基于WIA-PA的无线超声检漏装置的设计

涂 煊

（上海工业自动化仪表研究院1，上海 200233；工业过程自动化国家工程研究中心2，上海 200233）

基于WIA-PA的无线超声检漏装置的设计

涂 煊1，2

（上海工业自动化仪表研究院1，上海 200233；工业过程自动化国家工程研究中心2，上海 200233）

基于WIA-PA技术，设计了一种以TMS320VC5402最小系统为核心的新型无线超声泄漏检测装置。通过搭建无线超声检漏硬件电路，并利用数字信号处理技术对泄漏所产生的超声波强度信号进行FIR滤波，再经过FFT处理和计算得到泄漏量。通过WIA-PA无线通信模块与DSP处理单元通信程序的设计，实现了泄漏数据的无线传输。经测试，无线超声检漏装置安装方便、测量准确、通信可靠。

WIA-PA 无线 超声泄漏 数字信号处理（DSP） 快速傅里叶变换（FFT）

0 引言

目前在工业发达国家，一个刚刚开始且相当令人瞩目的应用，就是借助无线超声波检漏装置并辅以无线温度变送器、无线压力变送器等智能无线传感器配合，组成无线传感器网络对各种泄漏进行检测。其主要应用于石油化工等工业现场中各类气体管道的泄漏检测，也包括在管道、精馏塔、反应釜以及储罐上安装的各类阀门的泄漏检测。如果应用常规的人工检测方式，将耗费巨大的人力成本，而且对于管路、阀门发生的细小的泄漏，人工很难及时发现、定位和维修。对于一个大型石油化工厂在没有发生任何大的泄漏事故的情况下，通过每五年对全厂的卸压阀进行的例行检查发现，大约有30％以上的卸压阀都存在一定程度上的泄漏情况，并且超过了规定的允许值。这将成为石油化工产品泄漏和环境污染的主要来源。

在工业环境下，采用无线传感器网络来完成工业参数测量，由于其功耗低、安装方便、整体成本低等优势，得到越来越广泛的应用。本文通过采用以短程无线通信标准IEEE 802.15.4为基础的、具有我国自主知识产权的无线传感器网络规范（wireless networks for industrial automation-process automation，WIA-PA），设计具有低功耗、高灵敏度的无线超声检漏装置，实现工业现场对气体管道以及阀门泄漏的精确测量。该装置无需排线放线，安装部署灵活，投资小，具有相当大的经济价值和环保价值。

1 设计背景

1.1 泄漏原理

在工业现场，当阀门或管道上出现漏孔时，内部有一定压力的气体就会从漏孔中泄漏出来。如果漏孔比较大，人耳可听到漏气声，凭人耳就可以判断泄漏；如果漏点的尺寸较小，而且有较高的雷诺数，气体从漏孔泄漏出来就会在漏孔附近形成湍流，并且会产生一定频率的声波。当声波频率高于20 kHz时，人耳（20 Hz～20 kHz）就听不到了，属于超声波。泄漏超声是湍流和噪声的集合。由著名学者马大猷教授推出的公式如式（1）所示［1］：

式中：L为与喷射垂直方向口1 m处的声压级，dB；D为喷口直径，mm；D0=1 mm；P0为绝对压力（环境大气）；P为驻压（泄漏孔）。

由上述公式可以看出，当测量点位置与泄漏孔距离一定时，泄漏孔的尺寸变化及管道内压力的变化会引起泄漏超声的声压级跟随变化。泄漏超声的声波振动频率与漏孔的大小有关，其强度会随着超声声源（泄漏孔）距离的增加而快速衰减。

同时，根据对管道、阀门气体泄漏所产生的超声的频谱分析可以看出，由泄漏所产生的超声声波频率范围在10～100 kHz之间，但能量主要分布于10～50 kHz之间，并且气体泄漏产生超声波能量较大的频率点是在40 kHz左右。在这个频率点上，由泄漏所产生的超声和本底噪声的能量差值也最大。一般泄漏超声与本底噪声的频谱分布如图1所示［2］。

图1 泄漏超声与噪声的频谱分布Fig.1 Spectral distributions of the leakage noise and noise

从图1可以看出，可以将超声信号的中心频率定在40 kHz左右，作为判断管道、阀门是否有泄漏的参考点。通过对中心频率附近超声信号的强度检测，确定管道、阀门是否有泄漏点存在，并估算出泄漏量的大小。由于超声波具有良好的指向性，因而可以精确判断漏点位置。

1.2 W IA-PA技术

WIA-PA技术是基于短程无线通信IEEE 802.15.4标准，使用符合中国无委会规定的自由频带，提供能够满足流程工业各种环境下应用需求的高可靠、实时无线通信服务。通过使用无线传感器网络WIA-PA技术，可以实现对全流程的“泛在感知”，获取传统由于成本原因无法在线监测的重要过程参数。WIA-PA两层柘扑网络结构如图2所示［3］。

