具有高速远程通信功能的工业ERT系统设计*

张金雨， 谭 超， 董 峰

(天津大学 天津市过程检测与控制重点实验室，天津 300072)



具有高速远程通信功能的工业ERT系统设计*

张金雨， 谭 超， 董 峰

(天津大学 天津市过程检测与控制重点实验室，天津 300072)

针对多相流远距离可视化测试问题，提出一种具有高速远程通信功能的工业电阻层析成像(ERT)系统。该系统采用现场单元和主控单元异地光纤高速通信方案，通过光纤收发电路与高速传输协议逻辑设计,实现系统高速远程通信功能。通过现场单元串行采集方案电路设计，使系统结构更加紧凑、可靠性更高。通过现场可编程门阵列(FPGA)数字化信号处理和异步缓存逻辑设计，使系统远程数据采集更为精确完整。通过测试实验和图像重建,验证所建立系统的性能,系统光纤传输线速率达625 Mbps，误码率低于10-12，测量重复性和成像速率指标满足工业应用需求，系统具备远程可视化测量能力。

电阻层析成像系统; 异地连接; 远程高速传输; 结构设计; 图像重建

0 引 言

电阻层析成像技术(electrical resistance tomography，ERT)是一种基于电学敏感原理的分布式过程参数检测技术。具有工作原理和结构简单、响应速度快、可实现可视化测试特点，适用于工业生产中封闭管道和容器设备的过程状态和参数检测[1,2]。尤其在石油、化工、冶金、动力、能源等各个工业领域普遍存在的多相流动过程参数的测试中，ERT技术具有独特的优势[3,4]。然而，已有的ERT系统数据的采集和处理均采用本地一体化模式，无法实现特殊环境数据的远程传输功能，难以与网络化工业控制系统相连接，限制其在现代工业过程中的应用。

针对上述问题，设计了一种具有高速远程通信功能的工业ERT系统，突破以往系统设计中数据采集和处理本地一体化模式。采用现场单元和主控单元异地连接方案，分别实现测试数据的获取、预处理和图像重建功能。通过光纤收发电路和高速传输协议逻辑设计，实现了系统高速远程数据传输；通过现场单元串行采集结构激励采集电路和主控单元CPCI接口电路设计，简化了系统的结构，增强了系统可靠性和灵活性；通过现场可编程门阵列(FPGA)数字化信号处理和异步缓存模块的逻辑设计，保证了采集数据的精确完整。搭建系统测试平台，通过测试实验验证了具有高速远程通信功能的工业化ERT系统的性能。该系统能够实现高速远程的可视化测量功能，且结构更为简单，具有高可靠性和应用灵活性，更适用于工业现场的应用。

1 系统结构

1.1 系统方案和原理

基于典型ERT系统结构和工作原理，系统采用现场单元和主控单元异地连接方案。其结构如图1所示。

图1 系统结构Fig 1 Structure of system

其中，现场单元由集成激励采集电路和光纤收发电路的板卡与电极敏感阵列相连组成。主控单元由集成光纤收发电路和CPCI接口电路的板卡与工控机连接组成。工作时，现场单元对被测物场施加激励并对数据进行初步采集，初步采集的数据通过光纤收发电路发送到主控单元中；主控单元光纤收发电路接收数据，并通过CPCI接口电路被工控机采集处理，实现系统的远程测试功能。

1.2 光纤收发结构设计

系统现场单元和主控单元的光纤收发模块采用相同电路结构，用于实现系统的高速远程双向通信功能。其电路基于内嵌在Xilinx公司FPGA中可编程高速串行收发器硬核GTP(gigabit transceiver with low power)实现。电路结构如图2所示。

