工業(yè)CT原位加載裝置壓力信號(hào)采集系統(tǒng)

為了避免旋轉(zhuǎn)掃描過(guò)程中加載裝置壓力傳感器外接連線帶來(lái)的纏繞和遮擋問(wèn)題，基于ARM技術(shù)和WiFi技術(shù)給出了一種無(wú)線數(shù)據(jù)采集方案，實(shí)現(xiàn)了工業(yè)CT原位加載掃描實(shí)驗(yàn)中加載裝置壓力信號(hào)的實(shí)時(shí)采集。整個(gè)采集系統(tǒng)由下位機(jī)、無(wú)線路由器、上位機(jī)三部分組成。下位機(jī)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(hào)經(jīng)調(diào)理后通過(guò)ARM主控芯片模擬輸入端采集。利用WiFi模塊與路由器通過(guò)無(wú)線連接，路由器再與上位機(jī)通過(guò)網(wǎng)線連接，從而實(shí)現(xiàn)下位機(jī)與上位機(jī)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(shí)間和各通道A/D數(shù)據(jù)。上位機(jī)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(jìn)行顯示和存儲(chǔ)。實(shí)驗(yàn)測(cè)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。

引 言

自 R?ntgen 發(fā)現(xiàn) X 射線之后，Cormack 和 Hounsfield進(jìn)一步發(fā)明了醫(yī)用 CT，從而開(kāi)啟了利用 X 射線穿透物體之后的衰減特性進(jìn)行物質(zhì)檢測(cè)的方法。隨著計(jì)算機(jī)技 術(shù) 的 迅 猛 發(fā) 展 ，現(xiàn) 在 計(jì) 算 機(jī) 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(shí)驗(yàn)技術(shù)手段，在醫(yī)療診斷、工業(yè)檢測(cè)以及科學(xué)研究等領(lǐng)域有著廣泛的作用，是進(jìn)行材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)無(wú)損檢測(cè)的主要方法 [1] 。圍繞 CT實(shí)驗(yàn)技術(shù)，在圖像重建算法、掃描成像方式、信噪比增強(qiáng)等方面都取得了很大進(jìn)展，不斷改進(jìn)了CT系統(tǒng)的成像質(zhì)量 [2] ，并且融入到實(shí)踐教學(xué)中 [3] 。值得關(guān)注的是，通過(guò)將傳統(tǒng)CT技術(shù)與傳統(tǒng)力學(xué)加載測(cè)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(cè)材料內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)，而且實(shí)現(xiàn)了原位加載下材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)演化的實(shí)時(shí)觀測(cè)，為研究材料變形破壞、流體滲透驅(qū)替等過(guò)程的微細(xì)觀機(jī)制提供了實(shí)驗(yàn)支持 [4?5] 。

國(guó)內(nèi)最早實(shí)現(xiàn)這一技術(shù)創(chuàng)新的是中國(guó)科學(xué)院蘭州冰川凍土研究所，借助一臺(tái)醫(yī)用 CT實(shí)現(xiàn)了加載過(guò)程中巖石材料細(xì)觀損傷擴(kuò)展規(guī)律的實(shí)時(shí)試驗(yàn)研究 [6] 。后來(lái)，一些研究人員陸續(xù)完成了一系列改進(jìn)，分別結(jié)合醫(yī)用CT 或工業(yè) CT 開(kāi)展了原位加載下的實(shí)時(shí) CT 觀測(cè)試驗(yàn) [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?yàn)樵卺t(yī)用CT中，加載裝置類似于病人，在試驗(yàn)過(guò)程中可以保持不動(dòng)，而是通過(guò)X射線源以及探測(cè)器的旋轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)相對(duì)運(yùn)動(dòng)并完成掃描成像。另外，醫(yī)用 CT可以快速完成整個(gè)掃描過(guò)程，這也有助于對(duì)流體滲透驅(qū)替過(guò)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(shí)面臨的一個(gè)重要問(wèn)題是，加載裝置必須隨轉(zhuǎn)臺(tái)一起進(jìn)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(guò)程中的干涉就必須設(shè)法解決，否則就會(huì)纏繞起來(lái)阻礙轉(zhuǎn)臺(tái)的旋轉(zhuǎn)。尤其是各種測(cè)量載荷、位移等信號(hào)的傳感器，其連接線在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中是不能斷開(kāi)的，否則測(cè)量值就會(huì)發(fā)生偏差。位移信號(hào)還可以考慮采用非接觸式位移計(jì)進(jìn)行測(cè)量，但載荷信號(hào)就必須進(jìn)行原位測(cè)量了。考慮到在小轉(zhuǎn)臺(tái)上實(shí)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(cè)量就成為亟需解決的關(guān)鍵問(wèn)題。而且作為工業(yè) CT原位加載實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵部分之一，壓力信號(hào)數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性、實(shí)時(shí)性都將直接影響到最終試驗(yàn)?zāi)芊癯晒ΑＲ虼嗽O(shè)計(jì)一套穩(wěn)定、可

靠的壓力信號(hào)采集與無(wú)線傳輸系統(tǒng)對(duì)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(wú)線傳感器已經(jīng)成為可能，各種無(wú)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(jī)機(jī)械加載裝置的無(wú)線測(cè)試系統(tǒng)也初步實(shí)現(xiàn) [21] ，這是通過(guò)專用的無(wú)線模塊自定義信道來(lái)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(lái)完成。比較各種無(wú)線傳輸技術(shù)，WiFi通信具有組網(wǎng)靈活、兼容性強(qiáng)、性能穩(wěn)定、易于開(kāi)發(fā)等優(yōu)勢(shì)，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(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)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(duì)工業(yè)CT原位加載裝置壓力信號(hào)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行具體說(shuō)明。本文所介紹的設(shè)計(jì)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(hào)的ARM芯片和WiFi模塊。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