图2 WIA-PA两层拓扑网络结构图Fig.2 Two-layer topological network structure ofWIA-PA

WIA-PA网络拓扑结构为上下两层结构（Mesh+ Cluster）。下层为由簇首和簇节点构成的星型结构；上层为由冗余的网关和可兼作路由设备各簇首构成的网状（Mesh）结构。通过两层结构的设计，保证簇节点通过一跳就可将测量信息直接传送给簇首，而不必去规划、选择无线传输的路径，从而提高了传输的实时性，克服了网状传输路径的不确定性。通过网状结构（Mesh）的簇首的部署，实现组网的灵活性，并可以提高网状结构中多路径通信的抗干扰能力。WIA-PA网络拓朴结构实现了在工业应用环境下对无线通信的可靠性要求，同时也兼顾对无线传输的确定性、实时性要求。

同时在WIA-PA数据传输中，数据格式采用超帧结构的设计。WIA-PA的超帧结构由活动期与非活动期两部分组成。对不同网络管理功能的时隙分配进行了划分。活动期又分为CAP（进行设备加入，簇内管理和重传）和CFP（进行移动设备与簇首间的通信）；非活动期则完成簇内通信、簇间通信以及休眠，从而解决了无线传输数据的效率和处理无线传输的资源有限的矛盾。WIA-PA超帧结构图如图3所示［3］。

图3 WIA-PA的超帧结构图Fig.3 The superframe structure ofWIA-PA

WIA-PA协议在时间上采用时分多址技术（time devision multi-address，TDMA），在频率上采用跳频技术（frequency-hopping spread spectrum，FHSS），并且采用网状结构与星型结构的混合网络拓扑，在空间上形成可靠的路径传输途径。这使得看似简单但非常有效的通信协议具备自组织功能和网络自愈能力，大大简化了无线终端设备安装的复杂度，具备了无线传感器网络在工业环境下长期稳定的传输性能。

2 硬件设计

基于WIA-PA的无线超声检漏装置硬件系统主要包括：泄漏超声信号处理电路、电源电路、DSP处理电路（最小系统）、WIA-PA无线通信模块等部分。系统所有电路采用模块化设计，直接插在底板上，底板上留有JTAG调试接口。

系统结构框图如图4所示。

图4 无线超声泄漏检测装置系统结构图Fig.4 Systematic structure of the wirelessultrasonic leakage detector

2.1 泄漏信号采集电路

泄漏信号采集电路设计是本装置的关键。泄漏信号采集电路先通过超声传感器的信号接入，通过低通滤波器、一级放大器，再经带通滤波放大，将超声信号转化为2 V左右的电压信号；然后通过A/D转换器，将其进一步转化为数字信号，并通过串行口输出数据。具体电路如图5所示。

图5 信号采集硬件电路图Fig.5 Hardware of data acquisition

无线超声检漏装置的优势在于安装方便，不需要接线，一般采用电池供电，所以首先要考虑的是系统的低功耗、低成本。在硬件设计中，对于所有元器件的选择都遵循这个原则。

①前级放大

前级放大电路选用美国ADI公司的AD627。它采用单电源或双电源（+2.2 V或±18 V）供电，工作时的最大功耗仅为85μA，只需要外接电阻就可以实现5～1 000倍的放大增益。根据所选择的超声波传感器的输入信号（10～15 mV），确定前级放大器的放大倍数，完成超声信号的前级放大。

②带通滤波

通过前置滤波处理后，我们选择 ADI公司的OP777作为压控电源二阶带通滤波器，通过本级可以将前置放大后的信号中的背景噪声和元器件以及电路上产生的噪声滤除。

由于OP777是精密双通道轨到轨输出单电源放大器，具有微功耗特性和轨到轨输出范围，输出稳定，在完成微弱信号放大滤波功能的同时，能有效降低噪声和直流输入偏差。

通过带通滤波的传递函数为：

由于泄漏超声信号的中心频率为40 kHz，因此，根据计算，我们选择设置合适的R、C参数，使得38～42 kHz信号能够通过。并且通过跟随电路LM324集成运放，将滤波后的微伏信号放大到2 V左右，再稳定地输送到A/D转换器输入端。

③A/D转换

Step 1 Consider the case of single-joint failure,confirm the fault joint and the optimized locked angle,and establish the degraded workspace Wfby the Monte Carlo method.

DSP与AD7685接口图如图6所示。

图6 DSP与AD7685接口图Fig.6 Interface between DSP and AD7685

A/D转换器采用AD公司的AD7685，该处理芯片功耗低、采样精度高、采样速率快。由于AD7685可以通过以SPI带中断的三线或四线链接方式与外部芯片通信，所以本次设计采用三线制的SPI实现AD7685与DSP通信。

2.2 DSP最小系统

DSP最小系统是由中央处理单元及外围电路构成的最精简的模块，其硬件电路图如图7所示。

图7 D S P最小系统硬件电路图F i g.7 H a r d w a r e o f D S P m i n i m u m s y s t e m

主控芯片采用美国德州仪器公司（TI）的高性能定点数字信号处理芯片TMS320VC5402。该芯片功耗低、可编程、运算速度快且具备高性能数字信号处理能力，非常适合信号与信息处理等领域。外围电路包括：电源电路、复位电路、JTAG仿真接口、时钟电路、外部存储扩展电路等。

