0 引言

    氦質(zhì)譜檢漏技術(shù)，用于內(nèi)部充壓容器和管路的無損檢測,，一直是國防工業(yè)領(lǐng)域的重要檢測手段,，具備自動化功能的充氦檢漏系統(tǒng)是該領(lǐng)域的研制熱點(diǎn)之一。現(xiàn)有的氦質(zhì)譜檢漏系統(tǒng)普遍存在以下問題：(1)利用檢漏儀監(jiān)測被檢部位氦分壓信號變化情況時,，一般采用人工現(xiàn)場觀測記錄的方式,，對于某些大體積容器，氦信號的穩(wěn)定周期較長,，候檢時間長,，不利于人力資源的合理分配；(2)系統(tǒng)核心控制器多采用PLC(Programmable Logic Controller),，控制器與當(dāng)前較流行的物理接口兼容性不強(qiáng),，布線繁瑣，內(nèi)存資源和編程模式有限,，算法實(shí)現(xiàn)與交互方式不夠靈活,。

    為克服上述現(xiàn)有技術(shù)缺陷，本系統(tǒng)擬提出一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的氦質(zhì)譜檢漏系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方案,。該系統(tǒng)由主控模塊,、信息采集模塊、執(zhí)行模塊組成，各模塊間采用無線方式進(jìn)行通信,，由主控模塊根據(jù)采集到的信息對檢漏流程執(zhí)行步驟進(jìn)行合理控制,，并通過灰度算法在現(xiàn)場快速預(yù)測反應(yīng)時間，提高候檢效率,，最后,，將測量數(shù)據(jù)備份至云平臺，便于后期的查詢和分析,，從而實(shí)現(xiàn)了氦質(zhì)譜檢漏過程的便捷化,、自動化、智能化,。

1 系統(tǒng)方案

1.1 背景原理

    如圖1所示,，氦質(zhì)譜檢漏技術(shù)^[1]需要首先將一定壓強(qiáng)的氦氣充入被檢工件，被檢工件外面是具有一定真空度要求的真空箱,，真空箱與氦質(zhì)譜檢漏儀的檢漏口相接。若被檢工件有漏,，則漏入真空箱的氦分壓可通過氦質(zhì)譜檢漏儀測出,，滿足公式^[2]：

式中P_He為被檢工件的氦分壓，單位為Pa,；S_He為真空系統(tǒng)對氦的抽速,，單位為m³/s；Q_He為單位時間內(nèi)進(jìn)入檢漏儀質(zhì)譜室的氦氣量,，即漏孔的漏率,，單位為Pa·m³/s；V為被檢工件的體積,。

    從式(1)可看出,，真空度變化速度與系統(tǒng)抽速和容積有關(guān)。式(1)中令τ=V/S_He為系統(tǒng)反應(yīng)時間常數(shù),。當(dāng)t到達(dá)1倍時間常數(shù)（t=τ）時,，真空度為初始值的36.8%；當(dāng)?shù)竭_(dá)5倍反應(yīng)時間后,，氦分壓信號P_He下降到初始值的1%,，認(rèn)為檢漏信號達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，可以讀取工件漏率,根據(jù)漏率判定工件的密封性,。

1.2 灰度預(yù)測算法

    灰度預(yù)測算法^[3]非常適合處理指數(shù)類型的數(shù)據(jù),，符合氦分壓P_He的反應(yīng)規(guī)律，并只需要較少的數(shù)據(jù)樣本就能進(jìn)行預(yù)測運(yùn)算,，能夠較快地得到反應(yīng)時間常數(shù)τ,，以5τ的時間點(diǎn)作為漏率讀取時機(jī)，算法自身的疊加遞減運(yùn)算濾除了信號噪聲，可以提高預(yù)測精度,，原理如下：

