基于FPGA+ARM的管道漏磁检测数据采集系统设计

马义来，何仁洋，陈金忠，李春雨

(中国特种设备检测研究院 压力管道事业部， 北京 100029)

基于FPGA+ARM的管道漏磁检测数据采集系统设计

马义来，何仁洋，陈金忠，李春雨

(中国特种设备检测研究院 压力管道事业部， 北京 100029)

提出了一种基于FPGA与ARM架构的管道漏磁检测数据采集方案，给出了系统的硬件设计方案，包括AD转换模块与FPGA连接设计，FPGA与ARM之间的接口设计；并给出了数据采集系统软件设计，包括数据采集系统程序设计和上位机调试软件设计。系统测试结果表明，系统集成度高、应用灵活；设计具有精度高、动态范围大的特点，是一种实现漏磁检测数据高精度采集处理的高效可行的解决方案。

管道漏磁检测；数据采集系统；FPGA；ARM；AD转换模块

漏磁检测技术在油气管道检测中的应用越来越广泛，对检测数据采集系统的要求也越来越高。现有技术之一是采用工控机加外围扩展电路的方案，用于系统控制及数据采集、处理及存储；现有技术之二是按功能将系统划分为多块电路板及组件，如主控板、采集板、存储板、电子硬盘等，再将多块电路板通过连接器连接成一个整体[1-2]。携带该数据采集系统的漏磁检测设备常需要在各种口径的油气管道内高速前进，可能会受到高强度的机械振动和冲击，并承受高温和高压，工作环境恶劣，设备的可靠性存在很多隐患。由于工控机接口众多，绝大多数接口对数据采集系统无用，同时体积较大，因此利用工控机的方案会导致系统体积大，抗冲击性能差，且无法应用于小口径管道的漏磁检测。利用多块电路板的方案的集成度低，而且使用连接器会导致系统的稳定性和可靠性差、抗震性能差、抗电磁干扰能力也弱。针对上述现有系统的缺陷，笔者设计了基于FPGA与ARM的漏磁检测数据采集系统，系统采用高度集成的方法，在同一块小体积的电路板上可实现上述所有功能。

1 数据采集系统硬件设计

系统采用ARM核心模块作为系统的中央处理单元，用体积小、容量大的TF卡或SD卡作为存储介质，ARM核心模块有相应的接口可以直接高速读写TF卡或SD卡。系统利用FPGA同时采集所有通道的漏磁检测数据并进行相应检测数据的压缩处理。FPGA模块与ARM核心模块之间通过USB转FIFO进行通信[3]。FPGA构建对外FIFO接口，ARM模块则通过DMA的方式从FPGA高速获取压缩过的数据。系统的原理框图见图1。

图1 漏磁检测数据采集系统原理框图

1.1 ARM核心模块 ARM核心模块采用研华公司的工业级单板计算机ROM1210。ROM1210的控制器采用ARM Cortex A8处理器，其运行速度为1 GHz。ROM1210负责整个系统的控制、通信、数据接收及存储，其拥有精准的实时时钟、512MB DDR3 RAM、2GB ROM、电源管理及各种IO接口，且整个核心板功耗不到2 W。

1.2 FPGA逻辑控制和数据缓存模块 FPGA在系统中负责所有通道数据的同步高速采集、数据压缩及传输，具有集成度高、体积小、功耗低、工作频率高的优点，在一个芯片上实现数据采集控制、缓存、处理及传输，开发周期短，编程配置灵活，系统简单。系统选用 FPGA 芯片EP1C6T144C6来接收模数转换模块输出的数据与时钟，完成采样数据的逻辑与时序控制，配套的ROM为NOR FLASH芯片EPCS1SI8对采样数据进行缓存。

1.3 AD转换模块

AD转换模块负责所有磁信号与非磁信号的模-数转换，系统选用AD7476芯片。AD7476是12位逐次逼近式ADC，单个器件的转换速率为1 MSPS，模拟输入区间为0 V～电源电压，功耗为15 mW，采用6针脚的SOT-23封装。AD模块通过高速串行接口与外围器件实现通讯，接口时序如图2所示。其工作方式为：当使能信号CS保持低电平时，数据由Vin输入;当输入时钟SCLK处于上升沿时，数据由移位寄存器输出，传输到SDATA信号线[4]，经过16次的时钟信号，完成16位数据的传输。FPGA与AD7476的连接示意见图3。

图2 AD7476接口时序图

图3 FPGA与AD7464的连接示意

1.4 存储模块 存储模块采用TF/SD卡代替常用的固态硬盘，以减轻体积，增强抗震性能；系统中所使用的TF卡容量为128 GB，数据传输速度最高可达80 MB·s-1。

1.5 ARM与FPGA的接口设计 ARM核心模块与FPGA系统通过外部总线方式连接，将FPGA映射成系统的一段存储器进行访问[5]。其接口设计如图4所示。ARM核心模块外部总线的数据线DATA[0∶15]、地址线ADDR[1∶4]、读写信号nOE、nEW、片选信号nGCS3连接到FPGA的I/O引脚。

