數(shù)字無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在實(shí)時(shí)無損檢測系統(tǒng)中的應(yīng)用

　　在當(dāng)今無線測控工作站的檢測信號(hào)與控制信號(hào)傳輸過程中，一種是傳統(tǒng)的模擬式傳輸，以FM-FM為代表；一種是數(shù)字式傳輸，以PCM為代表。兩種方法各具特點(diǎn)，模擬式傳輸實(shí)現(xiàn)起來比較簡單，不需要專用的控制芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)控制，實(shí)時(shí)性好，不足之處是傳輸精度不高且易受環(huán)境干擾；數(shù)字式傳輸實(shí)現(xiàn)起來比較復(fù)雜，需使用專門的智能控制芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)位控制。在檢測狀態(tài)進(jìn)行數(shù)字通信時(shí)，要保證數(shù)據(jù)位的同步極為困難，成為制約數(shù)字式無線通信工程應(yīng)用的主要瓶頸。而其優(yōu)點(diǎn)則是傳輸精度高，安全性好，是未來無線通信發(fā)展的方向。尤其在現(xiàn)代無損檢測過程中，由于現(xiàn)場工作環(huán)境惡劣，不可控干擾因素較多，信號(hào)的抗干擾能力就顯得非常重要。

1 傳統(tǒng)模擬系統(tǒng)組成

　　測量系統(tǒng)組成如圖1，圖2所示。

　　在傳統(tǒng)模擬系統(tǒng)中，測量站基本組成為：傳感器組、數(shù)據(jù)采集器、單片機(jī)或PLC控制系統(tǒng)和通訊適配器及模擬電臺(tái)。信號(hào)傳輸一般分為2組，一組是采集信號(hào)傳輸，一組是測量站工作控制信號(hào)傳輸。在傳輸過程中，可以采用模擬式傳輸，或現(xiàn)代的數(shù)字電臺(tái)傳輸。要保證信號(hào)穩(wěn)定傳輸，一般要求用兩組信號(hào)通道分別傳輸，傳輸過程中還要考慮到電源干擾及檢測部件如射線源的輻射干擾等。對于信號(hào)采集系統(tǒng)而言，數(shù)據(jù)采集器采集的模擬信號(hào)如果直接通過模擬電臺(tái)傳輸，傳輸精度及帶寬由于各種現(xiàn)場環(huán)境的影響，其效果難以保證，即便是信號(hào)通過模／數(shù)轉(zhuǎn)換后經(jīng)由數(shù)字電臺(tái)傳輸，傳輸精度及帶寬也不能保證實(shí)時(shí)信號(hào)能為后續(xù)處理系統(tǒng)接受。控制部分一般是利用單片機(jī)或PLC實(shí)現(xiàn)。單片機(jī)和PLC的造價(jià)可能較低，但單片機(jī)前期開發(fā)及量產(chǎn)少問題困擾著系統(tǒng)開發(fā)者?？刂凭群拖到y(tǒng)調(diào)試上，單片機(jī)和PLC系統(tǒng)調(diào)試需要有專門的外圍設(shè)備和專業(yè)技術(shù)人員的支持。遙控測量站動(dòng)作所需的控制信號(hào)由模擬FM電臺(tái)傳輸，控制信號(hào)的精度由于現(xiàn)場環(huán)境影響有時(shí)也不能保證。系統(tǒng)調(diào)試過程中的工作量及系統(tǒng)運(yùn)行過程中的人機(jī)互動(dòng)過程實(shí)現(xiàn)也極其困難，特別是在遙控站系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)修復(fù)及人工控制又為系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用提出了難題。因此，傳統(tǒng)模擬信號(hào)傳輸系統(tǒng)及部分?jǐn)?shù)字信號(hào)傳輸系統(tǒng)在應(yīng)用過程中有很多不足及難以預(yù)料的問題。

