楊彥從 盧其威 張文琪 司凱 彭瑞東

摘? 要： 為了避免旋轉(zhuǎn)掃描過程中加載裝置壓力傳感器外接連線帶來的纏繞和遮擋問題，基于ARM技術(shù)和WiFi技術(shù)給出了一種無線數(shù)據(jù)采集方案，實現(xiàn)了工業(yè)CT原位加載掃描實驗中加載裝置壓力信號的實時采集。整個采集系統(tǒng)由下位機、無線路由器、上位機三部分組成。下位機安裝在加載裝置上，采用ARM系統(tǒng)搭建，電池供電。壓力變送器信號經(jīng)調(diào)理后通過ARM主控芯片模擬輸入端采集。利用WiFi模塊與路由器通過無線連接，路由器再與上位機通過網(wǎng)線連接，從而實現(xiàn)下位機與上位機的P2P網(wǎng)絡(luò)連接。數(shù)據(jù)傳輸采用UDP協(xié)議，自定義數(shù)據(jù)包格式中包含了采樣時間和各通道A/D數(shù)據(jù)。上位機放置于CT監(jiān)控室，接收網(wǎng)絡(luò)UDP數(shù)據(jù)包，解析數(shù)據(jù)后進行顯示和存儲。實驗測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，操作方便直觀，完全滿足靜態(tài)加載的數(shù)據(jù)采集需求。

關(guān)鍵詞： 工業(yè)CT; 原位加載; 信號采集; 系統(tǒng)設(shè)計; 無線傳輸; 遠程通信

中圖分類號： TN911?34; TP393.17; TP274? ? ? ? ? ? ? ?文獻標(biāo)識碼： A? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2020）06?0018?05

Pressure signal acquisition system for in?situ loading devices in industrial CT

YANG Yancong1， LU Qiwei1， ZHANG Wenqi1， SI Kai2， PENG Ruidong2

（1. School of Mechanical Electronic and Information Engineering， China University of Mining and Technology， Beijing 100083， China; 2. State Key Laboratory of Coal Resources and Safe Mining， China University of Mining and Technology， Beijing 100083， China）

Abstract： In order to avoid the problem of entanglement and shielding caused by external connection of pressure sensor of loading device during rotating scanning， a wireless data acquisition scheme based on ARM technology and WiFi technology is proposed， which realizes the real?time acquisition of pressure signal of loading device in industrial CT in?situ loading scanning experiment. The whole acquisition system is composed of slave computer， wireless router and upper computer. The lower computer is installed on the loading device， which is built with ARM system and powered by batteries. After conditioning， the signal of pressure transmitter is collected by the analog input terminal of arm main control chip. The WiFi module is used to connect with router through wireless connection， and router is connected with upper computer through network cable， so as to realize P2P network connection between lower computer and upper computer. The UDP protocol is adopted for data transmission， and the format of customized data packet includes sampling time and A/D data of each channel. The upper computer placed in the CT monitoring room receives the network UDP packets， analyzes the data and displays and stores them. The experimental results show that the system is stable and reliable， and easy to operate. It fully meets the data acquisition requirements in static loading test.

Keywords： industrial CT; in?situ loading; signal acquisition; system design; wireless transmission; remote communication

0? 引? 言

自R?ntgen發(fā)現(xiàn)X射線之后，Cormack和Hounsfield進一步發(fā)明了醫(yī)用CT，從而開啟了利用X射線穿透物體之后的衰減特性進行物質(zhì)檢測的方法。隨著計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展，現(xiàn)在計算機X射線層析掃描（Computed Tomography，CT）技術(shù)已經(jīng)成為一種非常重要的實驗技術(shù)手段，在醫(yī)療診斷、工業(yè)檢測以及科學(xué)研究等領(lǐng)域有著廣泛的作用，是進行材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)無損檢測的主要方法[1]。圍繞CT實驗技術(shù)，在圖像重建算法、掃描成像方式、信噪比增強等方面都取得了很大進展，不斷改進了CT系統(tǒng)的成像質(zhì)量[2]，并且融入到實踐教學(xué)中[3]。值得關(guān)注的是，通過將傳統(tǒng)CT技術(shù)與傳統(tǒng)力學(xué)加載測試技術(shù)相結(jié)合，這就極大地拓展了CT的應(yīng)用領(lǐng)域，不僅可以精確觀測材料內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)，而且實現(xiàn)了原位加載下材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)演化的實時觀測，為研究材料變形破壞、流體滲透驅(qū)替等過程的微細觀機制提供了實驗支持[4?5]。