图4 ARM与FPGA的接口设计示意

2 数据采集系统软件设计

数据采集系统软件设计主要包括数据采集系统程序设计和上位机系统调试软件设计。

2.1 数据采集系统程序设计

漏磁检测数据采集系统采集过程主要由AD转换模块、FPGA、ARM配合，实现漏磁检测数据的采集和存储。笔者利用开发工具Keil MDK，采用C语言编写ARM程序，具有较强的可移植性；利用软件QUARTUS，采用VHDL语言实现FPGA的开发和仿真，以便于对逻辑工作的调试和模拟。

系统处于正常工作模式下，由里程轮信号触发系统启动运行，系统通过切换信号通道地址与模拟开关，实现磁信号和非磁信号的采集和存储。漏磁检测数据采集系统的程序流程图如图5所示。

图5 漏磁检测数据采集系统的程序流程

2.2 上位机调试软件设计

上位机调试软件利用LabWindows/CVI进行开发，采用C语言进行上位机程序的编写，上位机通过串口与漏磁检测数据采集系统进行通讯。 上位机调试软件[6]主要包括非磁信号调试、磁信号的调试、数据操作、信号标定以及系统时间校核等功能，具体的上位机软件调试界面如图6所示。

图6 上位机调试软件界面

3 系统试验结果分析

通过对漏磁检测数据采集系统进行A/D零偏校准，获得数据采集系统每个通道的实际动态范围，动态范围计算公式为20×lg(信号电压/噪声电压)。获得各通道实际动态范围如表1所示。从表1可看出，漏磁检测数据采集系统各通道范围都接近A/D转换器12位采样精度的理想动态范围71 dB。测试结果表明,设计的采集系统具有动态范围大、采集精度高的特点。

表1 数据采集系统的各通道参数

利用管道牵拉试验进行漏磁检测数据采集系统的测试工作[7-8]，系统采集的管道特征数据显示如图7所示。由图7可见，系统采集的管道特征信号明显，同时信号实时连续的显示验证了笔者提出的基于FPGA与ARM的漏磁检测数据采集系统的数据传输方式及相应总线的正确性和可行性。

4 结论

充分利用ARM和FPGA各自的优势，设计了一种ARM和FPGA组合的高精度漏磁检测数据采集系统。验证试验结果表明系统具有精度高、动态范围大、集成度高、体积小及耐高强度的机械振动和冲击的特点，满足了现场恶劣条件下对管道漏磁检测数据高精度采集的要求。

图7 采集系统检测管道得到的特征信号

[1] 刘群,黄松岭,赵伟,等.海底管道缺陷漏磁检测器数据采集系统研发[J].中国测试,2015,41(1):89-92.

[2] 单少卿,陈世利,靳世久,等.高清晰度三轴管道内检测器漏磁数据采集系统[J].传感器与微系统,2012,31(5):118-121.

[3] 张宝利,龚龙庆,方超,等.基于ARM+FPGA的重构控制器设计[J].现代电子技术,2010,312(1):195-197.

[4] 尹勇生,杨鑫波,邓红辉,等.应用于高速高精度流水线ADC中的差分参考源[J].现代电子技术,2012,26(2):1043-1049.

[5] 李宁.ARM Cortex-A8处理器原理及应用[M].北京:北京航空航天大学出版社, 2012.

[6] 王坤,黄松岭,赵伟,等.高清晰度油气管道腐蚀检测器数据分析系统设计[J].天然气工业，2007,27(1):108-110.

[7] 胡西洋,沈功田,卢超,等.漏磁检测仪检测通道一致性评价试验[J].无损检测,2015,37 (9):26-29.

[8] 朱红秀,杨博玺,黄松岭.管道漏磁检测系统中数据显示方法[J].无损检测. 2013,35(9):5-9.

Design of Pipeline MFL Detection Data Acquisition System Based on FPGA and ARM

MA Yilai, HE Renyang, CHEN Jinzhong，LI Chunyu

(Pressure Pipeline Division, China Special Equipment Inspection and Research Institute, Beijing 100029, China)

MFL detection data acquisition scheme based on ARM and FPGA architecture is proposed, and the system hardware design project is provided. The overall design of the system has been given, including the AD conversion module, the design of FPGA connection, and the communication design between ARM and FPGA. The software design of data acquisition system is also given, including data acquisition system program design and host computer debugging software design. The system is highly integrated and of flexible application. System test results show that the design has the characteristics of high precision and large dynamic range, it is an efficient and feasible solution to realize high precision acquisition and processing of magnetic flux leakage testing data.

pipeline MFL testing; data acquisition system; FPGA; ARM; AD converter

2017-03-09

国家重大科学仪器设备开发专项基金资助项目(2012YQ090175)

马义来(1987-)，博士，工程师，主要从事油气管道漏磁无损检测方面的研究工作

马义来，chantal1314@163.com

10.11973/wsjc201708016

TG115.28

A

1000-6656(2017)08-0071-04