2 數(shù)字系統(tǒng)組成

　　其測量系統(tǒng)組成如圖3，圖4所示。

　　在數(shù)字系統(tǒng)組成中，模擬信號(hào)經(jīng)由傳感器組傳輸?shù)綌?shù)字?jǐn)?shù)據(jù)采集器中，經(jīng)過濾波、放大、模／數(shù)轉(zhuǎn)換等轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)傳入測量站控制機(jī)。控制機(jī)經(jīng)由Intel公司的WIFI無線網(wǎng)絡(luò)端口與主控機(jī)進(jìn)行無線聯(lián)網(wǎng)，通過對主機(jī)與測量站控制機(jī)的分別設(shè)置，使測量站控制機(jī)成為主控機(jī)的一個(gè)遠(yuǎn)程終端，實(shí)現(xiàn)對其完全遠(yuǎn)程控制。通過無線網(wǎng)絡(luò)，測量站控制機(jī)采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及圖象傳輸至主控機(jī)，同時(shí)主控機(jī)對測量站控制機(jī)進(jìn)行全面控制，并且通過RS 232端口或USB端口控制其他外圍設(shè)備。如果在測量過程中，無線信號(hào)傳輸有較強(qiáng)烈的干擾(如X射線干擾)，可利用無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行機(jī)器工作狀態(tài)預(yù)覽。測量站控制機(jī)采集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)，干擾去除后，再把有用信號(hào)無線傳輸至主控機(jī)。主控機(jī)在接收信號(hào)的同時(shí)并控制測量站設(shè)備進(jìn)行下一次信號(hào)采集準(zhǔn)備，一切就緒后，打開采集系統(tǒng)進(jìn)行下一次工作。如此添加中間存儲(chǔ)環(huán)節(jié)，通過全數(shù)字的無線信號(hào)傳輸，提高了數(shù)字信號(hào)傳輸精度，也提高了抗干擾能力及控制精度。

2.1 傳感器組及數(shù)字信號(hào)采集器的組成

　　該系統(tǒng)可以應(yīng)用于現(xiàn)有的多種檢測技術(shù)中，即能把傳感器組所得到的檢測信號(hào)通過信號(hào)采集器變?yōu)閿?shù)字信號(hào)的所有系統(tǒng)中。該系統(tǒng)不但能完成常規(guī)信號(hào)(如溫度，壓力，流量等傳感器組采集的信號(hào))和非常規(guī)信號(hào)(攝像頭，各種內(nèi)窺鏡，聲納信號(hào)等)的傳遞工作，更可應(yīng)用于無損檢測工程領(lǐng)域，用以傳輸超聲波測量信號(hào)和X射線檢測圖像的數(shù)字信號(hào)。比如，超聲波探頭信號(hào)，當(dāng)超聲波探頭換能器將探傷回波轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，信號(hào)采集器即可設(shè)計(jì)為具有信號(hào)放大、濾波、整定、模／數(shù)轉(zhuǎn)換等功能的結(jié)合體，當(dāng)信號(hào)經(jīng)過一系列整定變?yōu)閿?shù)字信號(hào)后，再經(jīng)由測量站控制機(jī)端口進(jìn)入計(jì)算機(jī)進(jìn)行儲(chǔ)存和傳輸，完成信號(hào)采集；而對于X射線數(shù)字實(shí)時(shí)成像采集設(shè)備——平板檢測器(FPD)，若平板檢測器能直接輸出數(shù)字圖象，便可以直接通過數(shù)據(jù)電纜，經(jīng)過測量站控制機(jī)端口進(jìn)入計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)和傳輸；對于需要轉(zhuǎn)換的信號(hào)，可以先經(jīng)過專有設(shè)備轉(zhuǎn)換為測量站控制機(jī)所能采集的信號(hào)，再進(jìn)入計(jì)算機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)和傳輸。

2.2 測量站控制機(jī)

　　測量站控制機(jī)在整個(gè)測量站中處于核心地位，對于能否實(shí)現(xiàn)測量站的正常工作及穩(wěn)定信號(hào)傳輸有極其重要的作用，所以對其選擇一定要慎重。測量站控制機(jī)性能必須滿足以下幾點(diǎn)：

(1)具有低功耗、高效率特性、最好能直接由標(biāo)準(zhǔn)電池組直接驅(qū)動(dòng)；

(2)工作溫度區(qū)限必須寬、散熱性良好、適用于溫度變化大的場合；

(3)耐沖擊、耐震動(dòng)、適用于各種現(xiàn)場環(huán)境；

(4)體積適中，對于一些移動(dòng)采集測量站尤為重要；

(5)擁有數(shù)字無線傳輸能力，支持無線傳輸協(xié)議；

(6)系統(tǒng)能和主控機(jī)進(jìn)行良好的系統(tǒng)兼容，能保證順利的軟件對接；

(7)有豐富的外圍接口，能與多種信號(hào)采集器及工業(yè)控制器PLC等設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸與控制。

　　基于以上幾點(diǎn)和現(xiàn)有的軟件流行趨勢，應(yīng)該選擇盒式工控機(jī)和單片機(jī)等應(yīng)用廣泛的工業(yè)控制機(jī)。這種工控機(jī)具有良好的接口性能，擁有LAN接口，能支持WIFI無線傳輸協(xié)議，有擴(kuò)展功能。最好采用裝有Windows XP Embedded系統(tǒng)的工控機(jī)，這樣就能更好地實(shí)現(xiàn)測量站的穩(wěn)定工作和信號(hào)傳輸。