國內(nèi)最早實現(xiàn)這一技術(shù)創(chuàng)新的是中國科學(xué)院蘭州冰川凍土研究所，借助一臺醫(yī)用CT實現(xiàn)了加載過程中巖石材料細觀損傷擴展規(guī)律的實時試驗研究[6]。后來，一些研究人員陸續(xù)完成了一系列改進，分別結(jié)合醫(yī)用CT或工業(yè)CT開展了原位加載下的實時CT觀測試驗[7?15]。不難發(fā)現(xiàn)，受限于材料加載裝置復(fù)雜的管路連接和傳感器布置，將其與醫(yī)用CT結(jié)合是比較容易的。因為在醫(yī)用CT中，加載裝置類似于病人，在試驗過程中可以保持不動，而是通過X射線源以及探測器的旋轉(zhuǎn)來實現(xiàn)相對運動并完成掃描成像。另外，醫(yī)用CT可以快速完成整個掃描過程，這也有助于對流體滲透驅(qū)替過程的CT成像追蹤。但是若為了提高分辨率，工業(yè)CT就是更好的選擇了，而且它可以提供更寬的功率范圍，能夠掃描各種材質(zhì)。

從目前的研究中發(fā)現(xiàn)，將工業(yè)CT與加載裝置相結(jié)合時面臨的一個重要問題是，加載裝置必須隨轉(zhuǎn)臺一起進行高精度的穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)，因此各種管路和連線在旋轉(zhuǎn)過程中的干涉就必須設(shè)法解決，否則就會纏繞起來阻礙轉(zhuǎn)臺的旋轉(zhuǎn)。尤其是各種測量載荷、位移等信號的傳感器，其連接線在整個試驗過程中是不能斷開的，否則測量值就會發(fā)生偏差。位移信號還可以考慮采用非接觸式位移計進行測量，但載荷信號就必須進行原位測量了?？紤]到在小轉(zhuǎn)臺上實現(xiàn)加載和旋轉(zhuǎn)，需要盡可能減輕加載裝置的重量，一般采用液壓加載方式。因此加載裝置的原位壓力測量就成為亟需解決的關(guān)鍵問題。而且作為工業(yè)CT原位加載實驗的關(guān)鍵部分之一，壓力信號數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性、實時性都將直接影響到最終試驗?zāi)芊癯晒ΑＲ虼嗽O(shè)計一套穩(wěn)定、可靠的壓力信號采集與無線傳輸系統(tǒng)對于工業(yè)CT系統(tǒng)而言極為重要。

隨著物聯(lián)網(wǎng)的興起，無線傳感器已經(jīng)成為可能，各種無線傳輸技術(shù)也被大量應(yīng)用[16?20]。結(jié)合工業(yè)CT和電機機械加載裝置的無線測試系統(tǒng)也初步實現(xiàn)[21]，這是通過專用的無線模塊自定義信道來完成數(shù)據(jù)傳輸?shù)模跀?shù)據(jù)獲取和解釋方面需要專用軟件來完成。比較各種無線傳輸技術(shù)，WiFi通信具有組網(wǎng)靈活、兼容性強、性能穩(wěn)定、易于開發(fā)等優(yōu)勢，在許多領(lǐng)域都取得了很好的應(yīng)用效果[22?25]。盡管WiFi模塊可以直接和A/D電路連接實現(xiàn)簡單的數(shù)據(jù)發(fā)送功能，但結(jié)合ARM系統(tǒng)可以根據(jù)具體要求完成更加智能的數(shù)據(jù)采集和發(fā)送任務(wù)。下面就基于ARM技術(shù)和WiFi通信技術(shù)，對工業(yè)CT原位加載裝置壓力信號采集系統(tǒng)的設(shè)計進行具體說明。本文所介紹的設(shè)計方案中采用了基于ARM芯片STM32F205的WiFi模塊WM?N?BM?09，當(dāng)然也可根據(jù)需求更換為其它型號的ARM芯片和WiFi模塊。

