基于ZigBee和USB混合通讯模式的高分辨率油管无损检测系统

　　0　引言

　　采油过程中油管长期处于工作状态会出现不同程度的磨损、腐蚀、孔洞、裂纹等损伤,损伤严重时会导致原油的泄漏甚至油管断裂,严重影响生产[1]。在油管检测方法中,漏磁检测法被证明是便捷、可靠的无损检测方法。无损检测系统传感器部分主要由磁化油管的永磁材料和检测磁场变化的磁传感器2部分组成[2-3]。

　　随着采油工艺的发展,油田对油管无损检测设备的要求日趋增高。早期油管无损检测系统采集的数据经过下位机处理后多是通过电脑的串口或者并口传送给上位机进行分析的,这两种数据传输方式成为整个系统数据传输的瓶颈,使采集速度受到制约,降低了采集精度,直接导致了油管检测的误检率升高。近年来的研究主要集中在数据的后期分析判断算法等方面[4-5],而对于这一瓶颈问题却没有相关的研究。

　　文中提出了把新兴的ZigBee技术和通用的USB技术应用于油管无损检测系统中,用这种方式改进检测系统从而提高其性能,突破系统中数据传输的瓶颈问题。无线传输部分使上位机和下位机之间的数据传输方式变得灵活,避免了通讯线路容易损坏的情况,从一定程度上克服了客观条件对油管无损检测的制约。

　　1　USB接口结合Z igBee的数据采集电路

　　油管无损检测系统的数据采集板的核心主控芯片是STC12C5404AD,该芯片为增强型8051 CPU,同样工作频率时速度是8051的8~12倍。内部集成了8路10位精度A/D转换器,转换速度为100 kHz, STC12C5404AD还提供了全双工、高速、同步的通讯总线———SPI总线。SPI总线有2种通讯模式:主模式和从模式,主模式支持高达3Mbit/s.如图1所示,在油管无损检测数据采集板上设计了数据的USB通道,同时利用主控芯片提供的SPI[6](高速串行总线)接口设计了以CC2420为ZigBee接口芯片构建于IEEE802. 15. 4标准之上的数据无线传输通道。在检测时若井口环境恶劣容易造成数据传输线损坏的时候,可以选择ZigBee无线传输的方式来实现下位机与上位机的数据传输,以避免数据线损伤给检测带来的延误。利用USB接口芯片CH375为数据采集板设计一个数据传输的USB通道[7]。在一般情况下可以选择用USB方式实现下位机与上位机的数据传输,这时主控芯片把经A/D转换后的数据送给USB接口芯片CH375,经由USB接口芯片把并行数据转换成高速串行数据传送给上位机进行分析。

　　数据在A/D转换前放大器的设计是保证模拟信号不失真的关键部分,它不但保证了A/D转换的正确性,正确地设计放大器外围电路可以抑制检测通道的高频振荡,减少了检测的错误率。

　　1. 1　放大器外围电路设计

　　只有数据采集板上尽可能选用低功耗的器件,才能使以无线方式工作的数据采集板由电池为整个采集系统供电成为可能。放大器的选择除了考虑到一些基本的指标,具有小的温漂、零漂以及强的抑制噪声能力外,更重要的是其必须低功耗。TLC2264内集成4个放大器,每个放大器只需要200μA工作电流,可以达到低功耗的要求。如图2所示,油管无损检测采集到的模拟量首先经过瓷片电容C1去除可能由线路引入的高频率噪声干扰,其次模拟量经极性电容C2通交阻直后送入到放大器进行两级放大,最后送给处理器进行A/D转换。模拟量经过放大器的放大,要尽可能达到主控芯片片内A/D转换器参考电压一半的数值附近,这样可以进一步保证A/D转换的精度。每路模拟信号经过两级放大保证了放大后的信号极性与输入信号相同,达到了主控芯片A/D转换器所要求的需要转换的模拟量必须在0~5 V之间的要求。放大器还可以在信号传输给A/D转换口之前提高输出阻抗,保证A/D转换的正确性。