    設(shè)有原始序列：x⁽⁰⁾=(x⁽⁰⁾(1),，x⁽⁰⁾(2)，…,，x⁽⁰⁾(n)),，x⁽¹⁾(k)表示數(shù)列x⁽⁰⁾對應(yīng)前k項(xiàng)數(shù)據(jù)的累加：

1.3 氦檢漏系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

    本系統(tǒng)共設(shè)計(jì)三類信息采集節(jié)點(diǎn)：涉及壓力、真空度,、氦分壓三個參數(shù),；兩類執(zhí)行機(jī)構(gòu)：電磁閥和羅茨泵，分別靠繼電器和接觸器控制,，羅茨泵接觸器處安裝有三相保護(hù),。主控板上的協(xié)調(diào)器與采集節(jié)點(diǎn)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用ZigBee樹狀網(wǎng)絡(luò)通信，利用無線網(wǎng)卡的AP熱點(diǎn)模式配合工控機(jī)接入,，實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的上位機(jī)程序,，也可通過無線路由方式將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存至云平臺，以備遠(yuǎn)程調(diào)用和分析,。

    采集節(jié)點(diǎn)的數(shù)值會周期性上傳至協(xié)調(diào)器,，經(jīng)SPI接口匯總到主控制器進(jìn)行分析處理和故障報(bào)警，按照作業(yè)流程和時機(jī),，主控制器會向執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)送命令,，執(zhí)行機(jī)構(gòu)根據(jù)約定的數(shù)據(jù)幀格式解析命令，完成電磁閥與羅茨泵的聯(lián)動,，最終,，主控制器執(zhí)行灰度算法預(yù)測氦分壓穩(wěn)定時機(jī)，擇機(jī)完成工件漏率的讀取,。同時,，主控制模塊還能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的本地SD卡備份，通過液晶屏進(jìn)行簡單的參數(shù)設(shè)置和曲線繪制,。具體結(jié)構(gòu)如圖2所示,。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控模塊硬件設(shè)計(jì)

    主控模塊采用ARM Linux架構(gòu)，芯片采用S5PV210,，32 KB一級緩存,，512 KB二級緩存，主頻高達(dá)1 GHz,，可勝任一般的算法需求,，外設(shè)豐富，選用Linux2.6.35.7內(nèi)核版本開發(fā),。通過SPI接口控制ZigBee協(xié)調(diào)器,，完成信息的采集和命令下發(fā),，氦分壓值及預(yù)測后的穩(wěn)定反應(yīng)時間會通過液晶屏實(shí)時顯示，歷史數(shù)據(jù)存儲到本地SD卡中,，USB無線網(wǎng)卡完成數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)上傳與共享,。具體硬件設(shè)計(jì)如圖3所示。

2.2 信息采集節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

    壓力采集節(jié)點(diǎn)的壓力變送器選用麥克MPM4780,，RS485接口,，量程10 MPa，通過MAX485接入ZigBee模塊,，模塊芯片CC2530利用IO口P1_4控制MAX485的收發(fā)工作,，當(dāng)UART發(fā)送完成產(chǎn)生中斷時，P1_4需延時3 ms(9 600波特率下)再輸出低電平,，等待緩沖器內(nèi)的數(shù)據(jù)發(fā)送完畢,。

    氦質(zhì)譜檢漏儀為萊寶公司的L200型，和真空度計(jì)都具有RS232接口,，通過常見的MAX232芯片接入ZigBee模塊,。

2.3 執(zhí)行機(jī)構(gòu)硬件設(shè)計(jì)

    采用驅(qū)動繼電器控制三相交流接觸器線圈的吸合，達(dá)到控制羅茨泵啟停的目的,，如圖4所示,。繼電器由ULN2003A驅(qū)動，使用12 V鋰電池供電,，控制信號由CC2530的GPIO口經(jīng)反相器74HC14接入ULN2003A，電磁閥的控制與接觸器線圈類似,。

2.4 電源模塊硬件設(shè)計(jì)