工業(yè)CT原位加載裝置由液壓油通過(guò)活塞對(duì)試樣施加載荷，或者直接對(duì)試樣施加圍壓載荷。加載同時(shí)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(shí)緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)。如果加載過(guò)程中信號(hào)采用有線形式傳輸，在加載過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)導(dǎo)線纏繞的問(wèn)題，跨過(guò)罐體上下端的導(dǎo)線還會(huì)影響 CT掃描圖像的效果，因此系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)中考慮信號(hào)的傳輸采用無(wú)線傳輸形式。另外，為防止射線泄露，工業(yè)CT主機(jī)放置在用硫酸鋇磚砌成的CT屏蔽室內(nèi)，因而無(wú)線信號(hào)也無(wú)法穿透墻體，到達(dá)隔壁的CT監(jiān)控室。鑒于以上特殊情況，設(shè)計(jì)了如圖1所示的系統(tǒng)方案。整個(gè)系統(tǒng)由安裝在加載裝置上的下位機(jī)、放置于CT屏蔽室的無(wú)線路由器、放置于CT監(jiān)控室的PC上位機(jī)三部分組成。

在下位機(jī)中，加載裝置壓力信號(hào)經(jīng)壓力變送器轉(zhuǎn)換為 0~5 V 或 4~20 mA 的電信號(hào)，再經(jīng)信號(hào)調(diào)理后送至WiFi模塊模擬輸入端，經(jīng) WiFi模塊轉(zhuǎn)換為無(wú)線 WiFi信號(hào)發(fā)射出去。CT屏蔽室放置一無(wú)線路由器，該路由器與預(yù)先埋好的經(jīng)過(guò)墻體的網(wǎng)線相連，無(wú)線 WiFi信號(hào)經(jīng)無(wú)線路由器通過(guò)網(wǎng)線傳輸至 CT 監(jiān)控室的 PC 機(jī)，PC 機(jī)軟件可實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力信號(hào)采集的啟停控制，采集數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能。該方案只需設(shè)計(jì)信號(hào)采集端的硬件電路（圖中下位機(jī)部分），借助無(wú)線路由器實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)WiFi通信，降低了硬件設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，并且方便系

統(tǒng)擴(kuò)展。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

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

2.1 信號(hào)調(diào)理電路

壓力變送器將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為0～5 V或4～20 mA的電信號(hào)，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(jì)信號(hào)調(diào)理電路將壓力變送器輸出的電信號(hào)調(diào)理至 WiFi模塊模擬輸入端可接收的信號(hào)范圍。信號(hào)調(diào)理電路如圖 2所示，由精密電阻 R 1 ，R 2 構(gòu)成的分壓電路與運(yùn)放 LM358 構(gòu)成的電壓跟隨器電路組成。圖中 V IN 來(lái)自壓力變送器輸出的電信號(hào)，V OUT 送往WiFi模塊模擬輸入端。該電路可以實(shí)現(xiàn)輸入電壓信號(hào)的電壓范圍變換及輸入電流信號(hào)到電壓信號(hào)的轉(zhuǎn)換。

2.2 WiFi模塊

WiFi模塊采用 USI公司的 WM?N?BM?09無(wú)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(jì)靈活性高等優(yōu)點(diǎn)。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(guò)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(wú)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(guò)處理的模擬輸入信號(hào)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(gè)供電電壓，分別為外接的壓力變送器、信號(hào)調(diào)理電路及 WiFi模塊供電。因數(shù)據(jù)采集端下位機(jī)要和加載裝置一起，動(dòng)態(tài)加載時(shí)隨罐體旋轉(zhuǎn)，為避免加載過(guò)程的導(dǎo)線纏繞問(wèn)題，信號(hào)傳輸方式上選擇了無(wú)線傳輸形式。對(duì)于下位機(jī)的供電同樣也要避免這一問(wèn)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(shí)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(hào)調(diào)理電路及 WiFi模塊供電。為簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)，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 V OUT1 ，V OUT2 可分別由式（1）、式（2）確定，通過(guò)選擇合適阻值的電阻，可使電源電路的兩路輸出V OUT1 ，V OUT2 分別為5 V與3.3 V。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件包括數(shù)據(jù)采集端下位機(jī)軟件和PC上位機(jī)軟件。下位機(jī)軟件主要實(shí)現(xiàn) A/D 轉(zhuǎn)換，網(wǎng)絡(luò) IP 配置、WiFi通信等功能。上位機(jī)軟件主要實(shí)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(rèn)、重傳、擁塞控制機(jī)制。但 TCP傳輸效率相對(duì)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(shí)時(shí)傳輸。UDP作為一種無(wú)連接、無(wú)狀態(tài)的傳輸協(xié)議，實(shí)時(shí)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(huì)發(fā)生丟包或數(shù)據(jù)順序錯(cuò)誤。考慮到加載過(guò)程中有大量數(shù)據(jù)需要實(shí)時(shí)采集，這里選定 UDP協(xié)議進(jìn)行無(wú)線傳輸，并

在上位機(jī)采集軟件中進(jìn)行數(shù)據(jù)包識(shí)別和檢測(cè)，以便在保證良好實(shí)時(shí)性的前提下適當(dāng)進(jìn)行數(shù)據(jù)容錯(cuò)處理。