（通信与信息系统专业论文）x光强力输送带无损检测系统数据采集存储器的设计.pdf

学位论文的主要创新点 一、提出了x 光强力输送带无损检测系统数据采集存储器的设计方 案。采用三星公司的a r m 9 芯片$ 3 c 2 4 4 0 a 作为主处理器设计 了数据采集存储器硬件电路。 二、对基于a r m 的嵌入式l i n u x 系统进行了研究，并搭建了嵌入式 l i n u x 交叉编译环境，移植了嵌入式l i n u x 操作系统，采用c 语 言编写了数据采集存储器的软件，实现了基于以太网的t c p i p 协议的x 光强力输送带无损检测系统的高速数据采集、与计算 机的数据传送，大容量s d 卡存储功能。 摘要 目前强力输送带已在矿山、港口码头、电厂和水泥厂等领域得到广泛应用， 是现代化生产中的丰要传送设备，尤其在煤矿生产中强力输送带是必不可少的设 备。由于其荷载量增加，被障碍物划伤、老化及接头硫化不规范等原因不可避免 的会发生故障。一旦发生故障将会导致重大断带安全事故，运输物料的损耗，设 备的损坏，巨大的经济损失和人员伤亡，严重影响安全生产。因此，为了保证强 力输送带的安全运行，研制一种强力输送带无损检测系统是十分必要的。目前， 已经研制出了一种x 光强力输送带无损检测系统。该系统是利用计算机对检测 的数据进行采集和存储，由于普通计算机不具备防爆功能，不能在煤矿井下使用， 因此需要研制一种具有防爆功能的数据采集存储器，实现对矿井下强力输送 带无损检测的图像数据的采集和存储。 本文设计了一种x 光强力输送带无损检测系统中数据采集存储器。提出了 数据采集存储器的设计方案；采用三星公司的a r m 处理器$ 3 c 2 4 4 0 a 设计了数 据采集存储器的硬件电路，包括a r m 处理器$ 3 c 2 4 4 0 a 电路、以太网通信接口 电路、s d 卡接口电路、f l a s h 存储器和s d r a m 存储器电路等；搭建了嵌入式 l i n u x 交叉编译环境a r m 1 i n u x g c c ，移植了嵌入式l i n u x 操作系统，采用c 语言 编写了采集存储器的软件，实现了基于以太网的t c p i p 协议的x 光强力输送带 无损检测系统的高速数据采集、与计算机的数据传送，大容量s d 卡存储功能。 该数据采集存储器具有存储量大、传输速度快等优点，能够用于x 光强力 输送带无损检测系统的数据采集、存储与传输，在煤矿井下强力输送带无损检测 中具有很大的应用价值。 关键词：强力输送带；数据采集存储器；a 刚；s d 卡；以太网 a b s t r a c t a tp r e s e n tt h ec o n v e y e rb e l tw i t hs t e e lw i r er o p e s ，w h i c hi st h em a i nt r a n s f e r e q u i p m e n ti nm o d e mp r o d u c t i o n ，h a sb e e nw i d e l yu s e di nt h em i n e ，p o r t ，p o w e rp l a n t , c e m e n tp l a n ta n do t h e rf i e l d s i ti si n d i s p e n s a b l ei nc o a lm i n ep r o d u c t i o ne s p e c i a l l y b u tw i t ht h ei n c r e a s e dl o a dc a p a c i t y , s c r a t c h e db yb a r r i e r s , a g i n ga n dv u l c a n i z a t i o n ，i t w i l lb r e a kd o w ni n e v i t a b l y o n c et h ef a u l to c c u r e d ，i tw i l lc a u s et h eb r e a k d o w no fb e l t ， l o s so ft r a n s p o r tm a t e r i a l ，d a m a g e m e n to fe q u i p m e n ta n dh u g ee c o n o m i cl o s s e sa n d c a s u a l t i e s ，a n dt h e s ea l la f f e c tt h es a f e t yp r o d u c t i o ns e r i o u s l y i no r d e rt oe n s u r et h e s a f e t yo p e r a t i o no fc o n v e y e rb e l tw i t hs t e e