    如圖5所示,，普通220 V交流電源經(jīng)過220 V/15 V的變壓器之后變?yōu)?5 V的交流電，再經(jīng)過KBP307G整流橋進(jìn)行整流,，穩(wěn)壓之后變成了穩(wěn)定的直流電輸出,，由開關(guān)型穩(wěn)壓芯片RT7272將直流電壓降壓成5 V，最后通過低壓差線性穩(wěn)壓電源AMS1086-3.3為主控模塊供電,。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 主控制板軟件設(shè)計(jì)

    主控板采用Ubuntu14.04+QT4.8.3開發(fā)環(huán)境,，主要負(fù)責(zé)WiFi網(wǎng)絡(luò)通信、SPI設(shè)備的交互與管理,、工作流程的控制和灰度預(yù)測算法的實(shí)現(xiàn),，此外，移植編寫了Qt界面程序,，可以通過液晶屏,，現(xiàn)場進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和曲線實(shí)時觀測。軟件具體工作流程如圖6所示,。

3.2 Linux驅(qū)動層開發(fā)

3.2.1 無線網(wǎng)卡驅(qū)動的移植

    主控芯片通過USB接口控制MT7601無線網(wǎng)卡,，需要進(jìn)行驅(qū)動的移植,。移植步驟如下：在源碼包中rtusb_dev_id.c文件中的rtusb_dev_id[]中確認(rèn)MT7601的PID、VID與硬件信息是否匹配,，標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)為{USB_DEVICE(0x148f,0x7601)},；修改Makefile，設(shè)置平臺,、內(nèi)核源碼樹路徑和交叉編譯工具鏈路徑,；確保config.mk文件中WPA_SUPPLICANT=y來添加wpa_supplicant支持，用來WiFi聯(lián)網(wǎng)配置,；修改include/rtmp_def.h文件中的INF_MAIN_DEV_NAME和INF_MBSSID_DEV_NAME,，為網(wǎng)卡改名，之后編譯安裝即可,。

3.2.2 SPI驅(qū)動編寫

    主控芯片與CC2530通過SPI接口進(jìn)行高速全雙工通信,，相應(yīng)的驅(qū)動實(shí)現(xiàn)依靠Linux的SPI驅(qū)動框架，該框架分為SPI核心層,、SPI控制器驅(qū)動層和SPI設(shè)備驅(qū)動層,。編寫主要集中在SPI設(shè)備驅(qū)動層，分為兩部分：先調(diào)用接口函數(shù)spi_new_device()在SPI總線上利用板載資源信息注冊設(shè)備,；再調(diào)用接口函數(shù)spi_register_driver()在SPI總線注冊設(shè)備驅(qū)動里的各類方法,，當(dāng)設(shè)備與驅(qū)動的名稱參數(shù)匹配時，會調(diào)用探測函數(shù)probe(),，在該函數(shù)中,，把SPI設(shè)備注冊成一個字符設(shè)備，申請相應(yīng)硬件資源,，定義硬件接口方法ioctl(),，構(gòu)造ioctl命令：如參數(shù)設(shè)置、開關(guān)量控制等,，為應(yīng)用層提供文件接口,，數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收流程基本一致，都需利用spi_message和spi_transfer結(jié)構(gòu)體,，依次調(diào)用spi_message_init()函數(shù),、spi_message_add_tail()函數(shù)、spi_sync()函數(shù),，區(qū)別在于發(fā)送和接收的緩沖區(qū)定義,。