中央处理主控芯片是整个数据采集系统中核心处理部分。它通过同步串行接口完成对A/D转换器操作，将传送来的超声泄漏数字信号做进一步数据处理后；再通过SPI串行通信总线将经过DSP处理好的数据传输给WIA-PA通信模块；WIA-PA模块实时将数据通过无线传感器网络上传至上层监控中心。

2.3 W IA-PA模块

3 软件设计

软件主要包括DSP信号处理程序和WIA-PA通信处理程序。

3.1 DSP信号处理程序

TMS320VC5402通过SPI总线对AD7685进行配置，以控制其工作方式、数据速率等相关设置。从A/D转换器采集到超声泄漏信号后，在DSP中实现对信号的数字处理，包括A/D采样处理、数字滤波处理（FIR）、FFT变换求取信号的幅值，从而得到信号的声强波。通过与WIA-PA无线模块的通信程序，将数据传输给SiA2420，实现数据无线上传。具体软件处理流程如图8所示。

图8 DSP软件处理流程图Fig.8 DSP software processing flowchart

由上述传递函数公式，我们可以把FIR滤波器运算看成为卷积运算。由于超声泄漏特征频率中心点在40 kHz，因此可以截取滤波带宽为39～41 kHz，采样频率选取为160 kHz。利用MAC指令和循环寻址，通过计算得到滤波器的51个系数值；从输入端读取样本值，通过累乘运算后，得到FIR滤波后的结果。结果以数组的形式进行存储。

经过数字滤波处理后的信号通过傅里叶变换处理，可以完成超声信号从时域到频域的变换。离散傅里叶变换（discrete Fourier transform，DFT）的表达式如下：

为了消除前向通道产生的噪声以及直流电压的偏差，我们采用FIR滤波处理，运用Hanning（汉宁）窗函数设计数字滤波器，其传递函数为：

利用蝶形因子的对称性和周期性，实现快速运算，并对中间数值进行归一化处理，避免DSP运算结果的溢出。处理程序如下。

3.2 W IA-PA通信处理程序

WIA-PA超声泄漏检测装置完成初始化后，开始持续监听信道内的信标帧，接收到信标后，选定簇首节点并完成时间同步。同时，装置向簇首节点发出加入请求，簇首节点向WIA网络管理者转发该加入请求，网络管理者接收到请求后返回加入响应。簇首根据自身的通信资源情况以及网络拓扑类型向装置发出响应；收到簇首发出的响应后，状态正确即加入到网络中。如果响应中status=Success，则该手持设备加入网络，并将与DSP通信获取的泄漏信息发送给网络管理者，完成数据无线上传。

4 结束语

本文设计的基于WIA-PA的无线超声泄漏检测装置可以安装在工业现场一般工作人员不宜到达或难以触及的地方，并可实现对阀门及管道气体泄漏信号的低功耗、高精度实时监测，通过无线方式上传至监控中心。该装置对工业环境下各种气体泄漏检测都有相当大的经济价值和环保价值。

［1］马大猷，李沛滋，戴根华，等.湍流喷注噪声的压力关系［J］.物理学报，1978，27（2）：121－125.

［2］李光海，王勇，刘时风.基于声发射技术的管道泄漏检测系统［J］自动化仪表，2002，23（5）：20－23.

［3］于海斌，曾鹏，梁炜.智能无线传感器网络系统［M］.北京：科学出版社，2006.

［4］彭瑜.工业环境下无线通信的新近发展及其在环保和节能减排的应用潜力［J］.中国仪器仪表，2008（3）：35－39.

［5］霍尼韦尔.霍尼韦尔OneWireless无线解决方案技术规范［R］.www.honeywell.com.

［6］龚其春，刘成良，王永红，等.新型气体泄漏超声检测系统的研究与设计［J］.液压与气动，2005（3）：75－77.

［7］工业无线网络WIA规范第1部分：用于过程自动化的WIA系统结构与通信规范（报批稿）［S］.2009.

［8］IEC 62601 Ed.1.0.WIA-PA communication net-work and communication profile［S］.2009.

Design of the Wireless Ultrasonic Leakage Detector Based on WIA-PA

The new wireless ultrasonic leakage detector withminimum system of TMS320VC5402 as the core has been designed based on WIAPA technology.In the instrument，the wireless ultrasonic leakage detecting hardware circuit is built，by adopting digital signal processing technology and softwaremethod，the FIR filtering of ultrasonic intensity signal of leakage is conducted，and the amountof leakage is calculated through FFT processing.The wireless transmission of the leakage data is implemented through designing program of communication between WIA-PA wireless communication module and DSP processing unit.The tests show that the wireless ultrasonic leakage detector is easy for installation，accurate tomeasure leakage，and reliable for communication.

WIA-PA Wireless Ultrasonic leakage Digital signal processing（DSP） Fast Fourier transformation（FFT）

TP273

A

国家“863”计划基金资助项目（编号：2011AA040103）。

修改稿收到日期：2014－06－24。

作者涂煊（1974－），男，1997年毕业于浙江大学工业自动化专业，获学士学位，高级工程师；主要从事智能制造、无线传感器网络技术等方向的研究工作。