lw i r er o p e s ，i ti se s s e n t i a lt od e s i g na n o n - d e s t r u c t i v et e s t i n gs y s t e mf o rc o n v e y e rb e l tw i t hs t e e lw i r er o p e s a tp r e s e n t , a t y p eo fx - - r a yn o n - d e s t r u c t i v et e s t i n gs y s t e mf o rc o n v e y e rb e l tw i t hs t e e lw i r er o p e s h a sb e e nd e v e l o p e d t h i ss y s t e mu s e sc o m p u t e rt oa c q u i r ea n ds t o r ed e t e c t e dd a t a s b u t o r d i n a r yc o m p u t e rd o e sn o th a st h ec a p a b i l i t yo ff l a m e p r o o f , a n di tc a nn o tb eu s e di n c o a lm i n e s oi ti sn e c e s s a r yt od e s i g nad a t aa c q u i s i t i o na n ds t o r a g ed e v i c ew h i c hh a s t h ef u n c t i o no fe x p l o s i o n p r o o f , a n di tc a na c q u i r e sa n ds t o r e st h ei m a g ed a t a sf o r c o n v e y e rb e l tw i t hs t e e lw i r er o p e si nt h ec o a lm i n e t h i sp a p e rd e s i g n e dad a t aa c q u i s i t i o na n ds t o r a g ed e v i c eb a s e do nt h ex - r a y n o n - d e s t r u c t i v et e s t i n gs y s t e mf o rc o n v e y e rb e l tw i t hs t e e lw i r er o p e s p r o p o s e da p r o p o s a lo fd a t aa c q u i s i t i o na n ds t o r a g ed e v i c e ；d e s i g n e dt h eh a r d w a r ec i r c u i to fd a t a a c q u i s i t i o na n ds t o r a g e d e v i c ew h i c hb a s e do n s a m s u n g s a r mp r o c e s s o r $ 3 c 2 4 4 0 a ，i n c l u d i n ga r mp r o c e s s o r $ 3 c 2 4 4 0 ac i r c u i t ，e t h e m e tc o m m u n i c a t i o n i n t e r f a c ec i r c u i t ，s dc a r di n t e r f a c ec i r c u i t , f l a s hm e m o r ya n ds d r a mm e m o r ya n d s oo n ，s e tt h ec r o s s - c o m p i l e re n v i r o n m e n tf o re m b e d d e dl i n u x ：a r m l i n u x g c cu p ， t r a n s p l a n t e dt h ee m b e d d e dl i n u xo p e r a t i n gs y s t e m ，w r o t et h es o f t w a r ef o ra c q u i s i t i o n a n d s t o r a g ed e v i c eu s i n gcl a n g u a g e ，r e a l i z e dt h eh i g hs p e e dd a t aa c q u i s i t i o na n dd a t a t r a n s m i s s i o nw i t ht h ec o m