具有高速遠程通信功能的工業(yè)ERT系統(tǒng)設(shè)計*

張金雨， 譚 超， 董 峰

(天津大學 天津市過程檢測與控制重點實驗室，天津 300072)

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具有高速遠程通信功能的工業(yè)ERT系統(tǒng)設(shè)計*

張金雨， 譚 超， 董 峰

(天津大學 天津市過程檢測與控制重點實驗室，天津 300072)

針對多相流遠距離可視化測試問題，提出一種具有高速遠程通信功能的工業(yè)電阻層析成像(ERT)系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用現(xiàn)場單元和主控單元異地光纖高速通信方案，通過光纖收發(fā)電路與高速傳輸協(xié)議邏輯設(shè)計,實現(xiàn)系統(tǒng)高速遠程通信功能。通過現(xiàn)場單元串行采集方案電路設(shè)計，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加緊湊、可靠性更高。通過現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)數(shù)字化信號處理和異步緩存邏輯設(shè)計，使系統(tǒng)遠程數(shù)據(jù)采集更為精確完整。通過測試實驗和圖像重建,驗證所建立系統(tǒng)的性能,系統(tǒng)光纖傳輸線速率達625 Mbps，誤碼率低于10-12，測量重復性和成像速率指標滿足工業(yè)應用需求，系統(tǒng)具備遠程可視化測量能力。

電阻層析成像系統(tǒng); 異地連接; 遠程高速傳輸; 結(jié)構(gòu)設(shè)計; 圖像重建

0 引 言

電阻層析成像技術(shù)(electrical resistance tomography，ERT)是一種基于電學敏感原理的分布式過程參數(shù)檢測技術(shù)。具有工作原理和結(jié)構(gòu)簡單、響應速度快、可實現(xiàn)可視化測試特點，適用于工業(yè)生產(chǎn)中封閉管道和容器設(shè)備的過程狀態(tài)和參數(shù)檢測[1,2]。尤其在石油、化工、冶金、動力、能源等各個工業(yè)領(lǐng)域普遍存在的多相流動過程參數(shù)的測試中，ERT技術(shù)具有獨特的優(yōu)勢[3,4]。然而，已有的ERT系統(tǒng)數(shù)據(jù)的采集和處理均采用本地一體化模式，無法實現(xiàn)特殊環(huán)境數(shù)據(jù)的遠程傳輸功能，難以與網(wǎng)絡(luò)化工業(yè)控制系統(tǒng)相連接，限制其在現(xiàn)代工業(yè)過程中的應用。

針對上述問題，設(shè)計了一種具有高速遠程通信功能的工業(yè)ERT系統(tǒng)，突破以往系統(tǒng)設(shè)計中數(shù)據(jù)采集和處理本地一體化模式。采用現(xiàn)場單元和主控單元異地連接方案，分別實現(xiàn)測試數(shù)據(jù)的獲取、預處理和圖像重建功能。通過光纖收發(fā)電路和高速傳輸協(xié)議邏輯設(shè)計，實現(xiàn)了系統(tǒng)高速遠程數(shù)據(jù)傳輸；通過現(xiàn)場單元串行采集結(jié)構(gòu)激勵采集電路和主控單元CPCI接口電路設(shè)計，簡化了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，增強了系統(tǒng)可靠性和靈活性；通過現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)數(shù)字化信號處理和異步緩存模塊的邏輯設(shè)計，保證了采集數(shù)據(jù)的精確完整。搭建系統(tǒng)測試平臺，通過測試實驗驗證了具有高速遠程通信功能的工業(yè)化ERT系統(tǒng)的性能。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)高速遠程的可視化測量功能，且結(jié)構(gòu)更為簡單，具有高可靠性和應用靈活性，更適用于工業(yè)現(xiàn)場的應用。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 系統(tǒng)方案和原理

基于典型ERT系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理，系統(tǒng)采用現(xiàn)場單元和主控單元異地連接方案。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig 1 Structure of system

其中，現(xiàn)場單元由集成激勵采集電路和光纖收發(fā)電路的板卡與電極敏感陣列相連組成。主控單元由集成光纖收發(fā)電路和CPCI接口電路的板卡與工控機連接組成。工作時，現(xiàn)場單元對被測物場施加激勵并對數(shù)據(jù)進行初步采集，初步采集的數(shù)據(jù)通過光纖收發(fā)電路發(fā)送到主控單元中；主控單元光纖收發(fā)電路接收數(shù)據(jù)，并通過CPCI接口電路被工控機采集處理，實現(xiàn)系統(tǒng)的遠程測試功能。

