关，控制散热器的关断。

一种基于fpga的埋地管道损伤谐波磁场检测系统实现过程如下：

步骤1：本发明中的数据信息高速处理模块(2)通过uart协议向液晶显示屏(18)发送读取时间命令，并将接收的第一帧数据回传给fpga芯片，通过fsmc总线协议发送给数据管理控制模块(10)，提取时间信息作为csv文件的文件名以存储后续数据，一次作业中，第一帧数据仅传输一次。

步骤2：通过本发明中的谐波激励源(13)给激励线圈阵列(18)加谐波激励信号，并利用磁信号检测探头(19)对管体损伤处磁异常值进行探测；通过磁信息探测模块(11)进行磁场信息的感应，数据采集模块(1)进行磁信息的采集和转化。

步骤3：通过本发明中的算法滤波模块(3)处理前端采集的磁场数据并送入液晶显示模块(4)进行图像直观显示，同时送入数据信息高速处理模块(2)进行数据整合。

步骤4：通过本发明中的移动位移解算模块(5)计算实时位移，定位管道缺陷；高精度编码器(14)联接自动收线器(15)，用于将拉绳伸长所产生的旋转运动转换成可量化的电子信号，fpga采集a、b相脉冲信号判断旋转圈数并转化为直线位移，通过算法校正模块(16)对其实时校正，然后将位移数据分别传输给液晶显示屏、信息高速处理模块进行显示和整合。

步骤5：本发明中的数据信息高速处理模块(2)通过fsmc总线协议将整合后的数据送入数据管理控制模块(10)并存储至u盘，最后通过外置按键结束数据采集和存储过程，并关闭电源。

相对于现有技术与实现方法，本发明的有益效果如下：

本发明提出了一种管道损伤定位新方法，通过实时采集磁探头检测数据与磁探头相对检测起点的位移来定位缺陷，利用增量式旋转编码器和自动收线器将转轮上绕线运动转换成可以计量、记录或传送的电信号，由fpga采集转化成位移数据。针对此种机械操作出现的旋转半径逐渐递增而导致数据偏差的问题，提出了一种可靠的精确校正算法，可对位移进行实时校正。

本发明提出一种软件滤波算法，可实现多通道实时滤波。利用fpga的数据并行处理能力，在fpga中依据fir低通滤波原理进行多通道数据并行滤波处理，滤除实际工况的干扰信号，提高了信号的抗干扰性及信噪比。由此实现了软件滤波，且滤波参数可调，以适应不同的检测工况。

本发明提出了一种埋地钢质管道谐波磁场聚焦检测技术，构建了一种新型谐波磁场检测探头。谐波磁场聚焦检测技术以低频正弦信号载波高频正弦信号作为检测信号，其中低频信号的强穿透性保证了检测的深度，使检测信号能穿透地面且具有一定的提离效应，高频信号的高灵敏度保证了检测的精度，大大提高了管道损伤信号的可靠检测。新型检测探头包括阵列探头和阵列线圈，可使谐波磁场更精准覆盖管体，抗干扰能力更强。

本发明提出了一种管道检测数据的高速采集方案，使用fpga为主控芯片控制高精度多通道模数转换芯片对海量磁信息数据进行高速并行采集，同时对多通道数据进行并行滤波处理，并利用usb2.0协议以全速模式进行高速且稳定的数据存储，大幅提高了处理速度和处理量。

附图说明

图1为本发明实施例的基于fpga的埋地管道损伤谐波磁场检测系统及实现方法示意图。

图2为本发明实施例的系统电源管理模块示意图，包含各级分化电压。

图3为本发明实施例的谐波磁场聚焦检测探头设计示意图。

图4为本发明实施例优选的ad7606与fpga的接口设计。

图5为本发明实施例的触摸屏液晶与fpga的接口设计。

图6为本发明实施例的fir滤波器结构示意图。

图7为本发明实施例的arm与fpga的fsmc总线通信示意图。

图8为本发明实施例优选的usb与arm的接口设计。

图9为本发明实施例的u盘存储内容及格式。

图10为本发明实施例的系统硬件程序流程图。

具体实施方式

在以下描述中，为了对本发明技术方案的优点进行更准确、清晰的说明，将结合附图以及具体的实施例做进一步的阐述。以下阐述中，省略对众所周知的系统、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明，在没有创造性改进情况下的实施例都属于本发明的保护范围。

为了实现埋地钢质管道损伤的谐波磁场检测技术，本发明设计了一种基于fpga的埋地管道损伤谐波磁场检测系统，即检测探头在地面上沿管道铺设方向匀速检测，定位拉绳线的自由端固定在管道起始点，拉绳的开放端跟随检测探头进行移动，编码器随后将拉绳的伸长所产生的旋转运动转换成电子信号，采集后解算成位移信息，实现缺陷的定位。此外，通过检测探头将采集的磁信号进行滤波处理后与位移信息一同打包送入数据信息管理控制模块进行存储，并在液晶显示屏进行实时显示。