p u t e rw h i c hb o t hb a s e do nt h ee t h e m e ta n dt c p i p p r o t o c o li nt h ex - r a yn o n - d e s t r u c t i v et e s t i n gs y s t e mf o rc o n v e y e rb e l tw i t hs t e e lw i r e r o p e s ，r e a l i z e dt h ef u n c t i o no fs t o r a g ef o rl a r g ec a p a c i t ys dc a r d 1 1 1 i sd a t aa c q u i s i t i o na n ds t o r a g ed e v i c eh a st h ef u n c t i o no fl a r g es t o r a g ea n d h i g ht r a n s m i s s i o ns p e e d ，a n dc a nb eu s e dt oa c q u i r e ，s t o r ea n dt r a n s m i td a t a si nt h e x r a yn o n - d e s t r u c t i v et e s t i n gs y s t e mf o rc o n v e y e rb e l tw i t hs t e e lw i r er o p e s i th a sa h i g ha p p l i c a t i o nv a l u ei nt h en o n - d e s t r u c t i v et e s t i n gs y s t e mf o rc o n v e y e rb e l tw i t h s t e e lw i r er o p e si nt h ec o a lm i n e k e y w o r d s ：c o n v e y e rb e l t w i t hs t e e lw i r e r o p e s ；d a t aa c q u i s i t i o n a n ds t o r a g e i m p l e m e n t ；a r m ；s dc a r d ；e t h e m e t 目录 第一章引言。l 1 1 强力输送带无损检测国内外研究现状1 1 2 本文研究的目的和意义2 1 3 本文研究的主要内容。3 第二章x 光强力输送带无损检测系统设计方案。5 2 1 无损检测技术5 2 2x 光无损检测原理7 2 3x 光强力输送带无损检测系统设计方案1 0 第三章数据采集存储器设计方案1 3 第四章数据采集存储器硬件设计1 5 4 1 主处理器电路1 5 4 1 1a r m 微处理器$ 3 c 2 4 4 0 a 。1 5 4 1 2 主处理器电路设计1 7 4 2 以太网接口电路1 8 4 2 1 以太网接口控制器1 8 4 2 2 以太网接口电路设计。2 0 4 3s d 卡接口电路。2 l 4 3 1s d 卡工作原理2 l 4 3 2s d 卡接口电路设计2 3 4 4r s 2 3 2 接口电路2 4 4 5j t a g 接口电路2 6 4 6s d r a m 接口电路。2 6 4 7f l a s h 存储器接口电路2 7 4 8 复位和晶振电路2 9 4 9 电源电路3 0 第五章嵌入式l i n u x 系统的移植3 3 5 1l i n u x 操作系统。3 3 5 2 搭建嵌入式l i n u x 交叉编译环境3 3 5 3b o o t l o a d e r 移植3 5 5 3 1b o o t l o a d e r 介绍3 5 5 - 3 2u b o o t 的移植3 6 5 4l i n u x 内核的移植4 0 5 4 1l i n u x 内核分析4 0 5 4 2l i n u x 内核的移植4 2 5 5 构建l i n u x 根文件系统4 6 5 5 1l i n u x 根文件系统4 6 5 5 2 利用b u s y b o x 制作y a f f s 2 文件系统4 7 第六章数据采集存储器软件设计5 1 6 1 数据采集存储器软件设计方案。5 l 6 2 以太网通信程序设计5 2 6 2 1 基于l i n u x 的t c p i p 协议5 2 6 2 2 数据采集存储器以太网通信的设计5 4 6 3s d 卡存储程序设计5 8 6 3 1l i n u x 中s d 卡驱动程序分析5 8 6 3 2s d 卡存储的设计6 0 第七章实验与调试6 3 7 1 数据采集存储器硬件调试6 3 7 2 以太网通信检测调试6 4 7 3s d 卡存储调试。6 6 第八章总结与展望6 7 参考文献6 9 发表论文和参加科研情况7 3 致谢：7 5 第。