1.2 光纖收發(fā)結(jié)構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)現(xiàn)場單元和主控單元的光纖收發(fā)模塊采用相同電路結(jié)構(gòu)，用于實現(xiàn)系統(tǒng)的高速遠程雙向通信功能。其電路基于內(nèi)嵌在Xilinx公司FPGA中可編程高速串行收發(fā)器硬核GTP(gigabit transceiver with low power)實現(xiàn)。電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 光纖收發(fā)電路Fig 2 Fibe-optic transceiver circuit

光纖收發(fā)電路基于GTP實現(xiàn)測量數(shù)據(jù)與高速串行差分數(shù)據(jù)之間的轉(zhuǎn)換。利用小型可插拔(small form pluggable，SFP)光纖模塊實現(xiàn)信號的光電轉(zhuǎn)換，其傳輸速率可達到Gb量級。為保證傳輸數(shù)據(jù)的可靠性，光纖收發(fā)電路電源和時鐘均采用高精度設(shè)計方案。其中采用與最小系統(tǒng)電源隔離的二級降壓供電方案，為GTP模塊提供高精度、低波紋、高穩(wěn)定性的供電電源。應用高精度的時鐘晶振，嚴格匹配時鐘線路差分阻抗，為GTP模塊提供低抖動、高精度的差分時鐘。光電轉(zhuǎn)換模塊基于SFP模塊設(shè)計，采用LC型光纖為傳輸媒介，對外部電磁干擾具有很強的抑制能力。光纖收發(fā)電路結(jié)構(gòu)簡單，移植性好，遠距離傳輸不需要傳輸節(jié)點，更適用于工業(yè)遠程傳輸需求。

1.3 激勵采集和CPCI接口結(jié)構(gòu)設(shè)計

現(xiàn)場單元的激勵采集電路用于實現(xiàn)激勵信號的產(chǎn)生和測量數(shù)據(jù)的初步采集功能。采用串行采集結(jié)構(gòu)，即當某對相鄰電極作為激勵電極時，通過多路選通開關(guān)切換與采集電路連接的電極對，循環(huán)采集其他相鄰電極間的測量信號，這些信號共用同一個采集通道。串行采集方案簡化了系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)，縮小了系統(tǒng)體積，減小了多路采集中所存在的通道不一致對系統(tǒng)性能造成的影響。

CPCI并行總線接口具有可熱插拔，強通風性，高可靠性和抗震性等優(yōu)點，更適應工業(yè)現(xiàn)場的復雜環(huán)境[5]。系統(tǒng)主控單元中，通過設(shè)計CPCI總線接口電路與工控機連接，實現(xiàn)更為高速、可靠的數(shù)據(jù)采集功能。電路采用專用協(xié)議芯片PCI9054作為電路主設(shè)備進行設(shè)計，在FPGA控制下實現(xiàn)工控機內(nèi)部寄存器和CPCI總線的直接交互訪問。此方案保證了主控單元CPCI與光纖數(shù)據(jù)的協(xié)同傳輸，使主控單元模塊采集數(shù)據(jù)更為可靠。

2 系統(tǒng)邏輯設(shè)計

FPGA是現(xiàn)場和主控單元的核心芯片，通過模塊化FPGA邏輯設(shè)計實現(xiàn)了系統(tǒng)方案?，F(xiàn)場單元FPGA包括外圍芯片控制，數(shù)字化信號處理，異步緩存和高速傳輸協(xié)議邏輯模塊。主控單元FPGA包括高速傳輸協(xié)議，異步緩存和CPCI控制邏輯模塊。其中數(shù)字化信號處理，高速傳輸協(xié)議和異步緩存邏輯是系統(tǒng)邏輯實現(xiàn)的關(guān)鍵。

2.1 數(shù)字化信號處理的實現(xiàn)

系統(tǒng)數(shù)字化信號處理邏輯實現(xiàn)了對現(xiàn)場單元采集數(shù)據(jù)預處理功能。主要包括數(shù)字濾波、解調(diào)、加頭模塊三部分。其中，通過現(xiàn)場單元FPGA內(nèi)部設(shè)計高階分布式算法FIR濾波邏輯模塊，實現(xiàn)了對采樣信號中噪聲的濾除[6]。濾波后的信號經(jīng)過數(shù)字正交解調(diào)設(shè)計，得到測量數(shù)據(jù)的解調(diào)值(即幅值信息)[7]。數(shù)據(jù)加頭模塊通過獲取控制切換開關(guān)的狀態(tài)機信息為每個解調(diào)值添加了“頭文件”，即每個測量值的位置信息，保證了遠程傳輸過程數(shù)據(jù)的準確完整。數(shù)字化信號處理模塊設(shè)計保證了測量信號處理的實時性與可靠性。

2.2 高速傳輸協(xié)議的實現(xiàn)

