數(shù)字無線網(wǎng)絡技術在實時無損檢測系統(tǒng)中的應用

　　在當今無線測控工作站的檢測信號與控制信號傳輸過程中，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，模擬式傳輸實現(xiàn)起來比較簡單，不需要專用的控制芯片進行數(shù)據(jù)控制，實時性好，不足之處是傳輸精度不高且易受環(huán)境干擾；數(shù)字式傳輸實現(xiàn)起來比較復雜，需使用專門的智能控制芯片進行數(shù)據(jù)位控制。在檢測狀態(tài)進行數(shù)字通信時，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用的主要瓶頸。而其優(yōu)點則是傳輸精度高，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、單片機或PLC控制系統(tǒng)和通訊適配器及模擬電臺。信號傳輸一般分為2組，一組是采集信號傳輸，一組是測量站工作控制信號傳輸。在傳輸過程中，可以采用模擬式傳輸，或現(xiàn)代的數(shù)字電臺傳輸。要保證信號穩(wěn)定傳輸，一般要求用兩組信號通道分別傳輸，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。對于信號采集系統(tǒng)而言，數(shù)據(jù)采集器采集的模擬信號如果直接通過模擬電臺傳輸，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，即便是信號通過模／數(shù)轉換后經(jīng)由數(shù)字電臺傳輸，傳輸精度及帶寬也不能保證實時信號能為后續(xù)處理系統(tǒng)接受?？刂撇糠忠话闶抢脝纹瑱C或PLC實現(xiàn)。單片機和PLC的造價可能較低，但單片機前期開發(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，單片機和PLC系統(tǒng)調(diào)試需要有專門的外圍設備和專業(yè)技術人員的支持。遙控測量站動作所需的控制信號由模擬FM電臺傳輸，控制信號的精度由于現(xiàn)場環(huán)境影響有時也不能保證。系統(tǒng)調(diào)試過程中的工作量及系統(tǒng)運行過程中的人機互動過程實現(xiàn)也極其困難，特別是在遙控站系統(tǒng)發(fā)生故障時，系統(tǒng)修復及人工控制又為系統(tǒng)開發(fā)與應用提出了難題。因此，傳統(tǒng)模擬信號傳輸系統(tǒng)及部分數(shù)字信號傳輸系統(tǒng)在應用過程中有很多不足及難以預料的問題。

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，模擬信號經(jīng)由傳感器組傳輸?shù)綌?shù)字數(shù)據(jù)采集器中，經(jīng)過濾波、放大、模／數(shù)轉換等轉換成數(shù)字信號傳入測量站控制機?？刂茩C經(jīng)由Intel公司的WIFI無線網(wǎng)絡端口與主控機進行無線聯(lián)網(wǎng)，通過對主機與測量站控制機的分別設置，使測量站控制機成為主控機的一個遠程終端，實現(xiàn)對其完全遠程控制。通過無線網(wǎng)絡，測量站控制機采集的實時數(shù)據(jù)及圖象傳輸至主控機，同時主控機對測量站控制機進行全面控制，并且通過RS 232端口或USB端口控制其他外圍設備。如果在測量過程中，無線信號傳輸有較強烈的干擾(如X射線干擾)，可利用無線網(wǎng)絡進行機器工作狀態(tài)預覽。測量站控制機采集實時數(shù)據(jù)并存儲，干擾去除后，再把有用信號無線傳輸至主控機。主控機在接收信號的同時并控制測量站設備進行下一次信號采集準備，一切就緒后，打開采集系統(tǒng)進行下一次工作。如此添加中間存儲環(huán)節(jié)，通過全數(shù)字的無線信號傳輸，提高了數(shù)字信號傳輸精度，也提高了抗干擾能力及控制精度。

2.1 傳感器組及數(shù)字信號采集器的組成

　　該系統(tǒng)可以應用于現(xiàn)有的多種檢測技術中，即能把傳感器組所得到的檢測信號通過信號采集器變?yōu)閿?shù)字信號的所有系統(tǒng)中。該系統(tǒng)不但能完成常規(guī)信號(如溫度，壓力，流量等傳感器組采集的信號)和非常規(guī)信號(攝像頭，各種內(nèi)窺鏡，聲納信號等)的傳遞工作，更可應用于無損檢測工程領域，用以傳輸超聲波測量信號和X射線檢測圖像的數(shù)字信號。比如，超聲波探頭信號，當超聲波探頭換能器將探傷回波轉化為電信號，信號采集器即可設計為具有信號放大、濾波、整定、模／數(shù)轉換等功能的結合體，當信號經(jīng)過一系列整定變?yōu)閿?shù)字信號后，再經(jīng)由測量站控制機端口進入計算機進行儲存和傳輸，完成信號采集；而對于X射線數(shù)字實時成像采集設備——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)過測量站控制機端口進入計算機存儲和傳輸；對于需要轉換的信號，可以先經(jīng)過專有設備轉換為測量站控制機所能采集的信號，再進入計算機進行存儲和傳輸。

