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(cè)，一直是國防工業(yè)領(lǐng)域的重要檢測(cè)手段，具備自動(dòng)化功能的充氦檢漏系統(tǒng)是該領(lǐng)域的研制熱點(diǎn)之一?，F(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(cè)被檢部位氦分壓信號(hào)變化情況時(shí)，一般采用人工現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)記錄的方式，對(duì)于某些大體積容器，氦信號(hào)的穩(wěn)定周期較長，候檢時(shí)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(duì)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(chǎng)快速預(yù)測(cè)反應(yīng)時(shí)間，提高候檢效率，最后，將測(cè)量數(shù)據(jù)備份至云平臺(tái)，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(dòng)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(cè)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(duì)氦的抽速，單位為m³/s；Q_He為單位時(shí)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(shí)間常數(shù)。當(dāng)t到達(dá)1倍時(shí)間常數(shù)（t=τ）時(shí)，真空度為初始值的36.8%；當(dāng)?shù)竭_(dá)5倍反應(yīng)時(shí)間后，氦分壓信號(hào)P_He下降到初始值的1%，認(rèn)為檢漏信號(hào)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(cè)算法

    灰度預(yù)測(cè)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(cè)運(yùn)算，能夠較快地得到反應(yīng)時(shí)間常數(shù)τ，以5τ的時(shí)間點(diǎn)作為漏率讀取時(shí)機(jī)，算法自身的疊加遞減運(yùn)算濾除了信號(hào)噪聲，可以提高預(yù)測(cè)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(duì)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(gè)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(tái)，以備遠(yuǎn)程調(diào)用和分析。

    采集節(jié)點(diǎn)的數(shù)值會(huì)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(shí)機(jī)，主控制器會(huì)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(dòng)，最終，主控制器執(zhí)行灰度算法預(yù)測(cè)氦分壓穩(wěn)定時(shí)機(jī)，擇機(jī)完成工件漏率的讀取。同時(shí)，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(jí)緩存，512 KB二級(jí)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(cè)后的穩(wěn)定反應(yīng)時(shí)間會(huì)通過液晶屏實(shí)時(shí)顯示，歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(shí)，P1_4需延時(shí)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(dòng)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(dòng)，使用12 V鋰電池供電，控制信號(hào)由CC2530的GPIO口經(jīng)反相器74HC14接入U(xiǎn)LN2003A，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(cè)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(chǎng)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和曲線實(shí)時(shí)觀測(cè)。軟件具體工作流程如圖6所示。

3.2 Linux驅(qū)動(dòng)層開發(fā)

3.2.1 無線網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(tái)、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(dòng)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(dòng)實(shí)現(xiàn)依靠Linux的SPI驅(qū)動(dòng)框架，該框架分為SPI核心層、SPI控制器驅(qū)動(dòng)層和SPI設(shè)備驅(qū)動(dòng)層。編寫主要集中在SPI設(shè)備驅(qū)動(dòng)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(cè)設(shè)備；再調(diào)用接口函數(shù)spi_register_driver()在SPI總線注冊(cè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)里的各類方法，當(dāng)設(shè)備與驅(qū)動(dòng)的名稱參數(shù)匹配時(shí)，會(huì)調(diào)用探測(cè)函數(shù)probe()，在該函數(shù)中，把SPI設(shè)備注冊(cè)成一個(gè)字符設(shè)備，申請(qǐng)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(cè)與執(zhí)行節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

    監(jiān)測(cè)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(jí)的概念。其中，taskArr[taskID]存儲(chǔ)了任務(wù)處理函數(shù)，taskEvents[taskID]存儲(chǔ)了各任務(wù)對(duì)應(yīng)的事件，taskID代表了各任務(wù)的優(yōu)先級(jí)，系統(tǒng)在各層初始化完成后，會(huì)輪詢調(diào)用osal_run_systerm()函數(shù)根據(jù)優(yōu)先級(jí)運(yùn)行所有任務(wù)，并判斷各任務(wù)對(duì)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(duì)接收到的命令進(jìn)行解析處理。此外，用戶事件由定時(shí)器觸發(fā)，優(yōu)先級(jí)取最低，taskID=6，相應(yīng)的事件處理函數(shù)為MyEventProcess()，完成監(jiān)測(cè)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(hào)對(duì)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(tái)是基于云計(jì)算與互聯(lián)網(wǎng)的平臺(tái)，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(chǔ)服務(wù)。為保證與該平臺(tái)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(gè)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(duì)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(píng)測(cè)

    為進(jìn)一步驗(yàn)證該系統(tǒng)灰度預(yù)測(cè)反應(yīng)時(shí)間算法的有效性，開展了一系列反應(yīng)時(shí)間測(cè)量實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)對(duì)比。利用真空檢漏系統(tǒng)分別檢測(cè)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(cè)四種體積狀態(tài)下的系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間數(shù)據(jù)，對(duì)比傳統(tǒng)人工肉眼觀測(cè)到的反應(yīng)時(shí)間數(shù)據(jù)。每個(gè)體積狀態(tài)下反復(fù)測(cè)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(duì)比可知，系統(tǒng)的灰度預(yù)測(cè)算法可以有效地預(yù)測(cè)的系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)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)。

參考文獻(xiàn)

[1] LAFFERTY J M，RUBIN L G.Foundations of vacuum science and technology[M].Foundations of Vacuum Science and Technology.Wiley，1998：86-88.

[2] 陳濤，廖旭東，黃穎軍，等.一種快速準(zhǔn)確獲取真空氦質(zhì)譜檢漏系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間的方法研究[J].真空科學(xué)與技術(shù)學(xué)報(bào)，2016，36(5)：542-546.

[3] 余修武，張可，周利興，等.基于無偏灰色馬爾科夫預(yù)測(cè)WSN數(shù)據(jù)融合算法[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2018，31(8)：130-133.

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)