系統(tǒng)通過FPGA內(nèi)部的高速傳輸協(xié)議邏輯設(shè)計，實現(xiàn)了測量數(shù)據(jù)與高速串行差分數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換?；诠饫w收發(fā)電路，系統(tǒng)高速遠程的通信功能得以實現(xiàn)。高速傳輸協(xié)議邏輯框圖如圖3所示。

圖3 高速收發(fā)協(xié)議邏輯Fig 3 High-speed transceiver protocol logic

Aurora協(xié)議是一種基于GTP模塊點對點串行傳輸?shù)臄?shù)據(jù)鏈路層協(xié)議。具有可擴展性和開放性特點。使用8B/10B或64B/66B編碼，線速率為625 Mbps～3.125 Gbps[8]。系統(tǒng)高速傳輸基于Aurora協(xié)議實現(xiàn)，通過調(diào)用Aurora 8B/10B IP核，在外圍設(shè)計數(shù)字時鐘管理、時鐘補償、光電轉(zhuǎn)換驅(qū)動、數(shù)據(jù)發(fā)送接收等邏輯模塊實現(xiàn)高速傳輸協(xié)議的設(shè)計。其中，數(shù)據(jù)傳輸線速率、位寬、數(shù)據(jù)格式、傳輸方式等參數(shù)均可在協(xié)議定制中設(shè)定。

2.3 傳輸數(shù)據(jù)異步緩存

現(xiàn)場單元和主控單元的異步緩存模塊基于FPGA內(nèi)部異步FIFO實現(xiàn)，解決ERT測量數(shù)據(jù)產(chǎn)生速率與光纖發(fā)送數(shù)據(jù)速率、光纖接收數(shù)據(jù)速率與CPCI采集數(shù)據(jù)速率不同所造成的跨時鐘域傳輸問題，保證了傳輸?shù)臏蚀_、完整。通過時序分析和邏輯設(shè)計，系統(tǒng)現(xiàn)場單元異步緩存邏輯設(shè)計思想如圖4所示。主控單元異步緩存邏輯實現(xiàn)思想基本一致。

圖4 現(xiàn)場單元異步緩存邏輯Fig 4 Asynchronous caching logic of field unit

如圖4所示工作時，現(xiàn)場單元異步緩存模塊存儲ERT一幅完整數(shù)據(jù)后再送至高速協(xié)議發(fā)送。以16電極傳感器相鄰采集模式為例，通過狀態(tài)機控制選通開關(guān)，循環(huán)一次產(chǎn)生208個測量值。通過異步緩存設(shè)計，每次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)為一整幅208個數(shù)據(jù)，便于數(shù)據(jù)的后續(xù)處理，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾蜏蚀_。

3 系統(tǒng)測試

基于系統(tǒng)方案，完成了現(xiàn)場單元和主控單元模塊板卡設(shè)計，并搭建了系統(tǒng)測試平臺。

應用圖5所示具有16電極敏感陣列的測試傳感器模擬實際測量管道，在其中放置圓形塑料模擬構(gòu)件進行了系統(tǒng)測試實驗，通過實驗數(shù)據(jù)的分析和圖像重建驗證了系統(tǒng)的可行性。

圖5 測試傳感器Fig 5 Sensor of test

3.1 光纖收發(fā)功能的驗證

通過將Aurora協(xié)議邏輯固化到光纖收發(fā)電路，配置GTP通道，對系統(tǒng)主控單元和現(xiàn)場單元光纖收發(fā)模塊進行自收發(fā)測試，驗證系統(tǒng)通信功能。Aurora采用全雙工工作模式，以數(shù)據(jù)流格式傳輸，傳輸數(shù)據(jù)位寬32位，傳輸線速率0.625 Gbps，測試結(jié)果表明光纖收發(fā)功能正常。實驗中應用8 mLC型光纖，其最遠傳輸距離主要由光纖衰耗和色散決定，本系統(tǒng)理論最大通信距離20 km。實際傳輸數(shù)據(jù)線速率為625 Mbps，傳輸誤碼率為10-12，且長時間傳輸穩(wěn)定，滿足系統(tǒng)需求。

3.2 系統(tǒng)標定實驗

應用系統(tǒng)平臺，在圓柱形容器Na2SO4溶液作為背景介質(zhì)狀態(tài)下，進行標定實驗。相鄰激勵、測量模式下獲得的208個測量值曲線如圖6所示，符合ERT數(shù)據(jù)的U型特征，趨勢良好。系統(tǒng)測量重復性是ERT系統(tǒng)的重要指標，而串行系統(tǒng)的重復性精度則取決于系統(tǒng)的實際測量偏離度(SDV)，應用以下公式計算可計算系統(tǒng)SDV參數(shù)

(1)

式中 Vi為第i幅測量數(shù)據(jù)，Vavg為多次測量得到一幅數(shù)據(jù)的平均值。選取500幅標定實驗數(shù)據(jù)，通過計算SDV在5 %以內(nèi)，測量重復性滿足工業(yè)應用要求。