图2 光纤收发电路Fig 2 Fibe-optic transceiver circuit

光纤收发电路基于GTP实现测量数据与高速串行差分数据之间的转换。利用小型可插拔(small form pluggable，SFP)光纤模块实现信号的光电转换，其传输速率可达到Gb量级。为保证传输数据的可靠性，光纤收发电路电源和时钟均采用高精度设计方案。其中采用与最小系统电源隔离的二级降压供电方案，为GTP模块提供高精度、低波纹、高稳定性的供电电源。应用高精度的时钟晶振，严格匹配时钟线路差分阻抗，为GTP模块提供低抖动、高精度的差分时钟。光电转换模块基于SFP模块设计，采用LC型光纤为传输媒介，对外部电磁干扰具有很强的抑制能力。光纤收发电路结构简单，移植性好，远距离传输不需要传输节点，更适用于工业远程传输需求。

1.3 激励采集和CPCI接口结构设计

现场单元的激励采集电路用于实现激励信号的产生和测量数据的初步采集功能。采用串行采集结构，即当某对相邻电极作为激励电极时，通过多路选通开关切换与采集电路连接的电极对，循环采集其他相邻电极间的测量信号，这些信号共用同一个采集通道。串行采集方案简化了系统电路结构，缩小了系统体积，减小了多路采集中所存在的通道不一致对系统性能造成的影响。

CPCI并行总线接口具有可热插拔，强通风性，高可靠性和抗震性等优点，更适应工业现场的复杂环境[5]。系统主控单元中，通过设计CPCI总线接口电路与工控机连接，实现更为高速、可靠的数据采集功能。电路采用专用协议芯片PCI9054作为电路主设备进行设计，在FPGA控制下实现工控机内部寄存器和CPCI总线的直接交互访问。此方案保证了主控单元CPCI与光纤数据的协同传输，使主控单元模块采集数据更为可靠。

2 系统逻辑设计

FPGA是现场和主控单元的核心芯片，通过模块化FPGA逻辑设计实现了系统方案。现场单元FPGA包括外围芯片控制，数字化信号处理，异步缓存和高速传输协议逻辑模块。主控单元FPGA包括高速传输协议，异步缓存和CPCI控制逻辑模块。其中数字化信号处理，高速传输协议和异步缓存逻辑是系统逻辑实现的关键。

2.1 数字化信号处理的实现

系统数字化信号处理逻辑实现了对现场单元采集数据预处理功能。主要包括数字滤波、解调、加头模块三部分。其中，通过现场单元FPGA内部设计高阶分布式算法FIR滤波逻辑模块，实现了对采样信号中噪声的滤除[6]。滤波后的信号经过数字正交解调设计，得到测量数据的解调值(即幅值信息)[7]。数据加头模块通过获取控制切换开关的状态机信息为每个解调值添加了“头文件”，即每个测量值的位置信息，保证了远程传输过程数据的准确完整。数字化信号处理模块设计保证了测量信号处理的实时性与可靠性。

2.2 高速传输协议的实现

系统通过FPGA内部的高速传输协议逻辑设计，实现了测量数据与高速串行差分数据的转换。基于光纤收发电路，系统高速远程的通信功能得以实现。高速传输协议逻辑框图如图3所示。

图3 高速收发协议逻辑Fig 3 High-speed transceiver protocol logic

Aurora协议是一种基于GTP模块点对点串行传输的数据链路层协议。具有可扩展性和开放性特点。使用8B/10B或64B/66B编码，线速率为625 Mbps～3.125 Gbps[8]。系统高速传输基于Aurora协议实现，通过调用Aurora 8B/10B IP核，在外围设计数字时钟管理、时钟补偿、光电转换驱动、数据发送接收等逻辑模块实现高速传输协议的设计。其中，数据传输线速率、位宽、数据格式、传输方式等参数均可在协议定制中设定。

2.3 传输数据异步缓存

现场单元和主控单元的异步缓存模块基于FPGA内部异步FIFO实现，解决ERT测量数据产生速率与光纤发送数据速率、光纤接收数据速率与CPCI采集数据速率不同所造成的跨时钟域传输问题，保证了传输的准确、完整。通过时序分析和逻辑设计，系统现场单元异步缓存逻辑设计思想如图4所示。主控单元异步缓存逻辑实现思想基本一致。

