一种基于FPGA的钢丝绳芯输送带X光探测器采集控制与信号处理装置

摘要

本发明涉及一种基于FPGA的钢丝绳芯输送带X光探测器采集控制与信号处理装置，其主要包括光电转换控制模块、信号采集控制模块、数据校正与均匀化处理模块：光电转换控制模块实现对光电转换装置的时序控制，从而将X光信号转化为电信号；信号采集控制模块实现对信号采集装置的时序控制，从而对光电转换信号进行采集；数据校正与均匀化处理模块实现对由皮带弧度与光电转换像元非一致性造成的数据偏差进行补偿。本发明有利于X光探测器对输送带钢丝绳芯进行快速、实时、准确的在线监测，并且，基于一片FPGA实现对X光探测器各部分的控制及所有信号处理算法，使整个探测器具有较高的集成度与较低的复杂度。

说明书

技术领域

本发明具体涉及光电检测技术与系统及安全检测与监控领域的一种基于FPGA实现的输送带钢丝绳芯 X光探测器的采集控制与信号处理装置。

背景技术

钢丝绳芯输送带是带式输送机牵引和运载的重要部件，已广泛应用于煤炭、矿山、港口、电力、冶金、 化工等领域。在使用过程中，由于钢丝绳芯输送带载荷量增加，被废钢铁或矸石等异物或障碍物划伤，长 期在恶劣环境下使用使输送带老化，输送机的安装调整不当，钢丝绳芯接头搭接和硫化不好等原因而产生 钢丝绳芯断裂、划伤、锈蚀、接头伸长等故障，一旦发生故障将会造成重大断带安全事故而停产，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。

“输送带钢丝绳芯X光在线监测装置”是采用X光无损探测技术研制的在线检测输送带内钢丝绳芯 故障的安全无损检测装置。该装置能够远程在线检测输送带钢丝绳芯图像，实时存储和显示钢丝绳芯图像， 对钢丝绳芯图像进行处理与分析，发现钢丝绳芯断裂、划伤、锈蚀、接头伸长或接头搭接不规范和钢丝绳 芯与橡胶分离(脱胶)等故障，及时报警，给出性能分析结果，具有技术先进、安全可靠、安装使用方便、 实时检测、准确性高、显示直观等优点；能够避免重大断带安全事故的发生，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，提高生产效率，具有显著的社会和经济效益。该装置可广泛应用于 煤炭、矿山、港口、电力、冶金、化工等领域使用钢丝绳芯输送带的场合，特别适用于煤矿生产中输送带 的安全检测。

“输送带钢丝绳芯X光在线监测装置”是由X光发生器、高速X光探测器、计算机及软件和供电电 源等组成，其组成框图如图1所示。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。该装置工作过程是X光发生器发射的X光穿过运行着的钢丝绳芯输送带照射到高速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 高速X光探测器的信号采集模块转换为数字信号，送给信号处理传输模块；信号处理传输模块对该数字信 号进行处理后，通过以太网传输到计算机(PC机)；计算机接收到信号处理传输模块的信号后，通过软 件实时显示、存储输送带钢丝绳芯图像，运用图像处理、识别算法对输送带钢丝绳芯的断裂、划伤、锈蚀、 接头伸长或接头搭接不规范等故障进行提取、分析和判断，及时报警，给出强度性能分析结果。

X光信号处理是输送带钢丝绳芯X光在线监测的难点与关键。对于高速X光探测器，在期望光辐照 强度相同的情况下，各个像元的响应或者输出一致。但在实际中，同样X光照射强度或探测器上方遮挡同 样厚度物体情况下，探测器各个像元的响应存在差异，这就是所谓的探测器的非均匀性。

X光探测器的像元响应可以由下式来表示

Y_i＝R_i*φ+X_i0

其中，Y_i表示第i个像元的输出，Φ表示照射到第i个像元的光的强度，Ri表示该像元对光的转换效率， X_i0表示该像元的本底噪声。上式表明，探测器的像元响应质量存在如下几方面的影响因素：

首先，线阵探测器每个像元的X_i0是不一样的，主要原因有两个，一是每个二极管的暗电流不同，二 是每个二极管后面的运放电路存在差异；

其次，每个像元的R_i是不一样的，主要是每个像元由于工艺的原因存在差异，如像元尺寸大小不一致、 像元内部参数存在差异等，事实上每个像元的R_i本身也不是常数，是随着Φ的大小也变化的；