1? 系統(tǒng)方案設(shè)計

工業(yè)CT原位加載裝置由液壓油通過活塞對試樣施加載荷，或者直接對試樣施加圍壓載荷。加載同時X射線照射罐體中試樣，得到試樣CT掃描圖像。為得到不同角度的CT掃描圖像，加載裝置在加載同時緩慢轉(zhuǎn)動。如果加載過程中信號采用有線形式傳輸，在加載過程中會出現(xiàn)導(dǎo)線纏繞的問題，跨過罐體上下端的導(dǎo)線還會影響CT掃描圖像的效果，因此系統(tǒng)方案設(shè)計中考慮信號的傳輸采用無線傳輸形式。另外，為防止射線泄露，工業(yè)CT主機放置在用硫酸鋇磚砌成的CT屏蔽室內(nèi)，因而無線信號也無法穿透墻體，到達隔壁的CT監(jiān)控室。鑒于以上特殊情況，設(shè)計了如圖1所示的系統(tǒng)方案。整個系統(tǒng)由安裝在加載裝置上的下位機、放置于CT屏蔽室的無線路由器、放置于CT監(jiān)控室的PC上位機三部分組成。

在下位機中，加載裝置壓力信號經(jīng)壓力變送器轉(zhuǎn)換為0～5 V或4～20 mA的電信號，再經(jīng)信號調(diào)理后送至WiFi模塊模擬輸入端，經(jīng)WiFi模塊轉(zhuǎn)換為無線WiFi信號發(fā)射出去。CT屏蔽室放置一無線路由器，該路由器與預(yù)先埋好的經(jīng)過墻體的網(wǎng)線相連，無線WiFi信號經(jīng)無線路由器通過網(wǎng)線傳輸至CT監(jiān)控室的PC機，PC機軟件可實現(xiàn)對壓力信號采集的啟?？刂疲杉瘮?shù)據(jù)的實時顯示，數(shù)據(jù)存儲等功能。該方案只需設(shè)計信號采集端的硬件電路（圖中下位機部分），借助無線路由器實現(xiàn)局域網(wǎng)WiFi通信，降低了硬件設(shè)計的復(fù)雜度，并且方便系統(tǒng)擴展。

2? 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件設(shè)計主要是下位機信號采集端的電路設(shè)計，包括信號調(diào)理電路、WiFi模塊、電源電路等。

2.1? 信號調(diào)理電路

壓力變送器將壓力信號轉(zhuǎn)換為0～5 V或4～20 mA的電信號，而WiFi模塊模擬輸入端的輸入電壓范圍為0～3 V，因此需要設(shè)計信號調(diào)理電路將壓力變送器輸出的電信號調(diào)理至WiFi模塊模擬輸入端可接收的信號范圍。信號調(diào)理電路如圖2所示，由精密電阻R1，R2構(gòu)成的分壓電路與運放LM358構(gòu)成的電壓跟隨器電路組成。圖中VIN來自壓力變送器輸出的電信號，VOUT送往WiFi模塊模擬輸入端。該電路可以實現(xiàn)輸入電壓信號的電壓范圍變換及輸入電流信號到電壓信號的轉(zhuǎn)換。

2.2? WiFi模塊

WiFi模塊采用USI公司的WM?N?BM?09無線通信模塊。該模塊支持IEEE 802.11b/g/n協(xié)議，具有體積小、功耗低、設(shè)計靈活性高等優(yōu)點。模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。內(nèi)部集成了博通公司的BCM343362WiFi芯片和意法半導(dǎo)體的STM32F205微處理器芯片。通過該模塊可以非常方便地將SPI，USB，UART，GPIO，ADC，DAC等通用接口連接到無線局域網(wǎng)中。WM?N?BM?09的硬件接口電路如圖4所示，模塊RST端接復(fù)位電路，ANT端接外置天線，四路經(jīng)過處理的模擬輸入信號分別接至模擬輸入端ADC1～ADC4。