如图1所示，本发明提供了一种基于fpga的埋地管道损伤谐波磁场检测系统，包括数据采集模块(1)、数据信息高速处理模块(2)、算法滤波模块(3)、液晶显示模块(4)、移动位移解算模块(5)、高精度编码器(14)、自动收线器(15)、算法校正模块(16)、按键控制与led指示模块(6)、数据管理控制模块(10)、实时操作系统(7)、数据存储模块(8)、磁信息探测模块(11)、谐波磁场聚焦检测探头(12)、激励线圈阵列(18)、磁信号检测探头(19)、谐波激励源(13)、电源管理模块(17)。

所述系统电源管理模块(17)连接系统中的所有需要供电的单元或模块，谐波磁场聚焦检测探头(12)通过数据采集模块(1)采集数据传输至数据信息高速处理模块(2)进行处理，算法滤波模块(3)对数据进行滤波，数据信息高速处理模块(2)与液晶显示模块(4)进行uart通讯，移动位移解算模块(5)将直线运动转化为旋转运动，将拉伸的伸长所产生的旋转运动转换成电子信号由数据信息高速处理模块(2)进行采集，数据信息高速处理模块(2)与数据管理控制模块(10)通过fsmc总线进行通讯，通过按键控制与led指示模块(6)对系统进行设置以及指示运行状态。

系统电源管理模块(17)连接系统中的所有需要供电的单元或模块，如图2所示。优选12v聚合物锂电池供电，采用铝塑软包装，集成智能ic保护板，杜绝实际工况的天气原因导致爆炸的情况。系统对电压进行集中设计和管理，能够稳定安全的输出常用电压值。

数据信息高速处理模块(2)，优选altera公司cycloneiv系列ep4ce10f17c8n作为主控芯片，fpga高速并行的特性可控制两片ad7606进行并行采集，接口设计如图4所示。利用滤波算法对每一通道数据进行实时处理，与移动位移解算模块解析的位移信息统一打包，利用异步fifo进行跨时钟域处理，对数据进行流水线操作后，送入后续模块进行处理。

谐波磁场聚焦检测探头(12)，磁信号检测探头优选高灵敏度tmr磁阻传感器，传感器阵列方式如图3所示，设计激励线圈阵列，并施加稳定、精确的且高低频率可调的谐波信号，以此进行用于管体损伤处磁异常值的探测采集。

数据管理控制模块(10)，优选的采用意法半导体armcrotex-m4内核的嵌入式高性能控制器stm32f407vet6，嵌入μc/os-iii实时操作系统，给数据获取、数据存储和按键控制分配优先级，来定义功能实现的顺序；采用时间片轮转调度来进行同一优先级下任务的调度，定义数据获取、数据存储的时间片，进行分时操作；数据管理控制模块(10)与数据信息高速处理模块(2)通信利用fsmc总线通信，如图7所示。利用stm32f407vet6芯片的总线复用读写模式，fsmc与fpga通信采用地址数据总线16位，设定基地址为60000000h，片选信号为ne1，最大寻址位6fffffff；设定读使能信号noe、写使能信号new、地址有效信号nadv，未采用等待模式；采用异步模式，相比同步模式，异步模式读取16位数据速度会稍快，根据时序图进行数据的传输。

液晶显示模块(4)，优选液晶组态屏，硬件接口设计如图5所示。屏内对所有的显示对象(变量)分配不同的变量存储器单元，通过指令语句更新变量单元内容，ad芯片采集的数据通过fpga串口程序发送帧头、数据包、帧尾的指令将八通道数据送入显示屏，显示时像素点自动加1，整屏显示完毕后自动向左侧平移；同时，系统启动时将自动通过串口发送调取时间指令调取并打包检测时间数据，fpga以第一帧数据通过fsmc总线发送给arm进行u盘存储文件的命名。

算法滤波模块(3)优选fir低通滤波，fir滤波器的数学表达式可用差分方程表示为

其中，r是fir的滤波器的抽头数；b(r)是第r级抽头数(单位脉冲响应)；x(n-r)是延时r个抽头的输入信号。

如图6所示，x(n)是待滤波信号，h(n)是滤波器系数，卷积过程为一个乘积和累加的过程，用fpga将64阶fir滤波器的分成三级流水线；第一级将输入信号延时，这样才能将信号和滤波器系数相乘，第二级将输入信号和系数相乘，第三级将乘积进行累加得到结果。将以上逻辑利用verilog语言进行编写，将滤波参数作为程序参量置于代码顶层，可实现滤波参数可调。对ad7606转换的各通道数据通过滤波器调用即可实现滤波操作，滤波后的数据送入fifo进行跨时钟域处理，滤波参数可通过matlab调取工具箱中的fir进行模拟计算来获取。