此外，在X光光源发出同样强度的光的情况下，到达各个像元的光的强度也是不一样的，因为光源到 各个像元的距离是不一致的。X光束流的强度按照X光的出射角度进行分布，即出射角度越小，光的强度 越大，因此到达线阵探测器的中间的像元的光的强度要大于到达两边的光的强度，这也是引起探测器非均 匀性的因素。探测器的非均匀性导致检测到的图像存在灰度不一的条纹，严重影响图像质量。

基于上述分析，前人已研究了提高钢丝绳芯输送带X光图像质量的图像校正、均匀化及滤波算法。“输 送带钢丝绳芯X光在线监测装置”所采用的X光信号处理方法的整体操作流程如图2所示，在具体实施 时一般分成两个阶段，即首先根据需求，确定一个X光射线源强度和每个像元的校正系数G_i，以下简称为 参数获取阶段，该阶段中要对校正系数进行去噪处理；然后是应用阶段，实现对待检测钢丝绳芯输送带的 校正。

参数获取阶段的操作流程如下：

步骤1，关闭X光射线源，获得无X光照射条件下的X光探测器的输出值A_i，其中i表示X光探测 器的第i个像元；

步骤2，利用X光探测器，获得钢丝绳芯输送带X光图像；

步骤3，根据待测钢丝绳芯输送带的宽度、厚度和钢丝绳芯直径，利用实验得到不同X光射线源强度 下的待测钢丝绳芯输送带X光图像，基于待测钢丝绳芯输送带X光图像像元值变化曲线的特征，确定一 个合适的射线源强度，使待测钢丝绳芯输送带的成像区域均工作在X光响应的线性区；

步骤4，在X光探测器和X光射线源之间水平放置一段和待测钢丝绳芯输送带相同材质、宽度和度的 橡胶输送带，打开X光射线源，获得此条件下X光探测器的输出值B_i，其中i表示X光探测器的第i个像 元；

步骤5，通过如下公式

$G_i=\left(\begin{array}{cc}1& B_i\le A_i\\ \frac{255\times 80\%}{B_i-A_i}& B_i>A_i\end{array}\right)$

得到每个像元的校正系数G_i，其中i表示X光线阵探测器的第i个像元。

步骤6，为去除噪声，按照上述方法连续获取K帧像元，并对K帧像元进行平均化处理，将K帧的平 均值作为最终去除噪声后的校正系数G_i’，并将其存储起来，以确保该参数值断电不丢失，其中i表示X 光探测器的第i个像元。

帧平均去噪原理：

在进行像元校正和均匀化处理时，需要分别获取不加输送带开X光和关X光条件下的一帧像元值， 作为校正算法中的校正系数。然而，由于X光信号的不稳定、采集电路输出信号的不稳定、以及电路板产 生的噪声干扰等因素的影响，同一条件下同一个像元在不同的时间内也会有误差和变化。所以，为提高校 正算法的准确性，须对获取到的开关光像元做平均化处理，以提高算法的抗噪声能力。否则，若校正算法 所基于的校正系数存在较大误差，则校正的效果也不尽理想。由于像元的噪声符合均值为0的高斯分布， 所以若多帧像元取平均，则可以达到平滑噪声的目的。从理论上，若做平均的帧数K无穷大，则平均后的 像元所受噪声干扰为0，因为高斯噪声的均值为0。在实际系统中，K值通过权衡去噪性能和实现复杂度 来确定。

应用阶段的操作流程如下：

步骤1，每次重新启动X光探测器，均先执行这一步骤，即关闭X光射线源，获得无X光照射条件 下的X光探测器的输出值A_i，其中i表示X光探测器的第i个像元；

步骤2，打开X光射线源，在设定的X光射线源强度下，获得此时X光探测器的输出值C_i，其中i 表示X光探测器的第i个像元；

步骤3，通过如下公式

$D_i=\left(\begin{array}{cc}0& C_i\le A_i\\ {G_i}^{\prime }\times (C_i-A_i)& C_i>A_i\end{array}\right)$

得到校正后的输出值D_i，其中i表示X光探测器的第i个像元。

发明内容

本发明的目的在于提出一种基于FPGA的钢丝绳芯输送带X光探测器采集控制与信号处理装置，对输 送带钢丝绳芯进行快速、实时、准确的在线监测，并提高X光探测器集成度，降低多处理器协同工作的难 度和复杂度，有效降低电路板面积与装置成本。