图4 现场单元异步缓存逻辑Fig 4 Asynchronous caching logic of field unit

如图4所示工作时，现场单元异步缓存模块存储ERT一幅完整数据后再送至高速协议发送。以16电极传感器相邻采集模式为例，通过状态机控制选通开关，循环一次产生208个测量值。通过异步缓存设计，每次传输的数据为一整幅208个数据，便于数据的后续处理，保证了数据传输的完整和准确。

3 系统测试

基于系统方案，完成了现场单元和主控单元模块板卡设计，并搭建了系统测试平台。

应用图5所示具有16电极敏感阵列的测试传感器模拟实际测量管道，在其中放置圆形塑料模拟构件进行了系统测试实验，通过实验数据的分析和图像重建验证了系统的可行性。

图5 测试传感器Fig 5 Sensor of test

3.1 光纤收发功能的验证

通过将Aurora协议逻辑固化到光纤收发电路，配置GTP通道，对系统主控单元和现场单元光纤收发模块进行自收发测试，验证系统通信功能。Aurora采用全双工工作模式，以数据流格式传输，传输数据位宽32位，传输线速率0.625 Gbps，测试结果表明光纤收发功能正常。实验中应用8 mLC型光纤，其最远传输距离主要由光纤衰耗和色散决定，本系统理论最大通信距离20 km。实际传输数据线速率为625 Mbps，传输误码率为10-12，且长时间传输稳定，满足系统需求。

3.2 系统标定实验

应用系统平台，在圆柱形容器Na2SO4溶液作为背景介质状态下，进行标定实验。相邻激励、测量模式下获得的208个测量值曲线如图6所示，符合ERT数据的U型特征，趋势良好。系统测量重复性是ERT系统的重要指标，而串行系统的重复性精度则取决于系统的实际测量偏离度(SDV)，应用以下公式计算可计算系统SDV参数

(1)

式中 Vi为第i幅测量数据，Vavg为多次测量得到一幅数据的平均值。选取500幅标定实验数据，通过计算SDV在5 %以内，测量重复性满足工业应用要求。

图6 系统采集的一幅数据曲线Fig 6 Curve of datas acquired by system

3.3 系统成像速度分析

系统采用串行采集方案设计，完成一幅图像数据采集的时间为Tf=Ntc。N为一幅图像需要的测量值，tc为采集一个测量值所消耗的时间总和，主要包括：切换电极的时间(1μs)，采集电路A/D转换的时间(42μs)，数字滤波时间(1μs)，光纤传输(64ns)和CPCI采集的时间(约33ns)和光纤传输的延时(832ns)。通过计算，tc大约为45μs。以系统应用16电极传感器，应用相邻采集方式工作，激励电流采用50kHz为例。一幅数据测量值为208个，计算Tf为9.36ms，系统理论采集速率可达到106幅/s。由于电极切换对测量有一定影响，因此，为保证测量信号稳定性。每次为测量值产生预留三个周期激励信号约60μs。因此实际工作中该系统成像速度约为80幅/s，成像结果稳定，满足工业要求。

3.4 系统成像功能测试

基于实验系统平台，应用Na2SO4溶液作为背景介质，在测试容器内不同位置放置数目、直径各不相同的圆形塑料模拟构件，进行测试实验，应用直接Tikhonov正则化算法[9]对采集数据进行图像重建。部分实验重建结果如图7。

图7 物体不同位置的图像重建Fig 7 Image reconstruction of object in different location

实验中，应用21.38 mm和30 mm两种模拟构件进行了多组成像实验。图像重建结果显示系统成像效果良好，能够有效反映被测物场中物体的位置，数目和大小信息，系统具备可视化测量的能力。