章引言 第一章引言 1 1 强力输送带无损检测国内外研究现状 强力输送带是指以等间距、纵向平行排列的若干条钢丝绳为骨架，覆盖不同 性能的芯胶、边胶，经成形、硫化而成。由于其具有抗张强度高、耐摩擦能力大、 抗冲击能力强以及使用寿命长等优点，特别适合于在长距离、大运程和高速度等 输送物料的场合作为输送设备使用。目前，强力输送带已在矿山、港口码头、电 厂、钢厂和水泥厂等领域得到了广泛应用，是我国现代化生产中主要传送设备之 一，在煤炭生产中强力输送带更是必不可少的输送设备。在长期的使用过程中， 由于强力输送带负荷量的增加、被障碍物划伤、老化及接头硫化不规范等因素， 不可避免的会造成其内部钢丝绳接头的伸长、钢丝绳芯的锈蚀甚至断裂、钢丝绳 芯与胶带的粘合力下降而导致胶带脱落等故斟1 3 j 。如果不能及时发现这些问题 并采取相应的措施，极有可能会发生重大安全生产事故，严重影响安全生产。1 9 9 4 年5 月至7 月，山东省七五煤矿连续发生2 起断带事故，每次均造成直接经济损 失l o 万元左右，间接经济损失2 5 0 余万元。2 0 0 3 年7 月，华亭煤业集团公司砚 北煤矿主并发生输送带断裂事故，造成1 0 多天停产】。为了避免此类安全生产 事故的发生，研制一套高效、实时、准确的强力输送带无损检测系统，实现对强 力输送带的无损检测就显得十分重要。 2 0 世纪7 0 年代，澳大利亚学者哈里森根据电磁感应原理首次提出了对强力 输送带实现无损检测的方法，并研制出c b m 强力输送带钢丝绳芯探测装置。这 种方法在1 9 8 7 年被用于德国、南非、加拿大、美国等地的采矿工业【6 1 。我国的 中科院力学所、煤科总院上海分院、太原理工学院等单位也利用相似的原理研制 出了强力输送带钢丝绳芯探测装置。但采用该方法研制的装置只能给出检测结果 曲线，大致检测出钢丝绳芯输送带断裂的位置和程度，不能直接显示输送带的内 部图像，探伤周期较长、其精确位置和详细状况还要通过辅助设备来判断，存在 着准确性差、显示不直观、不能远程检测等缺点，而且当带内有纵向撕裂保护丝 网时，更不能对其进行探测【7 j 。1 9 9 3 年，中国矿业大学研制了基于x 光探测原 理的强力输送带的检测系统，该系统受当时软硬件技术的限制，存在着输送带钢 丝绳芯图像处理速度慢( 0 6 m 左右) 、实时性差、精度低( 分辨率为2 5 m m x 2 5 m m ) 、 不具备强度性能分析等缺剧引。 目前，为了保证强力输送带运行的安全，大部分强力输送带用户采用人工检 测方法每周对强力输送带检测3 _ 4 次。在检测时，强力输送带运行在爬行速度 0 2 3 m s ，如果检查3 4 千米的强力输送带需要4 个多小时，并且需要靠人眼观察 天津工业大学硕士学位论文 输送带外部是否存在异常，进而判断输送带是否存在故障。该方法不能在线实时 检测，检测效率低，影响生产；只能通过观察强力输送带表面情况进行人为判断， 检测准确率差，易出现漏检现象而导致强力输送带安全事故的发生。由于不能完 全掌握强力输送带内部钢丝绳芯故障的情况，为了保证强力输送带运行的安全， 不得不将可继续使用的价格昂贵的输送带定期更换，造成了巨大的浪费。 x 光探测技术已广泛应用于医疗、物流和交通等领域的无损检测。在医疗领 域主要采用x 光探测技术对人体进行检查，在技术上向微型化、高精度和低辐 射发展。在物流领域中清华大学研究开发的大型集装箱检查系统已成功实现产业 化，取得了显著的经济效益和社会效益。在交通领域中的车站、机场和码头采用 x 光探测技术对旅客行李、箱包进行检查。由于x 光检测装置扫描速度慢，经 常导致排队等候等现象。目前，x 光探测技术在矿山、港口码头等工业领域中的 无损检测仍存在可靠性差、精度低、扫描速度慢等缺点，在对强力输送带无损检 测中不具有自动识别故障和强度性能分析功能。 我们采用x 光无损探测技术研制出了一种高速、实时的x 光强力输送带无 损检测系统。该检测系统能够在线检测强力输送带内钢丝绳芯图像，实时存储， 发现钢丝绳芯锈蚀、断裂或接头伸长等故障，及时报警，给出强度性能分析结果， 具有技术先进、显示直观、准确性高、安全可靠、安装使用方便、在线实时检测 等优点，能够避免重大安全事故的发生、设备的损坏、停产和人员伤亡，减少运 输物料的损耗和经济损失，提高了生产效率，具有显著的经济和社会效益。但是， 该系统是通过以太网接口将高速x 光探测器检测数据传输给计算机，其数据量 大，要求传输速率达到每秒几十兆甚至上百兆，如果通过以太网络进行传输，容 易造成网络数据阻塞现象，影响网络性能和实时检测。另外，由于计算机不具有 防爆功能，不能在易燃易爆的场所的煤矿井下使用，限制了该系统的使用范围。 因此，我们需要研制一种能在易燃易爆的煤矿井下使用的数据采集存储器， 该数据采集存储器能够通过以太网接口对x 光强力输送带无损检测系统的数据 进行采集和存储，再到非易燃易爆的场所通过以太网接口把数据采集存储器中存 储的数据传输给计算机，计算机再对输送带内钢丝绳芯图像进行识别、处理和分 析，给出强度性能分析结果。 