本发明的技术方案：

一种基于FPGA的钢丝绳芯输送带X光探测器采集控制与信号处理装置，其特征在于：所述采集控制 与信号处理装置包括指令响应与核心调度模块、光电转换控制模块、信号采集控制模块、帧格式整理模块、 帧平均模块、Flash读写控制模块、数据校正与均匀化处理模块、数据缓存模块以及总线时序变换模块：

指令响应与核心调度模块实现对ARM所给指令进行识别、翻译并指挥FPGA进行动作响应；

光电转换控制模块实现对光电转换装置的时序控制，从而将X光信号转化为电信号；

信号采集控制模块实现对信号采集装置的时序控制，从而对光电转换信号进行采集；

帧格式整理模块实现将采集到的N路并行数据整理为符合一帧顺序格式的串行数据，N为正整数；

帧平均模块实现对K帧数据计算平均值，以消除噪声影响，得到准确的校正系数，K为正整数；

Flash读写控制模块实现对校正系数、光电转换器数量及增益值的存储与读取；

数据校正与均匀化处理模块实现对由皮带弧度与光电转换像元非一致性造成的数据偏差进行补偿；

数据缓存模块实现对采集数据与校正数据的缓冲与暂存，以便输出到ARM；

总线时序变换模块实现FPGA与ARM的总线匹配与数据交互。

本发明的有益效果：

本发明基于FPGA实现钢丝绳芯输送带X光探测器中的采集控制与信号处理装置，有利于对输送带钢 丝绳芯进行快速、实时、准确的在线监测。基于一片FPGA实现对X光探测器各部分的控制及所有信号处 理算法，使整个探测器具有较高的集成度与较低的复杂度。

附图说明

图1是输送带钢丝绳芯X光在线监测装置组成框图

图2是X光信号处理方法的整体操作流程图

图3是信号采集模块的结构框图

图4是信号处理传输模块的结构框图

图5是基于FPGA实现的采集控制与信号处理装置的原理框图

图6是利用该装置实现的输送带钢丝绳芯X光在线监测图像

具体实施方式

以下结合附图和通过实施例对本发明的具体实施方式作进一步说明：

本发明研制开发了一种基于FPGA的钢丝绳芯输送带X光探测器采集控制与信号处理装置，其特征在 于：所述采集控制与信号处理装置包括指令响应与核心调度模块、光电转换控制模块、信号采集控制模块、 帧格式整理模块、帧平均模块、Flash读写控制模块、数据校正与均匀化处理模块、数据缓存模块以及总 线时序变换模块：

指令响应与核心调度模块实现对ARM所给指令进行识别、翻译并指挥FPGA进行动作响应；

光电转换控制模块实现对光电转换装置的时序控制，从而将X光信号转化为电信号；

信号采集控制模块实现对信号采集装置的时序控制，从而对光电转换信号进行采集；

帧格式整理模块实现将采集到的N路并行数据整理为符合一帧顺序格式的串行数据，N为正整数；

帧平均模块实现对K帧数据计算平均值，以消除噪声影响，得到准确的校正系数，K为正整数；

Flash读写控制模块实现对校正系数、光电转换器数量及增益值的存储与读取；

数据校正与均匀化处理模块实现对由皮带弧度与光电转换像元非一致性造成的数据偏差进行补偿；

数据缓存模块实现对采集数据与校正数据的缓冲与暂存，以便输出到ARM；

总线时序变换模块实现FPGA与ARM的总线匹配与数据交互。

所述指令响应与核心调度模块利用Case语句通过实时判断8位指令信号电平实现共9种外部指令响 应与动作调度操作，包括：

收到8比特指令字节“00000000”，则不执行任何动作，采集控制与信号处理装置处于复位状态；

收到8比特指令字节的低3位为“000”，且高5位非全零，则将高5位数值作为光电转换器的数量值存 入Flash，并初始化光电转换器数量变量，操作完毕输出动作执行完毕确认脉冲；