3.3 監(jiān)測與執(zhí)行節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

    監(jiān)測與執(zhí)行節(jié)點(diǎn)使用ZigBee通信，需要使用ZStack協(xié)議棧,，該協(xié)議棧定義了操作系統(tǒng)抽象層（Operating System Abstraction Layer）,，采用輪詢的方式，并引入了優(yōu)先級的概念,。其中,，taskArr[taskID]存儲了任務(wù)處理函數(shù),，taskEvents[taskID]存儲了各任務(wù)對應(yīng)的事件，taskID代表了各任務(wù)的優(yōu)先級,，系統(tǒng)在各層初始化完成后,，會輪詢調(diào)用osal_run_systerm()函數(shù)根據(jù)優(yōu)先級運(yùn)行所有任務(wù)，并判斷各任務(wù)對應(yīng)的事件是否發(fā)生,，執(zhí)行相應(yīng)的事件處理函數(shù),。各前端ZigBee節(jié)點(diǎn)程序基于ZStack協(xié)議棧的SAPI（Simple Application Interface）框架進(jìn)行開發(fā)，利用框架內(nèi)的無線數(shù)據(jù)包命令鍵值提取函數(shù)_process_command_call()對接收到的命令進(jìn)行解析處理,。此外,，用戶事件由定時器觸發(fā)，優(yōu)先級取最低,，taskID=6,，相應(yīng)的事件處理函數(shù)為MyEventProcess()，完成監(jiān)測值的周期性上傳,。此外,，在F8wConfig.cfg文件選擇信道，可規(guī)避WiFi信號對ZigBee的同頻干擾,，本文選擇11信道,。具體程序流程如圖7所示。

3.4 通信協(xié)議數(shù)據(jù)格式

    本系統(tǒng)使用的智云物聯(lián)網(wǎng)接入平臺是基于云計(jì)算與互聯(lián)網(wǎng)的平臺,，具有免應(yīng)用編程的BS項(xiàng)目發(fā)布系統(tǒng),，Android組態(tài)系統(tǒng)，LabVIEW數(shù)據(jù)接入系統(tǒng),，支持手機(jī)和Web遠(yuǎn)程訪問及控制,，能夠提供免費(fèi)的物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)存儲服務(wù)。為保證與該平臺的數(shù)據(jù)兼容性,，本系統(tǒng)無線類通信協(xié)議數(shù)據(jù)格式為“{[參數(shù)]=[值]，[參數(shù)]=[值],，}”,，每條數(shù)據(jù)以“{}”為起止符，如果“{}”內(nèi)有多個參數(shù),，用“,，”分隔。通信協(xié)議參數(shù)為A0～A7：傳感器數(shù)值,；D0：Bit0～Bit7分別對應(yīng)A0～A7的狀態(tài)（上傳或設(shè)置,？）；D1：開關(guān)量控制,；V0～V3：傳感器承參數(shù),。

氦質(zhì)譜檢漏儀和真空計(jì)數(shù)據(jù)格式參考常見的Modbus-RTU協(xié)議格式,，由設(shè)備地址、功能碼,、數(shù)據(jù),、結(jié)束符組成，采用求和校驗(yàn)方式,。

4 評測

    為進(jìn)一步驗(yàn)證該系統(tǒng)灰度預(yù)測反應(yīng)時間算法的有效性,，開展了一系列反應(yīng)時間測量實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)對比。利用真空檢漏系統(tǒng)分別檢測容積為6L,、11L,、20L和41L的工件容器，由系統(tǒng)自主完成檢漏流程,，并通過算法預(yù)測四種體積狀態(tài)下的系統(tǒng)反應(yīng)時間數(shù)據(jù),，對比傳統(tǒng)人工肉眼觀測到的反應(yīng)時間數(shù)據(jù)。每個體積狀態(tài)下反復(fù)測量3次取均值,，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示,。

    通過結(jié)果對比可知，系統(tǒng)的灰度預(yù)測算法可以有效地預(yù)測的系統(tǒng)反應(yīng)時間,，在大體積容器檢漏的工況下,，能夠?qū)崿F(xiàn)提高候檢效率的目標(biāo)。

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作者信息:

付良瑞,，朱寶良,，鄧金球，陳  濤,，白國云

(西北核技術(shù)研究所,，陜西 西安710024)