2.2 測量站控制機

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

(1)具有低功耗、高效率特性、最好能直接由標準電池組直接驅動；

(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、適用于各種現(xiàn)場環(huán)境；

(4)體積適中，對于一些移動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)能和主控機進行良好的系統(tǒng)兼容，能保證順利的軟件對接；

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

　　基于以上幾點和現(xiàn)有的軟件流行趨勢，應該選擇盒式工控機和單片機等應用廣泛的工業(yè)控制機。這種工控機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，有擴展功能。最好采用裝有Windows XP Embedded系統(tǒng)的工控機，這樣就能更好地實現(xiàn)測量站的穩(wěn)定工作和信號傳輸。

2.3 通訊適配器及通訊協(xié)議的選擇

　　考慮現(xiàn)場實際工作環(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，因其在可視的范圍內(nèi)，可以選擇現(xiàn)在通用的WIFI信號適配器。在WIFI信號能滿足的情況下，如需遠距離傳輸控制，可以添加無線網(wǎng)絡路由器，經(jīng)路由器與INTERNET廣域網(wǎng)進行連接，進行合理配置后，擴展為遠距離傳輸，多點傳輸與控制。例如，在油品常輸管線冰堵點定位檢測中，檢測現(xiàn)場工作人員、遠程監(jiān)測人員、介質(zhì)加壓泵站人員都需要同時了解實時檢測狀態(tài)，通過該系統(tǒng)可良好實現(xiàn)多點傳輸與控制。如果不能保證工作場合有廣域網(wǎng)連接，也可添加WIFI信號功率放大器或者添加現(xiàn)有的數(shù)傳電臺，如Motorola公司的GM系列車載電臺，工作于VHF／UHF頻段，可進行無線數(shù)傳(9線制標準串行RS 232接口)，或者美國MDS公司遙測遙控系列數(shù)字電臺(采用數(shù)字信號處理、糾錯編碼、軟件無線電、數(shù)字調(diào)制解調(diào)和表面貼片一體化設計等技術，具有高性能、高可靠性的特點，電臺能提供標準232數(shù)據(jù)口并可直接與計算機、地震數(shù)據(jù)采集器、RTU數(shù)據(jù)終端、GPS接收機、數(shù)碼相機等連接)。

2.4 主控機的選擇

　　在選擇主控機時，要考慮到主控站工作環(huán)境、數(shù)據(jù)傳輸與儲存能力、數(shù)據(jù)處理能力、外圍擴展接口(連接更多的后期數(shù)據(jù)處理專業(yè)設備)等特點。對于移動主控機工作站，可以選擇車載電腦甚至手提電腦。對于需要強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算機。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)并可把信號通過無線網(wǎng)絡傳輸給測量站工控機的主控機。

3 結語

　　通過把數(shù)字無線網(wǎng)絡應用于無損檢測的實時檢測系統(tǒng)中，可以實現(xiàn)原有設備的模擬式傳輸轉換為數(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，造價較低的測量站工控機、單片機。對于多組信號采集，可添加多個信號采集設備和無線網(wǎng)絡路由器、無線信號中繼器等設備進行設備功能擴展。對于現(xiàn)場工作環(huán)境復雜，無線信號干擾嚴重的場合，可以先進行信號采集與儲存，結束后，關掉干擾源，再以設定的傳輸方式進行測量站與主控站計算機的無線信號傳輸。

　　本系統(tǒng)也可添加無線網(wǎng)關等聯(lián)入Internet廣域網(wǎng)，進行超遠程數(shù)據(jù)傳輸與控制，真正實現(xiàn)安全、穩(wěn)定、高效的異地控制方案。把互聯(lián)網(wǎng)技術和現(xiàn)代無損檢測技術良好地結合和運用。通過其他功能擴展，還可實現(xiàn)更強大的控制功能與作用。經(jīng)實驗室和生產(chǎn)現(xiàn)場應用表明：由于采用全數(shù)字無線信號傳輸、數(shù)據(jù)傳輸準確及時、控制精度高，抗干擾能力強、達到了預期效果。