0 引言

    氦質譜檢漏技術，用于內部充壓容器和管路的無損檢測，一直是國防工業(yè)領域的重要檢測手段，具備自動化功能的充氦檢漏系統(tǒng)是該領域的研制熱點之一?，F(xiàn)有的氦質譜檢漏系統(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)，控制器與當前較流行的物理接口兼容性不強，布線繁瑣，內存資源和編程模式有限，算法實現(xiàn)與交互方式不夠靈活。

    為克服上述現(xiàn)有技術缺陷，本系統(tǒng)擬提出一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術的氦質譜檢漏系統(tǒng)設計與實現(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)行步驟進行合理控制，并通過灰度算法在現(xiàn)場快速預測反應時間，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，從而實現(xiàn)了氦質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，氦質譜檢漏技術^[1]需要首先將一定壓強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為單位時間內進入檢漏儀質譜室的氦氣量，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。式(1)中令τ=V/S_He為系統(tǒng)反應時間常數(shù)。當t到達1倍時間常數(shù)（t=τ）時，真空度為初始值的36.8%；當?shù)竭_5倍反應時間后，氦分壓信號P_He下降到初始值的1%，認為檢漏信號達到穩(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 灰度預測算法

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

    設有原始序列：x⁽⁰⁾=(x⁽⁰⁾(1)，x⁽⁰⁾(2)，…，x⁽⁰⁾(n))，x⁽¹⁾(k)表示數(shù)列x⁽⁰⁾對應前k項數(shù)據(jù)的累加：

1.3 氦檢漏系統(tǒng)整體設計

    本系統(tǒng)共設計三類信息采集節(jié)點：涉及壓力、真空度、氦分壓三個參數(shù)；兩類執(zhí)行機構：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。主控板上的協(xié)調器與采集節(jié)點和執(zhí)行機構采用ZigBee樹狀網(wǎng)絡通信，利用無線網(wǎng)卡的AP熱點模式配合工控機接入，實現(xiàn)更復雜的上位機程序，也可通過無線路由方式將數(shù)據(jù)轉存至云平臺，以備遠程調用和分析。

    采集節(jié)點的數(shù)值會周期性上傳至協(xié)調器，經SPI接口匯總到主控制器進行分析處理和故障報警，按照作業(yè)流程和時機，主控制器會向執(zhí)行機構發(fā)送命令，執(zhí)行機構根據(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)行灰度算法預測氦分壓穩(wěn)定時機，擇機完成工件漏率的讀取。同時，主控制模塊還能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的本地SD卡備份，通過液晶屏進行簡單的參數(shù)設置和曲線繪制。具體結構如圖2所示。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 主控模塊硬件設計

    主控模塊采用ARM Linux架構，芯片采用S5PV210，32 KB一級緩存，512 KB二級緩存，主頻高達1 GHz，可勝任一般的算法需求，外設豐富，選用Linux2.6.35.7內核版本開發(fā)。通過SPI接口控制ZigBee協(xié)調器，完成信息的采集和命令下發(fā)，氦分壓值及預測后的穩(wěn)定反應時間會通過液晶屏實時顯示，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)絡上傳與共享。具體硬件設計如圖3所示。

2.2 信息采集節(jié)點硬件設計

    壓力采集節(jié)點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UART發(fā)送完成產生中斷時，P1_4需延時3 ms(9 600波特率下)再輸出低電平，等待緩沖器內的數(shù)據(jù)發(fā)送完畢。

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

2.3 執(zhí)行機構硬件設計

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

2.4 電源模塊硬件設計

    如圖5所示，普通220 V交流電源經過220 V/15 V的變壓器之后變?yōu)?5 V的交流電，再經過KBP307G整流橋進行整流，穩(wěn)壓之后變成了穩(wěn)定的直流電輸出，由開關型穩(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)軟件設計

3.1 主控制板軟件設計

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

3.2 Linux驅動層開發(fā)

3.2.1 無線網(wǎng)卡驅動的移植

    主控芯片通過USB接口控制MT7601無線網(wǎng)卡，需要進行驅動的移植。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MT7601的PID、VID與硬件信息是否匹配，標準值應為{USB_DEVICE(0x148f,0x7601)}；修改Makefile，設置平臺、內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驅動編寫

    主控芯片與CC2530通過SPI接口進行高速全雙工通信，相應的驅動實現(xiàn)依靠Linux的SPI驅動框架，該框架分為SPI核心層、SPI控制器驅動層和SPI設備驅動層。編寫主要集中在SPI設備驅動層，分為兩部分：先調用接口函數(shù)spi_new_device()在SPI總線上利用板載資源信息注冊設備；再調用接口函數(shù)spi_register_driver()在SPI總線注冊設備驅動里的各類方法，當設備與驅動的名稱參數(shù)匹配時，會調用探測函數(shù)probe()，在該函數(shù)中，把SPI設備注冊成一個字符設備，申請相應硬件資源，定義硬件接口方法ioctl()，構造ioctl命令：如參數(shù)設置、開關量控制等，為應用層提供文件接口，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結構體，依次調用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)點軟件設計

    監(jiān)測與執(zhí)行節(jié)點使用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]存儲了任務處理函數(shù)，taskEvents[taskID]存儲了各任務對應的事件，taskID代表了各任務的優(yōu)先級，系統(tǒng)在各層初始化完成后，會輪詢調用osal_run_systerm()函數(shù)根據(jù)優(yōu)先級運行所有任務，并判斷各任務對應的事件是否發(fā)生，執(zhí)行相應的事件處理函數(shù)。各前端ZigBee節(jié)點程序基于ZStack協(xié)議棧的SAPI（Simple Application Interface）框架進行開發(fā)，利用框架內的無線數(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算與互聯(lián)網(wǎng)的平臺，具有免應用編程的BS項目發(fā)布系統(tǒng)，Android組態(tài)系統(tǒng)，LabVIEW數(shù)據(jù)接入系統(tǒng)，支持手機和Web遠程訪問及控制，能夠提供免費的物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)存儲服務。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A0～A7的狀態(tài)（上傳或設置？）；D1：開關量控制；V0～V3：傳感器承參數(shù)。

氦質譜檢漏儀和真空計數(shù)據(jù)格式參考常見的Modbus-RTU協(xié)議格式，由設備地址、功能碼、數(shù)據(jù)、結束符組成，采用求和校驗方式。

4 評測

    為進一步驗證該系統(tǒng)灰度預測反應時間算法的有效性，開展了一系列反應時間測量實驗及數(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，并通過算法預測四種體積狀態(tài)下的系統(tǒng)反應時間數(shù)據(jù)，對比傳統(tǒng)人工肉眼觀測到的反應時間數(shù)據(jù)。每個體積狀態(tài)下反復測量3次取均值，實驗數(shù)據(jù)如表1所示。

    通過結果對比可知，系統(tǒng)的灰度預測算法可以有效地預測的系統(tǒng)反應時間，在大體積容器檢漏的工況下，能夠實現(xiàn)提高候檢效率的目標。

參考文獻

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作者信息:

付良瑞，朱寶良，鄧金球，陳  濤，白國云

(西北核技術研究所，陜西 西安710024)