1 2 本文研究的目的和意义 本文的目的是设计一种能够在易燃易爆的场所使用的x 光强力输送带无损 检测系统数据采集存储器。采用a r m 芯片作为主处理器，设计数据采集存储器 硬件电路，搭建嵌入式l i n u x 交叉编译环境，移植嵌入式l i n u x 操作系统，采用 c 语言编写数据采集存储器的应用软件，实现基于以太网的t c p i p 协议的x 光 第。一章引言 强力输送带无损检测系统的高速数据采集、与计算机的数据传送，大容量存储器 存储功能。 该数据采集存储器具有通过以太网接口进行数据采集、传输和存储的功能， 能够在易燃易爆场所的x 光强力输送带无损检测系统中使用，特别适合于煤矿 井下的使用，也可以应用于其它具有以太网接口的检测系统中。 1 3 本文研究的主要内容 本文对x 光强力输送带无损检测系统数据采集存储器的设计进行了研究， 其主要研究内容如下： ( 1 ) 分析、研究国内外强力输送带无损检测现状，提出x 光强力输送带无 损探测系统数据采集存储器的设计方案； ( 2 ) 设计出基于a r m 微处理器的x 光强力输送带无损探测系统数据采集 存储器硬件电路； ( 3 ) 搭建嵌入式l i n u x 交叉编译开发环境，移植嵌入式l i n u x 操作系统； ( 4 ) 采用c 语言编写数据采集存储器的软件，实现基于以太网的t c p i p 协议的x 光强力输送带无损检测系统的高速数据采集、与计算机的数据传送， 大容量s d 卡存储功能； ( 5 ) 对数据采集存储器进行实验和调试。 天津工业大学硕士学位论文 第二章x 光强力输送带无损检测系统设计方案 第二章x 光强力输送带无损检测系统设计方案 2 1 无损检测技术 无损检测也称无损探伤，是指在不损伤被检测对象的前提下，利用材料内部 结构异常或缺陷所引起的对声、光、电、磁等反应的变化，来探测各种工程材料、 零部件、结构件等内部或表面缺陷，并对缺陷的类型、性质、数量、形状、位置、 大小和分布等做出判断。目前常用的无损检测方法有电磁检测法、磁粉检测法、 超声检测法、渗透检测法和射线检测法【州o j 。 l 、电磁检测法 电磁检测是指以法拉第电磁感应定律为基础，利用材料在电磁作用下呈现 出来的电磁特性，判断材料有关性能的检测手段，主要包括涡流、漏磁、磁记 忆和微波等多种方法。该检测方法不需要耦合剂，可以实现非接触测量，而且 对环境没有污染，操作简单，省工省力，便于实现检测自动化，具有检测速度 快、检测效率高等优点。另外，电磁检测信号是金属材料许多参数的综合反映， 所以电磁无损检测法不仅能实现无损探伤，而且可以测量试件的电导率、应力 应变、表面涂层厚度和位移量等参数。但是，该方法只能用于检测导电材料， 并且受很多外界因素的影响，信号解释比较困难，检测结果不够直接，只能检 测表面或者近表而的缺陷，对形状复杂的试件检测有一定的难度。另外，该方 法通常只能对被检件中是否有缺陷做出判断，而不能对缺陷的性质、大小和位 置做出判断。 2 、磁粉检测法 磁粉检测是利用磁粉在缺陷漏磁场处的聚集，得到放大并且对比度更高的缺 陷裂痕，以显示试件表面或者近表面缺陷的无损检测方法。磁粉检测法可以检测 出铁磁性材料表面和近表面的尺寸很小、间隙极窄的缺陷裂痕，检测灵敏度较高。 目前可检测出宽度仅为0 1 9 m 的表面裂纹，并且能够直观地显示缺陷的位置、形 状、大小，并能大致确定缺陷的性质。该方法几乎不受试件大小和几何形状的限 制，检测速度快，检测工艺简单，成本费用较低，可以实现对板材、管材、棒材、 焊接件、铸钢件及锻钢件等的检测。然而，磁粉检测法也有其局限性：只能检测 铁磁性材料，不能检测铜和铝等有色金属、奥氏体不锈钢材料以及其他非金属材 料：只能检测表面或近表面缺陷，可检测的缺陷深度一般为1 2 m m 以内；对缺 陷的取向有一定的限制，一般要求磁化场的方向和缺陷主平面的夹角大于2 0 0 ； 对试件表面的质最要求较高，对深度方向的缺陷不能实现定景和定位的检测。 3 、超声波检测法 天津工业大学硕士学位论文 超声波检测是使超声波与被检件相互作用，利用超声波的反射、折射、透射 和散射特性，对被检件进行缺陷检测、几何特性测量、组织结构和力学性能变化 的检测和表征，并进而对其应用性进行评价的一种无损检测技术，广泛应用于工 业、医疗器械和海洋探测等领域。 超声波检测法具有穿透能力大、检测灵敏度高及不受被检件材料属性的限制 等特点。无论是金属、非金属，还是复合材料都可以使用超声波进行无损检测。 另外，超声波在钢材中的有效检测深度达到l 米以上，对平面型缺陷如裂纹、夹 层等，探伤灵敏度较高，并可以确定被检件内部缺陷的大小、位置、取向和性质 等参量。超声波检测设备轻便，操作安全，检测成本低，可以现场检测，实现自 动化检验，并且所有参数设置及有关波形可以进行存储，供以后分析调用。