2.3 通訊適配器及通訊協(xié)議的選擇

　　考慮現(xiàn)場實(shí)際工作環(huán)境，合理地選擇通訊適配器及通訊協(xié)議，對于是否能穩(wěn)定、高效、保證傳輸精度也很重要。對于一般測量站與主控機(jī)，因其在可視的范圍內(nèi)，可以選擇現(xiàn)在通用的WIFI信號(hào)適配器。在WIFI信號(hào)能滿足的情況下，如需遠(yuǎn)距離傳輸控制，可以添加無線網(wǎng)絡(luò)路由器，經(jīng)路由器與INTERNET廣域網(wǎng)進(jìn)行連接，進(jìn)行合理配置后，擴(kuò)展為遠(yuǎn)距離傳輸，多點(diǎn)傳輸與控制。例如，在油品常輸管線冰堵點(diǎn)定位檢測中，檢測現(xiàn)場工作人員、遠(yuǎn)程監(jiān)測人員、介質(zhì)加壓泵站人員都需要同時(shí)了解實(shí)時(shí)檢測狀態(tài)，通過該系統(tǒng)可良好實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)傳輸與控制。如果不能保證工作場合有廣域網(wǎng)連接，也可添加WIFI信號(hào)功率放大器或者添加現(xiàn)有的數(shù)傳電臺(tái)，如Motorola公司的GM系列車載電臺(tái)，工作于VHF／UHF頻段，可進(jìn)行無線數(shù)傳(9線制標(biāo)準(zhǔn)串行RS 232接口)，或者美國MDS公司遙測遙控系列數(shù)字電臺(tái)(采用數(shù)字信號(hào)處理、糾錯(cuò)編碼、軟件無線電、數(shù)字調(diào)制解調(diào)和表面貼片一體化設(shè)計(jì)等技術(shù)，具有高性能、高可靠性的特點(diǎn)，電臺(tái)能提供標(biāo)準(zhǔn)232數(shù)據(jù)口并可直接與計(jì)算機(jī)、地震數(shù)據(jù)采集器、RTU數(shù)據(jù)終端、GPS接收機(jī)、數(shù)碼相機(jī)等連接)。

2.4 主控機(jī)的選擇

　　在選擇主控機(jī)時(shí)，要考慮到主控站工作環(huán)境、數(shù)據(jù)傳輸與儲(chǔ)存能力、數(shù)據(jù)處理能力、外圍擴(kuò)展接口(連接更多的后期數(shù)據(jù)處理專業(yè)設(shè)備)等特點(diǎn)。對于移動(dòng)主控機(jī)工作站，可以選擇車載電腦甚至手提電腦。對于需要強(qiáng)大的后期處理能力的，可以選擇圖形工作站等有特殊要求的計(jì)算機(jī)。對于要求測量系統(tǒng)高精度控制或使用在特殊控制的場合，可以選擇能外接特殊控制系統(tǒng)并可把信號(hào)通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸給測量站工控機(jī)的主控機(jī)。

3 結(jié)語

　　通過把數(shù)字無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于無損檢測的實(shí)時(shí)檢測系統(tǒng)中，可以實(shí)現(xiàn)原有設(shè)備的模擬式傳輸轉(zhuǎn)換為數(shù)字傳輸。對于工作現(xiàn)場沒有干擾，數(shù)據(jù)傳輸量少的情況，可以選擇功能簡單，造價(jià)較低的測量站工控機(jī)、單片機(jī)。對于多組信號(hào)采集，可添加多個(gè)信號(hào)采集設(shè)備和無線網(wǎng)絡(luò)路由器、無線信號(hào)中繼器等設(shè)備進(jìn)行設(shè)備功能擴(kuò)展。對于現(xiàn)場工作環(huán)境復(fù)雜，無線信號(hào)干擾嚴(yán)重的場合，可以先進(jìn)行信號(hào)采集與儲(chǔ)存，結(jié)束后，關(guān)掉干擾源，再以設(shè)定的傳輸方式進(jìn)行測量站與主控站計(jì)算機(jī)的無線信號(hào)傳輸。

　　本系統(tǒng)也可添加無線網(wǎng)關(guān)等聯(lián)入Internet廣域網(wǎng)，進(jìn)行超遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸與控制，真正實(shí)現(xiàn)安全、穩(wěn)定、高效的異地控制方案。把互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和現(xiàn)代無損檢測技術(shù)良好地結(jié)合和運(yùn)用。通過其他功能擴(kuò)展，還可實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)大的控制功能與作用。經(jīng)實(shí)驗(yàn)室和生產(chǎn)現(xiàn)場應(yīng)用表明：由于采用全數(shù)字無線信號(hào)傳輸、數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確及時(shí)、控制精度高，抗干擾能力強(qiáng)、達(dá)到了預(yù)期效果。