数字无线网络技术在实时无损检测系统中的应用

作者：王开治，刘翠珊，栾江峰，丁启敏

在当今无线测控工作站的检测信号与控制信号传输过程中，一种是传统的模拟式传输，以FM-FM为代表；一种是数字式传输，以PCM为代表。两种方法各具特点，模拟式传输实现起来比较简单，不需要专用的控制芯片进行数据控制，实时性好，不足之处是传输精度不高且易受环境干扰；数字式传输实现起来比较复杂，需使用专门的智能控制芯片进行数据位控制。在检测状态进行数字通信时，要保证数据位的同步极为困难，成为制约数字式无线通信工程应用的主要瓶颈。而其优点则是传输精度高，安全性好，是未来无线通信发展的方向。尤其在现代无损检测过程中，由于现场工作环境恶劣，不可控干扰因素较多，信号的抗干扰能力就显得非常重要。 
　　1 传统模拟系统组成
　　测量系统组成如图1，图2所示。
　　在传统模拟系统中，测量站基本组成为：传感器组、数据采集器、单片机或PLC控制系统和通讯适配器及模拟电台。信号传输一般分为2组，一组是采集信号传输，一组是测量站工作控制信号传输。在传输过程中，可以采用模拟式传输，或现代的数字电台传输。要保证信号稳定传输，一般要求用两组信号通道分别传输，传输过程中还要考虑到电源干扰及检测部件如射线源的辐射干扰等。对于信号采集系统而言，数据采集器采集的模拟信号如果直接通过模拟电台传输，传输精度及带宽由于各种现场环境的影响，其效果难以保证，即便是信号通过模／数转换后经由数字电台传输，传输精度及带宽也不能保证实时信号能为后续处理系统接受。控制部分一般是利用单片机或PLC实现。单片机和PLC的造价可能较低，但单片机前期开发及量产少问题困扰着系统开发者。控制精度和系统调试上，单片机和PLC系统调试需要有专门的外围设备和专业技术人员的支持。遥控测量站动作所需的控制信号由模拟FM电台传输，控制信号的精度由于现场环境影响有时也不能保证。系统调试过程中的工作量及系统运行过程中的人机互动过程实现也极其困难，特别是在遥控站系统发生故障时，系统修复及人工控制又为系统开发与应用提出了难题。因此，传统模拟信号传输系统及部分数字信号传输系统在应用过程中有很多不足及难以预料的问题。

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　　2 数字系统组成
　　其测量系统组成如图3，图4所示。
　　在数字系统组成中，模拟信号经由传感器组传输到数字数据采集器中，经过滤波、放大、模／数转换等转换成数字信号传入测量站控制机。控制机经由Intel公司的WIFI无线网络端口与主控机进行无线联网，通过对主机与测量站控制机的分别设置，使测量站控制机成为主控机的一个远程终端，实现对其完全远程控制。通过无线网络，测量站控制机采集的实时数据及图象传输至主控机，同时主控机对测量站控制机进行全面控制，并且通过RS 232端口或USB端口控制其他外围设备。如果在测量过程中，无线信号传输有较强烈的干扰(如X射线干扰)，可利用无线网络进行机器工作状态预览。测量站控制机采集实时数据并存储，干扰去除后，再把有用信号无线传输至主控机。主控机在接收信号的同时并控制测量站设备进行下一次信号采集准备，一切就绪后，打开采集系统进行下一次工作。如此添加中间存储环节，通过全数字的无线信号传输，提高了数字信号传输精度，也提高了抗干扰能力及控制精度。