但是， 该方法对形状复杂的工件的检测有一定的限制，并且要求被检查对象的表面的光 洁度较高，需有耦合剂充填满探头和被检查表面之间的空隙，以保证充分的声耦 合。对于有些粗晶粒的铸件和焊缝，因为容易产生杂乱反射波而较难应用。检测 过程中会存在检测盲区，检测效率较低。此外，超声检测要求有一定经验的检验 人员才能进行操作和判断检测结果。 4 、渗透检测法 渗透检测是一种以毛细作用原理为基础的检测技术，主要用于非疏孔型材料 的零部件表面开口缺陷的检测。其工作原理是：渗透液在毛细现象的作用的下进 入表面开口的缺陷，去除被检件表面多余的渗透液后，残留在缺陷中的渗透液随 后被显像剂吸附和显像，形成对比度更高、尺寸被放大的缺陷显示裂痕，从而使 得原缺陷更加容易被观察到，最终可以检测出缺陷的形状和分布状况。 渗透检测法不仅可以检测各种非疏孔型材料物质的表面开口缺陷，而且检测 过程不受被检件形状、大小、组织结构和化学成分的限制，可以实现对有色金属、 黑色金属、塑料、陶瓷及玻璃等的检测。渗透检测具有较高的检测灵敏度，超高 灵敏度的渗透材料可以清晰地显示出宽0 5 i - t m 、深l o g m 、长l m m 左右的细微裂 纹。而且，渗透检测的检测结果很直观，容易判断出缺陷的大小和位置，具体操 作也非常简单、快速，一次操作就可以检测出一个平面上的所有开口缺陷。此外， 渗透检测的检测设备轻巧、简单、检测成本也比较低，适合于野外工作。但是， 渗透检测也具有其自身局限性：首先，渗透检测对被检件的材料和结构有一定的 限制，不适用于多孔性或疏松材料制成的试件或表面不光滑的试件，因为检测多 孔性或疏松材料时，会使整个表面呈现出较强的荧光背景，以致掩盖缺陷显示， 而试件表面太粗糙时，容易造成假象，降低检测效果；其次，渗透检测只能实现 对零部件表面开口缺陷的检测，当开口被污染物堵塞或经机械处理而被封闭时， 开口缺陷就不能被检测出来；最后，渗透检测只能检出缺陷的表面分布，难以确 第二章x 光强力输送带无损检测系统设计方案 定缺陷的实际深度，因此很难对缺陷做出定量评价。 5 、射线检测法 由于射线具有穿透性，所以当射线照射在被检件上时，射线就会穿透被检件。 另外，射线在穿透被检件的过程中会被被检件吸收，并发生散射等现象，从而使 得其强度减弱。减弱的程度取决于被检件的材料、射线的种类和被检件的厚度。 当把强度均匀的射线照射在被检件的一个侧面时，由于被检件内部结构的不均匀 性而使得入射线有了不同的衰减。利用胶片照相、荧光屏等手段，通过在被检件 的另一侧面检测穿透被检件后的射线的强度分布，就可以检测出被检件的缺陷， 包括缺陷的大小、种类和位置分布等状况。与其他无损检测法相比，射线检测法 具有以下优点： ( 1 ) 检测结果是以图像的形式直观显示； ( 2 ) 检测结果可以实现定性、定量分析，并且可以长期保存； ( 3 ) 射线受粉尘、颗粒和周围磁场的影响比较小，检测精确度高。 除此之外，射线检测法对被检件的材料和形状结构没有严格限制。因此，射 线检测法在机械、兵器、电子、车站、码头、航空航天等领域得到了广泛应用。 由于强力输送带的工作环境比较恶劣，并且在对其进行无损检测时输送带往 往是高速运行的，所以只能采取非接触的检测方法。目前，超声波检测法和射线 检测法是两种不错的选择，但是超声波检测法只能得到输送带钢丝绳芯的脉冲波 形图，而不能直观地显示输送带钢丝绳芯的检测结果图像，并且检测结果没有直 接见证记录。另外，超声波检测法在检测过程中可能会存在盲区，检测效率比较 低。相比之下，射线检测法具有检测结果直观、检测精度高及可靠性高等优点。 因此，本课题采用以x 光作为射线源的射线检测法，对强力输送带无损检测系 统进行了研究。 2 2x 光无损检测原理 1 8 9 5 年，德国物理学家伦琴在研究阴极射线时发现了一种能穿透物质并能 使荧光屏闪光的射线，当时人们对这种射线的本质还不清楚，因此，取名为x 光，后也称为伦琴射线，被誉为1 9 世纪末、2 0 世纪初科学界的三大发现之一。 实验证明，凡是具有加速度的带电粒子都会产生电磁辐射。当高速运动的电子在 高压作用下撞击金属靶面时会急剧减速，产生很大的负加速度，其高能量的动能 进而转化为电磁辐射，从而产生x 光【l ，x 光管产生x 光示意图如图2 1 所示。 天津工业大学硕士学位论文 图2 - 1x 光管产生x 光示意图 与无线电波、红外线、可见光、紫外线及1 ，射线一样，x 光也是一种电磁辐 射波，同样具有波动性和粒子性，它的波长介于紫外线与1 ，射线之间。x 光也可 以被看作是一种电磁振荡的中性粒子束，每个x 光光子都具有一定的能量，并 以光的速度直线传播。同时，x 光服从光的反射、折射、散射和衍射等一般规律， 具有穿透作用、荧光作用、电离作用等特性。 l 、穿透作用 x 光的波长很短，能量很大，穿透能力很强，能穿透不透明的物质。x 光的 穿透能力与被辐射物质的性质和结构有关，被穿透的物质的原子序数越大，其密 度越大，吸收x 光能力就越强，x 光的衰减就越严重。