2.3? 電源電路

電源電路要提供12 V，5 V，3.3 V三個供電電壓，分別為外接的壓力變送器、信號調(diào)理電路及WiFi模塊供電。因數(shù)據(jù)采集端下位機要和加載裝置一起，動態(tài)加載時隨罐體旋轉(zhuǎn)，為避免加載過程的導(dǎo)線纏繞問題，信號傳輸方式上選擇了無線傳輸形式。對于下位機的供電同樣也要避免這一問題，因而采用了電池供電方式。采用鋰電池串聯(lián)供電，可提供外接壓力變送器的12 V供電電壓，同時該12 V電壓經(jīng)降壓模塊轉(zhuǎn)換得到5 V，3.3 V電壓，分別為信號調(diào)理電路及WiFi模塊供電。為簡化電路設(shè)計，降壓模塊選用了雙路輸出的TPS54290降壓模塊。電源電路如圖5所示，圖中VOUT1，VOUT2可分別由式（1）、式（2）確定，通過選擇合適阻值的電阻，可使電源電路的兩路輸出VOUT1，VOUT2分別為5 V與3.3 V。

式中，VREF為TPS54290內(nèi)部參考電壓，其值為0.8 V。

3? 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件包括數(shù)據(jù)采集端下位機軟件和PC上位機軟件。下位機軟件主要實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換，網(wǎng)絡(luò)IP配置、WiFi通信等功能。上位機軟件主要實現(xiàn)采集控制、數(shù)據(jù)記錄與顯示等功能。

3.1? 通信協(xié)議與數(shù)據(jù)包格式

在WiFi通信中，網(wǎng)絡(luò)傳輸層的協(xié)議主要有TCP和UDP兩種。TCP作為一種面向連接的傳輸協(xié)議，能夠提供穩(wěn)定可靠的傳輸服務(wù)，具有確認、重傳、擁塞控制機制。但TCP傳輸效率相對較低，占用系統(tǒng)資源較高，不適用于大規(guī)模數(shù)據(jù)的實時傳輸。UDP作為一種無連接、無狀態(tài)的傳輸協(xié)議，實時性較好，系統(tǒng)資源消耗小，傳輸效率高。但在不穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，UDP傳輸可能會發(fā)生丟包或數(shù)據(jù)順序錯誤。考慮到加載過程中有大量數(shù)據(jù)需要實時采集，這里選定UDP協(xié)議進行無線傳輸，并在上位機采集軟件中進行數(shù)據(jù)包識別和檢測，以便在保證良好實時性的前提下適當(dāng)進行數(shù)據(jù)容錯處理。

不同于TCP的數(shù)據(jù)流模式，UDP采用的是數(shù)據(jù)報模式，因此需要對數(shù)據(jù)包的格式進行約定，從而實現(xiàn)上位機和下位機之間的可靠數(shù)據(jù)傳輸。根據(jù)采集通道數(shù)和A/D分辨率，定義數(shù)據(jù)包格式如下：

typedef struct _monitor_data

{

UCHAR framflag; ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? /*起始字符*/

UCHAR devID; ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?/*下位機編號*/

UINT16 dlenleft; ? ? ? ? ? ? /*數(shù)據(jù)包后繼長度字節(jié)數(shù)*/

UINT32 Sample_time;? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?/*采樣時間*/

INT16 Ain[4]; ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? /*四路模擬信號*/

INT16 Din[2]; ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?/*兩路數(shù)字信號*/

UCHAR status; ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?/*狀態(tài)碼*/

UCHAR crc; ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? /*校驗碼*/

}monitor_data;

每個數(shù)據(jù)包中包含一次采樣的A/D數(shù)據(jù)。上位機收到數(shù)據(jù)包后，可根據(jù)采樣時間調(diào)整收到的數(shù)據(jù)，按順序顯示和記錄采集到的數(shù)據(jù)。另外需要注意的是，數(shù)據(jù)包中的16位、32位數(shù)據(jù)要在傳輸前后進行網(wǎng)絡(luò)字節(jié)順序轉(zhuǎn)化。在上位機程序中可采用htonl（）和ntohl（）、htons（）和ntohs（）這些函數(shù)來實現(xiàn)。在下位機中也需要根據(jù)開發(fā)環(huán)境的設(shè)置進行移位處理。