4 结 论

为了满足工业过程中对ERT系统的异地采集与处理功能的要求，提出并设计了一种具有高速远程通信功能的工业化ERT系统。采用现场单元和主控单元异地连接的方案，完成了系统现场单元与主控单元模块的设计、开发。搭建实验测试平台，对系统进行了数据采集和图像重建的测试。测试结果表明：该系统传输速率达625 Mbps，传输距离可达20 km，传输误码率10-12。系统远程采集数据图像重建效果良好，成像速率及其他性能指标均满足应用要求，有效解决了以往系统无法实现远程数据采集的功能，增强了系统可靠性和应用灵活性，为ERT技术在工业特殊环境中的应用提供了新的方法和手段。

[1] Beck M S,Williams R A.Process tomography:A European innovation and its applications[J].Measurement Science & Techno-logy,1996,7(3):215-224.

[2] Dong Feng,Liu Xiaoping,Deng Xiang,et al.Identification of two-phase flow regimes in horizontal,inclined and vertical pipes[J].Measurement Science & Technology,2001,12(8):1069-1075.

[3] Dong Feng,Tan Chao,Liu Junwen,et al.Development of single drive electrode electrical resistance tomography system[J].IEEE Transactions on Instrumentation & Measurement,2006,55(4):1208-1214.

[4] 谭 超,董 峰.多相流过程参数检测技术综述[J].自动化学报,2013,39(11):1923-1932.

[5] Xu Cong,Dong Feng,Zhang Zhiqiang.Dual-modality data acquisition system based on CPCI industrial computer[C]∥2012 IEEE International Conference on Imaging Systems and Techniques (IST),IEEE,2012:567-572.

[6] Wang Sen,Tang Bin,Zhu Jun.Distributed arithmetic for FIR filter design on FPGA[C]∥2007 International Conference on Communications,Circuits and Systems,ICCCAS 2007,IEEE,2007:620-623.

[7] Liang Xuebin,Xia Xianggen.Fast differential unitary space-time demodulation via square orthogonal designs[J].IEEE Transactions on Wireless Communications,2005,4(4):1331-1336.

[8] Bhaskar Reddy T V,Sailaja D M,Pankaj Kumar S R.A real time implementation of high speed data transmission using aurora protocol on multi-gigabit transceivers in virtex-5 FPGA[J].IJRCCT,2012,1(3):106-111.

[9] Vauhkonen M,Vadasz D,Karjalainen P A,et al.Tikhonov regularization and prior information in electrical impedance tomography[J].IEEE Transactions on Medical Imaging,1998,17(2):285-293.

谭 超，通讯作者，E—mail:tanchao@tju.edu.cn。

Design of industrial ERT system with high-speed remote communication function*

ZHANG Jin-yu， TAN Chao， DONG Feng

(Tianjin Key Laboratory of Process Measurement and Control,Tianjin University,Tianjin 300072,China)

Aiming at remote visualization measurement problem of multiphase flow,an industrial electrical resistance tomography(ERT) system with remote high-speed communication function is designed.The system uses optical fiber high-speed transmission to connect field unit and main control unit,by designing fiber-optic transceiver circuit and high-speed transmission protocol logic,high-speed remote communication function is realized.Through circuit design of serial acquisition scheme in field unit,structure of system is more compact and reliable.Through FPGA digital signal processing and logic design of asynchronous cache,remote data acquisition of system is more complete and accurate.System performance is verified through test experiment and image reconstruction,transmission rate of optical fiber is 625 Mbps and bit error rate is lower than 10-12,measurement repeatability and imaging rate of system meets industrial application requirement,and the system has remote visualization measurement function.

electrical resistance tomography(ERT) system; different place connection; remote high-speed transmission; structure design;image reconstruction

2015—11—12

国家自然科学基金资助项目(61571321，61227006)；天津市科技创新体系及平台建设计划资助项目(13TXSYJC40200)

10.13873/J.1000—9787(2016)10—0093—04

TP 216

A

1000—9787(2016)10—0093—04

张金雨(1990-)，男，天津人，硕士研究生，研究方向为在线检测技术与系统。