因此，x 光很容易穿透 氢、硼等轻元素( 即原子序数小的元素) ，而不容易穿透铅等重金属。另外，x 光 的穿透能力还和被穿透物质的厚度有关，被穿透物质的厚度越厚，x 光衰减的就 越多，x 光就越不容易穿透该物质。 2 、荧光作用 x 光是看不见的，但当它照射在某些物质上时，却能够引起被辐射物质发出 荧光，这类物质称荧光物质，如磷，碘化钠等。荧光物质受到x 光照射后，物 质原子受激发生电离，当恢复常态时，便放射出介于电磁辐射谱中可见光和紫外 线之间的荧光。 3 、电离作用 物质受x 光照射会发生电离现象。足够能量的x 光光子不仅可以把物质原 子的轨道电子击脱，产生一次电离，而且脱离了原子的电子又会与其它原子碰撞， 产生二次电离。电离作用对x 光的测量和应用具有重要意义【l 2 。 x 光在穿透物体的过程中不仅会被物质吸收，还会发生散射等现象，因此x 光的强度有了很大程度的衰减。衰减的程度取决于物质的衰减系数和射线在物质 中的穿越厚度。如果被透照物体( 被检件) 中存在局部缺陷，并且构成缺陷的物质 的衰减系数与被检件不同，那么该缺陷部位的透过射线强度就会与周围部位产生 第二章x 光强力输送带无损检测系统设计方案 一定的差异，如果把胶片或荧光屏等成像器件放在适当的位置进行成像处理，就 会在穿透射线的作用下形成被检件的图像。由于穿透缺陷部位和完好部位后的射 线的强度不同，胶片或荧光屏上就会出现灰度差异的图像，根据相邻区域的灰度 差异便形成了不同形状的影像，x 光无损检测原理如图2 2 所示。 射线源 j 1 ( 二二二x d 缺陷 l t 探测器 图2 - 2x 光无损检测原理 如果从射线源射出的x 光的强度是均匀的，并且其强度为j o ，而穿透被检 件中没有缺陷部分和有缺陷部分后的x 光的强度分别为j 6 和j x ，则： j 6 = j o e 一曲 j l = j o e 一一嘲 穿透被检件有缺陷和没有缺陷部分的x 光强度之比为： j x i j 6 = e 坶 ( 2 一1 ) ( 2 - 2 ) ( 2 3 ) 其中，p 为x 光衰减系数，x 为x 光照射方向上的被检件中的缺陷的厚度， 6 为被检件的厚度。 从( 2 3 ) 可以看出，沿x 光透射方向的缺陷尺寸x 越大，衰减系数p 越大， 则被检件中有无缺陷部分的x 光的强度比值就越大，从而在胶片等成像物质上 形成的图像的亮度差异越明显【l3 1 ，最终利用图像处理技术分析图像灰度，可以确 定被检件的缺陷程度。 天津工业大学硕士学位论文 2 3x 光强力输送带无损检测系统设计方案 x 光强力输送带无损检测系统主要由x 光发生器、高速x 光探测器、数据 采集存储器和计算机等组成，其组成框图如图2 3 所示。 一一f l g 隋g x ，b 渝出 娶& ，辎黼 一一一谭5 速信 探氐处理、传输 一一一一一一一妻携 i t 目写r 椭 一一一一百目千兆以太网接口 一。一图像处理、谚 别、分析 图2 - 3 系统组成框图 x 光发生器的作用是产出低辐射的x 光源，其由x 光发射器和控制器两部 分组成，电流和电压实行闭环调整，并且有过压保护和过流保护等安全措施。 高速x 光探测器由光电转换模块、信号采集模块、信号处理传输模块和电 源模块组成。其中，光电转化模块的作用是实现系统中光信号向电信号的转换， 该模块由涂有碘化铯闪烁晶体的光电二极管阵列、前置积分放大电路、缓冲放大 电路和差分驱动电路等部分组成。当不同能量的x 光穿过闪烁晶体时，不可见 的x 光转换为可见光，该可见光在光电二极管阵列的作用下转化为电流信号， 电流信号经过前置放大电路后变为电压信号，电压信号经缓冲放大和差分驱动电 路的作用形成幅值较大的电压差分信号。在外部读信号的触发下，所有像素的电 压差分信号以串行模式从光电转换模块的信号接口电路中被读出。 信号采集模块的作用是对从光电转换模块输出的电压信号进行放大和滤波 等处理，然后进行a d 转换，形成数字信号，送给信号处理传输模块。其中， a f d 转换电路采用并行设计的原则，将四片a i d 芯片并行工作构成四通道的a d c 转换电路，每个通道单独进行a f d 转换，互不影响，从而提高了a d c 转换电路 的整体运行速度，满足了高速的设计目标。 第二章x 光强力输送带无损检测系统设计方案 信号处理传输模块主要由a r m 微处理器电路和f p g a 电路组成。其中， f p g a 电路是对采集到的数字信号进行去噪、校验和均匀化处理，并实现对光电 转换模块和信号采集模块的时序控制；a r m 微处理器电路的作用是通过以太网 接口把采集到的输送带钢丝绳芯图像数据传输给数据采集存储器。 数据采集存储器能够在易燃易爆的场合通过以太网接口对x 光强力输送带 无损检测系统的数据进行采集和存储，再到非易燃易爆的场所通过以太网接口把 数据采集存储器中存储的数据传输给计算机，计算机再对输送带内钢丝绳芯图像 进行识别、处理和分析，给出强度性能分析结果。 