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　　2.1 传感器组及数字信号采集器的组成
　　该系统可以应用于现有的多种检测技术中，即能把传感器组所得到的检测信号通过信号采集器变为数字信号的所有系统中。该系统不但能完成常规信号(如温度，压力，流量等传感器组采集的信号)和非常规信号(摄像头，各种内窥镜，声纳信号等)的传递工作，更可应用于无损检测工程领域，用以传输超声波测量信号和X射线检测图像的数字信号。比如，超声波探头信号，当超声波探头换能器将探伤回波转化为电信号，信号采集器即可设计为具有信号放大、滤波、整定、模／数转换等功能的结合体，当信号经过一系列整定变为数字信号后，再经由测量站控制机端口进入计算机进行储存和传输，完成信号采集；而对于X射线数字实时成像采集设备——平板检测器(FPD)，若平板检测器能直接输出数字图象，便可以直接通过数据电缆，经过测量站控制机端口进入计算机存储和传输；对于需要转换的信号，可以先经过专有设备转换为测量站控制机所能采集的信号，再进入计算机进行存储和传输。
　　2.2 测量站控制机
　　测量站控制机在整个测量站中处于核心地位，对于能否实现测量站的正常工作及稳定信号传输有极其重要的作用，所以对其选择一定要慎重。测量站控制机性能必须满足以下几点：
　　(1)具有低功耗、高效率特性、最好能直接由标准电池组直接驱动；
　　(2)工作温度区限必须宽、散热性良好、适用于温度变化大的场合；
　　(3)耐冲击、耐震动、适用于各种现场环境；
　　(4)体积适中，对于一些移动采集测量站尤为重要；
　　(5)拥有数字无线传输能力，支持无线传输协议；
　　(6)系统能和主控机进行良好的系统兼容，能保证顺利的软件对接；
　　(7)有丰富的外围接口，能与多种信号采集器及工业控制器PLC等设备进行数据传输与控制。
　　基于以上几点和现有的软件流行趋势，应该选择盒式工控机和单片机等应用广泛的工业控制机。这种工控机具有良好的接口性能，拥有LAN接口，能支持WIFI无线传输协议，有扩展功能。最好采用装有Windows XP Embedded系统的工控机，这样就能更好地实现测量站的稳定工作和信号传输。
　　2.3 通讯适配器及通讯协议的选择
　　考虑现场实际工作环境，合理地选择通讯适配器及通讯协议，对于是否能稳定、高效、保证传输精度也很重要。对于一般测量站与主控机，因其在可视的范围内，可以选择现在通用的WIFI信号适配器。在WIFI信号能满足的情况下，如需远距离传输控制，可以添加无线网络路由器，经路由器与INTERNET广域网进行连接，进行合理配置后，扩展为远距离传输，多点传输与控制。例如，在油品常输管线冰堵点定位检测中，检测现场工作人员、远程监测人员、介质加压泵站人员都需要同时了解实时检测状态，通过该系统可良好实现多点传输与控制。如果不能保证工作场合有广域网连接，也可添加WIFI信号功率放大器或者添加现有的数传电台，如Motorola公司的GM系列车载电台，工作于VHF／UHF频段，可进行无线数传(9线制标准串行RS 232接口)，或者美国MDS公司遥测遥控系列数字电台(采用数字信号处理、纠错编码、软件无线电、数字调制解调和表面贴片一体化设计等技术，具有高性能、高可靠性的特点，电台能提供标准232数据口并可直接与计算机、地震数据采集器、RTU数据终端、GPS接收机、数码相机等连接)。
　　2.4 主控机的选择
　　在选择主控机时，要考虑到主控站工作环境、数据传输与储存能力、数据处理能力、外围扩展接口(连接更多的后期数据处理专业设备)等特点。对于移动主控机工作站，可以选择车载电脑甚至手提电脑。对于需要强大的后期处理能力的，可以选择图形工作站等有特殊要求的计算机。对于要求测量系统高精度控制或使用在特殊控制的场合，可以选择能外接特殊控制系统并可把信号通过无线网络传输给测量站工控机的主控机。
　　3 结语
　　通过把数字无线网络应用于无损检测的实时检测系统中，可以实现原有设备的模拟式传输转换为数字传输。对于工作现场没有干扰，数据传输量少的情况，可以选择功能简单，造价较低的测量站工控机、单片机。对于多组信号采集，可添加多个信号采集设备和无线网络路由器、无线信号中继器等设备进行设备功能扩展。对于现场工作环境复杂，无线信号干扰严重的场合，可以先进行信号采集与储存，结束后，关掉干扰源，再以设定的传输方式进行测量站与主控站计算机的无线信号传输。
　　本系统也可添加无线网关等联入Internet广域网，进行超远程数据传输与控制，真正实现安全、稳定、高效的异地控制方案。把互联网技术和现代无损检测技术良好地结合和运用。通过其他功能扩展，还可实现更强大的控制功能与作用。经实验室和生产现场应用表明：由于采用全数字无线信号传输、数据传输准确及时、控制精度高，抗干扰能力强、达到了预期效果。