移动位移解算模块(5)作为管道损伤定位的核心模块，原理是将直线运动转化为旋转运动，拉绳的自由端固定在管道起始点上，拉绳的开放端跟随检测探头移动，编码器随后将拉绳的伸长所产生的旋转运动转换成电子信号，即编码器的a、b相脉冲信号，对采集信号计算并进行算法校正，用来实现管道检测时的损伤定位和标记外界的强磁干扰点。移动位移解算模块包括高精度增量式旋转编码器(14)和自动收线器(15)，增量式旋转编码器采用zsp3806003g-bz3-24c型号，优选线数为600线，编码器具有强抗干扰、不丢脉冲的特性；自动收线器包括布线装置、绕线转轮、收线手轮，采用复合编织线进行绕线，具有线径小、拉力大的特点，将线缠绕在自动收线器(布线器可将线均匀的绕在转轮上)的转轮上，通过计算转动圈数来输出移动位移。因为绕线时存在半径上的变化，则管体损伤在试验中的准确定位需要算法校正模块(16)对输出位移进行校正，定位精度达到400mm/100m。

检测时的定位校正算法采用分段校正，拉绳线以十米为一段，每段颜色不同，故以十米为一个单位，计算十米绕线半径的改变量；拉绳总长共100米，即半径有十个变化区间，通过程序测出转轮所绕的总圈数，并用游标卡尺测量绕线前后的最小半径rmin与最大半径rmax。实时输出位移为阶梯型数据，要精确计算输出数据的总和，需要知道阶梯数以及单层阶梯数据的大小。根据实际绕线形状，可以近似为一个圆柱，即每个颜色缠绕成不同半径的圆柱，每个圆柱所缠绕的层数可根据以下计算求得。

由于拉绳线的每段颜色总长及圆柱的高度固定、线径均匀，所以单层绕线圈数为固定值，绕线层数可通过布线器获取。只需确定单种颜色的绕线圈数cs和绕线层数ns，即可获得单层绕线圈数(固定值)，此值只需进行一次标定即可，即

由此，只需知道转轮总的绕线圈数，就可通过上式计算得到总的绕线层数，以便后续计算旋转半径，则绕线总层数n为

ca：为总绕线圈数。

由此，每层的绕线半径增量δr为

每层的旋转周长s为

s＝2π(rmin+δr)(4)

由于使用600线编码器，若以单圈600点进行标定，则需要大量的计算资源来换取测量精度，为节省计算时间和内存占用，满足实际检测的要求，以每圈20个点进行标定，即程序中使用30个计数脉冲进行计算，即输出位移l为

c：每30脉冲标定的点数；

r：旋转半径。

即总的输出位移公式为

na：当前所在的绕线层数。

程序根据当前总的脉冲值可获得总的缠绕圈数以及与θ的倍数关系，对结果进行取整可获取当前的绕线层数na，以此便可得到输出的实时位移。精度调节通过合并阶梯数来进行调节，即选定特定数量的层数利用不同半径的中位数进行合并计算(选择奇数层进行合并)。

取m层的半径中位值δrm来做标定，即

nm：选择合并的绕线层数。

因为上述算法不可避免地出现小数，但是fpga不能直接对浮点数进行操作，只能采用定点小数处理后进行整数形式的运算。

如图8所示，为arm与usb的接口示意图，优选64g大容量u盘进行数据存储，存储内容及格式如图9所示。

如图10所示，为硬件系统程序执行图，包括各模块的初始化、数据采集、数据处理、数据通讯等。

基于fpga的埋地管道损伤谐波磁场检测系统及实现方法包含以下步骤：

步骤1：本发明中的数据信息高速处理模块(2)通过uart协议向液晶显示屏(18)发送读取时间命令，并将接收的第一帧数据回传给fpga芯片，通过fsmc总线协议发送给数据管理控制模块(10)，提取时间信息作为csv文件的文件名以存储后续数据；一次作业中，第一帧数据仅传输一次。

步骤2：通过本发明中的谐波激励源(13)给激励线圈阵列(18)加谐波激励信号，并利用磁信号检测探头(19)对管体损伤处磁异常值进行探测；通过磁信息探测模块(11)进行磁场信息的感应，数据采集模块(1)进行磁信息的采集和转化。

步骤3：通过本发明中的算法滤波模块(3)处理前端采集的磁场数据并送入液晶显示模块(4)进行图像直观显示，同时送入数据信息高速处理模块(2)进行数据整合。

步骤4：通过本发明中的移动位移解算模块(5)计算实时位移，定位管道缺陷；高精度编码器(14)联接自动收线器(15)，用于将拉绳伸长所产生的旋转运动转换成可量化的电子信号，fpga采集a、b相脉冲信号判断旋转圈数并转化为直线位移，通过算法校正模块(16)对其实时校正，然后将位移数据分别传输给液晶显示屏、信息高速处理模块进行显示和整合。

步骤5：本发明中的数据信息高速处理模块(2)通过fsmc总线协议将整合后的数据送入数据管理控制模块(10)并存储至u盘，最后通过外置按键结束数据采集和存储过程，并关闭电源。

以上所述仅描述了本发明的优先实施例，用以说明本发明的技术方案，并不用于限制本发明，对于熟悉本领域的普通技术人员而言，依然可以对这些实施例进行的多种变化、修改、替换和改进等，然而这些变化并不脱离本发明的原理和精神的情况下，均应包含在本发明的保护范围内。