整个检测系统的工作过程是：x 光发生器发射的x 光穿过运行着的强力输送 带照射到高速x 光探测器的光电转换模块上，光电转换模块将强力输送带钢丝绳 芯图像的光信号转换为电信号；该电信号通过x 光探测器的信号采集模块放大、 滤波和a d 转换后，形成数字信号，送给信号处理传输模块；信号处理传输模块 对该数字信号进行去噪、校验和均匀化处理后，通过以太网接口传输给数据采集 存储器，并把采集到的输送带钢丝绳芯图像数据存储到数据采集存储器中；再到 非易燃易爆的场所通过以太网接口把数据采集存储器中存储的数据传输给计算 机，利用计算机中的图像处理、识别算法对强力输送带钢丝绳芯的接头伸长、锈 蚀、断裂等情况进行提取、分析和判断，给出强度性能分析结果。 天津工业大学硕士学位论文 第三章数据采集存储器设计方案 第三章数据采集存储器设计方案 数据采集存储器丰要由主处理器电路、以太网接口电路、s d 卡接口电路、 j t a g 接口电路、r s 2 3 2 接口电路、f l a s h 存储器接口电路、复位和晶振电路、 s d r a m 接口电路和电源电路等部分组成，其组成框图如图3 1 所示。 以太网接口电路 s d 卡接口电路 j t a g 接口电路 眄 主处理器电路 h a s h 存储器接口电路 图3 1 数据采集存储器组成框图 复位和晶振电路 r s 2 3 2 接h 电路 s d 洲接口电路 主处理器电路是数据采集存储器的核心控制部分，它分别与以太网接口电 路、s d 卡接口电路、j t a g 接口电路、f l a s h 存储器电路、s d r a m 接口电路 和r s 2 3 2 接口电路等外围设备相连接，实现以太网数据传输、输送带钢丝绳芯 图像数据存储、系统调试、系统软件和应用软件的存储以及调试信息的打印显示 等功能。本文采用三星公司的a r m 9 芯片s 3 c 2 4 4 0 a 作为主处理器，设计了数 据采集存储器硬件电路。由于$ 3 c 2 4 4 0 a 芯片内部集成了s d 卡控制器、f l a s h 存储器控制器、s d r a m 控制器等，可以方便地实现其与外围设备的连接。以太 网接口电路用于实现数据采集存储器与高速x 光探测器、计算机之问的以太网 通信，进行输送带钢丝绳芯图像数据的采集和传输。在强力输送带无损检测系统 中，高速x 光探测器中的四路a d 转换电路是并行工作的，这就对数据的采集 和传输速率提出了更高的要求。为了满足以太网通信数据传输速率，本文采用 d a v i c o m 公司的1 0 1 0 0 m b s 自适应以太网接口芯片d m 9 0 0 0 进行了以太网接 口电路设计，该芯片支持8 1 6 3 2 位数据总线宽度，寄存器操作简单有效，并且 有成熟的l i n u x 驱动程序支持，非常适合嵌入式系统开发。s d 卡接口电路用于 存储采集到的钢丝绳芯图像数据。在强力输送带无损检测系统中，被检测的输送 天津工业大学硕士学位论文 带可以达到几百米甚至几千米，因此整个检测过程需要采集和存储大量的图像数 据。s d 卡是市场上很流行的存储设备，由于其具有体积小、存储容量大、数据 传输率快、极大的移动灵活性和很好的安全性，已经在许多便携式电子设备中得 到了广泛应用，目前其最大容量已经达到3 2 g ，能够完全满足数据采集存储器的 大容量存储需求。f l a s h 存储器电路用于存储l i n u x 操作系统镜像文件，包括 系统引导程序b o o t l o a d c r 、l i n u x 内核、根文件系统文件和用户应用程序等。 s d r a m 存储器主要用作程序的运行空间、堆栈区和数据区等。r s 2 3 2 是通信串 口，可以方便地实现数据采集存储器和用户计算机之间的交互，并在用户计算机 上进行命令输入和打印输出信息等。j t a g 是一种嵌入式调试技术，可以通过专 用的j t a g 测试工具实现对具有j t a g 接口芯片的硬件电路的边界扫描和故障检 测，在本设计中j t a g 主要用于把b o o t l o a d e r 镜像文件烧写进f l a s h 存储器。 我们采用功能强大、源码开放和自由度高的嵌入式l i n u x 操作系统作为软件 设计的核心。在宿主机中搭建嵌入式l i n u x 交叉编译环境，并根据数据采集存储 器的外围硬件设备，完成对嵌入式l i n u x 操作系统引导程序b o o t l o a d e r 和内核的 裁剪、配置和编译，实现嵌入式l i n u x 操作系统在数据采集存储器上的移植；并 采用c 语言编写数据采集存储器应用程序，实现基于以太网的t c p i p 协议的x 光强力输送带无损检测系统的高速数据采集、与计算机的数据传输，以及大容量 s d 卡的数据存储功能等。 第四章数据采集存储器硬件设计 4 1 主处理器电路 第四章数据采集存储器硬件设计 4 1 1a r m 微处理器