圖6 系統(tǒng)采集的一幅數(shù)據(jù)曲線Fig 6 Curve of datas acquired by system

3.3 系統(tǒng)成像速度分析

系統(tǒng)采用串行采集方案設(shè)計，完成一幅圖像數(shù)據(jù)采集的時間為Tf=Ntc。N為一幅圖像需要的測量值，tc為采集一個測量值所消耗的時間總和，主要包括：切換電極的時間(1μs)，采集電路A/D轉(zhuǎn)換的時間(42μs)，數(shù)字濾波時間(1μs)，光纖傳輸(64ns)和CPCI采集的時間(約33ns)和光纖傳輸?shù)难訒r(832ns)。通過計算，tc大約為45μs。以系統(tǒng)應用16電極傳感器，應用相鄰采集方式工作，激勵電流采用50kHz為例。一幅數(shù)據(jù)測量值為208個，計算Tf為9.36ms，系統(tǒng)理論采集速率可達到106幅/s。由于電極切換對測量有一定影響，因此，為保證測量信號穩(wěn)定性。每次為測量值產(chǎn)生預留三個周期激勵信號約60μs。因此實際工作中該系統(tǒng)成像速度約為80幅/s，成像結(jié)果穩(wěn)定，滿足工業(yè)要求。

3.4 系統(tǒng)成像功能測試

基于實驗系統(tǒng)平臺，應用Na2SO4溶液作為背景介質(zhì)，在測試容器內(nèi)不同位置放置數(shù)目、直徑各不相同的圓形塑料模擬構(gòu)件，進行測試實驗，應用直接Tikhonov正則化算法[9]對采集數(shù)據(jù)進行圖像重建。部分實驗重建結(jié)果如圖7。

圖7 物體不同位置的圖像重建Fig 7 Image reconstruction of object in different location

實驗中，應用21.38 mm和30 mm兩種模擬構(gòu)件進行了多組成像實驗。圖像重建結(jié)果顯示系統(tǒng)成像效果良好，能夠有效反映被測物場中物體的位置，數(shù)目和大小信息，系統(tǒng)具備可視化測量的能力。

4 結(jié) 論

為了滿足工業(yè)過程中對ERT系統(tǒng)的異地采集與處理功能的要求，提出并設(shè)計了一種具有高速遠程通信功能的工業(yè)化ERT系統(tǒng)。采用現(xiàn)場單元和主控單元異地連接的方案，完成了系統(tǒng)現(xiàn)場單元與主控單元模塊的設(shè)計、開發(fā)。搭建實驗測試平臺，對系統(tǒng)進行了數(shù)據(jù)采集和圖像重建的測試。測試結(jié)果表明：該系統(tǒng)傳輸速率達625 Mbps，傳輸距離可達20 km，傳輸誤碼率10-12。系統(tǒng)遠程采集數(shù)據(jù)圖像重建效果良好，成像速率及其他性能指標均滿足應用要求，有效解決了以往系統(tǒng)無法實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)采集的功能，增強了系統(tǒng)可靠性和應用靈活性，為ERT技術(shù)在工業(yè)特殊環(huán)境中的應用提供了新的方法和手段。

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譚 超，通訊作者，E—mail:tanchao@tju.edu.cn。

Design of industrial ERT system with high-speed remote communication function*

ZHANG Jin-yu， TAN Chao， DONG Feng

(Tianjin Key Laboratory of Process Measurement and Control,Tianjin University,Tianjin 300072,China)

Aiming at remote visualization measurement problem of multiphase flow,an industrial electrical resistance tomography(ERT) system with remote high-speed communication function is designed.The system uses optical fiber high-speed transmission to connect field unit and main control unit,by designing fiber-optic transceiver circuit and high-speed transmission protocol logic,high-speed remote communication function is realized.Through circuit design of serial acquisition scheme in field unit,structure of system is more compact and reliable.Through FPGA digital signal processing and logic design of asynchronous cache,remote data acquisition of system is more complete and accurate.System performance is verified through test experiment and image reconstruction,transmission rate of optical fiber is 625 Mbps and bit error rate is lower than 10-12,measurement repeatability and imaging rate of system meets industrial application requirement,and the system has remote visualization measurement function.

electrical resistance tomography(ERT) system; different place connection; remote high-speed transmission; structure design;image reconstruction

2015—11—12

國家自然科學基金資助項目(61571321，61227006)；天津市科技創(chuàng)新體系及平臺建設(shè)計劃資助項目(13TXSYJC40200)

10.13873/J.1000—9787(2016)10—0093—04

TP 216

A

1000—9787(2016)10—0093—04

張金雨(1990-)，男，天津人，碩士研究生，研究方向為在線檢測技術(shù)與系統(tǒng)。