3.2? 下位機軟件

下位機ARM系統(tǒng)的軟件編程利用STM32庫函數(shù)實現(xiàn)。軟件流程圖如圖6所示。在初始化時需對相應(yīng)的GPIO口進行設(shè)置，以實現(xiàn)A/D采集和指示燈、按鍵等功能。另外要對定時器進行初始化，從而在指定時間引發(fā)中斷開始數(shù)據(jù)采集與發(fā)送。

圖6? 下位機軟件流程圖

下位機軟件中通過判斷UART傳來數(shù)據(jù)的時間間隔區(qū)分不同的數(shù)據(jù)幀。若時間間隔大于20 ms則認為一幀結(jié)束，否則一直接收數(shù)據(jù)到上限值2 KB。因此上位機發(fā)送指令的間隔應(yīng)大于20 ms，以方便下位機識別指令。指令格式可以自定義，但需要以“＼r＼n＼r＼n”結(jié)束。例如指令“ON，1 000”表示開始采集，采樣間隔1 000 ms;指令“OFF”表示停止采集。這樣就可以通過軟件來控制數(shù)據(jù)采集的啟停。

3.3? 上位機軟件

由于采用了標(biāo)準(zhǔn)的WiFi通信協(xié)議，上位機的軟件可以很方便實現(xiàn)，而且也可以整合到現(xiàn)有的CT系統(tǒng)掃描及加載控制軟件中。圖7給出了單獨采集軟件的流程圖。

啟動軟件之后，首先需要設(shè)置網(wǎng)絡(luò)參數(shù)（如圖8所示），啟動UDP連接。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)連接情況，選擇相應(yīng)的網(wǎng)卡和IP地址，填寫下位機的IP地址以及端口號，填寫采樣間隔時間，然后點擊“開始”按鈕就可以發(fā)送指令到下位機開始采集數(shù)據(jù)。采集過程中可隨時點擊“結(jié)束”按鈕發(fā)送指令到下位機停止采集數(shù)據(jù)。圖中所示包括了收到的原始數(shù)據(jù)，其格式如3.1節(jié)所述。

經(jīng)過聯(lián)機測試，該系統(tǒng)可以穩(wěn)定地采集到工業(yè)CT原位加載掃描過程中加載裝置的壓力信號見圖9。

在實際使用中，WiFi信號傳輸穩(wěn)定，沒有觀測到受X射線以及旋轉(zhuǎn)運動的影響，上位機收到的UDP數(shù)據(jù)包沒有發(fā)生丟包、錯序等問題。而且實測100 ms采樣間隔下也可正常運行，這就可以每秒采集10組數(shù)據(jù)，完全滿足靜態(tài)加載測試的需求。

4? 結(jié)? 論

針對工業(yè)CT原位加載掃描實驗中加載裝置壓力信號的采集問題，本文基于ARM技術(shù)和WiFi技術(shù)給出了一種無線數(shù)據(jù)采集方案，避免了旋轉(zhuǎn)掃描過程中傳感器外接連線帶來的纏繞和遮擋問題，實現(xiàn)了多路數(shù)據(jù)的實時可靠采集。整個采集系統(tǒng)由安裝在加載裝置上的下位機、放置于CT屏蔽室的無線路由器、放置于CT監(jiān)控室的PC上位機三部分組成。下位機與路由器通過無線連接，路由器與上位機通過網(wǎng)線連接，從而實現(xiàn)下位機與上位機的網(wǎng)絡(luò)連接。下位機采用ARM+WiFi模式，電池供電，可以實現(xiàn)壓力變送器信號的高精度采集，并采用UDP協(xié)議將數(shù)據(jù)實時傳輸給上位機。上位機接收網(wǎng)絡(luò)UDP數(shù)據(jù)包，解析數(shù)據(jù)后實時顯示數(shù)據(jù)和繪制圖形，并可在實驗結(jié)束后保存數(shù)據(jù)到文件中。經(jīng)過實驗測試，該系統(tǒng)性能穩(wěn)定可靠，完全滿足靜態(tài)加載的數(shù)據(jù)采集需求?？梢灶A(yù)期，通過選擇更高主頻的ARM系統(tǒng)以及更大帶寬的WiFi模塊，還可進一步提高采樣速度，以滿足未來可能的動態(tài)加載測試試驗。

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