收到8比特指令字节的低3位为“001”，则将高5位数值作为光电转换器的增益值存入Flash，并初始 化光电转换器增益变量，操作完毕输出动作执行完毕确认脉冲；

收到8比特指令字节“00000010”，则将格式整理及取平均后的一帧采样数据作为关光校正系数存入 Flash，操作完毕输出动作执行完毕确认脉冲；

收到8比特指令字节“00000011”，则将格式整理及取平均后的一帧采样数据作为开光校正系数存入 Flash，操作完毕输出动作执行完毕确认脉冲；

收到8比特指令字节“00000100”，则读取Flash中的光电转换器数量值、增益值、一帧开光校正系数 和一帧关光校正系数，初始化光电转换器数量变量、增益变量，将开关光校正系数存入缓存区并利用其对 格式整理后的采样数据进行校正及均匀化处理，并将处理后的数据存入发送缓存区，每存完一帧输出一个 触发ARM读取的触发脉冲；

收到8比特指令字节“00000101”，则停止所有工作，复位采集控制与信号处理装置，操作完毕输出动 作执行完毕确认脉冲；

收到8比特指令字节“00000110”，则先后读取Flash中的一帧关光校正系数和一帧开光校正系数，存 入发送缓存区，每存完一帧输出一个触发ARM读取的触发脉冲；

收到8比特指令字节“00000111”，则读取Flash中的光电转换器数量值、增益值，初始化光电转换器 数量变量、增益变量，将格式整理后的采样数据存入发送缓存区，每存完一帧输出一个触发ARM读取的 触发脉冲。

所述帧格式整理模块包括并串变换、写地址发生器、双口RAM、读地址发生器四部分：

并串变换实现将采集到的N路并行数据变为一路串行数据；

双口RAM作为帧格式整理的缓存区；

写地址发生器实现将非一帧顺序格式的数据存入双口RAM；

读地址发生器实现将数据按照一帧顺序格式从双口RAM读出。

所述帧平均模块包括加法器、写地址发生器、双口RAM、读地址发生器四部分：

加法器实现将输入的当前帧数据与从双口RAM中读出的累加结果进行加法运算；

双口RAM作为累加结果的缓存区；

写地址发生器实现将本次加法运算结果存入双口RAM；

读地址发生器实现将累加结果从双口RAM读出。

所述数据校正与均匀化处理模块包括减法器、乘法器、除法器三部分：

减法器实现采集数据与关光校正系数的减法运算，以及开光校正系数与关光校正系数的减法运算；

乘法器实现采集数据与关光校正系数相减结果与归一化常数的乘法运算；

除法器实现乘法器输出结果与开关光校正系数相减结果的除法运算。

所述数据缓存模块选用双口RAM。

实施例

将本发明一种基于FPGA的钢丝绳芯输送带X光探测器采集控制与信号处理装置应用于包含4组光电 转换器的输送带钢丝绳芯X光探测器中。

图3所示为探测器中信号采集模块的结构框图。光电转换模块包含4组光电转换板，每组光电转换板 通过串联方式连接4块(最多8块)光电转换板，产生1路串行电信号；4组光电转换板产生的4路串行 电信号同时送入信号采集模块后进行放大、滤波和A/D转换，提高信号采集速率。信号调理电路由射级跟 随器、差分转单端电路和差分放大器组成；A/D转换电路采用TI公司的AD7667芯片，以16位串行数据 格式输出数字信号给信号处理传输模块，采样速率为4MSPS。

图4所示为信号处理传输模块的结构框图。信号处理传输模块主要由FPGA、ARM9和以太网接口等 电路组成。FPGA电路实现信号采集、A/D转换、去噪、校验和均匀化处理等采集控制与信号处理功能。 ARM电路实现对FPGA输出数据的接收、中转，并通过以太网传输给计算机(PC机)。

FPGA与ARM之间的信号具体包括：12位地址线、16位数据线、3个读取双口RAM的控制信号hclk、 noe、ncs、1个触发ARM读取双口RAM的中断信号end_for_arm、8个指令信号线(规定将上位机发给 ARM的指令封装在IP数据包体的第一个8比特字节里，低3位表示指令，高5位表示指令对应的数据， ARM将此命令转发给FPGA，由FPGA执行相应动作)、1个confirm_flag中断信号(每个动作执行完后， 给ARM此信号，触发ARM向上位机返回一个确认值)。

图5所示为基于FPGA实现的采集控制与信号处理装置的原理框图。在该实施例中，帧格式整理模块 将4路并行采集数据转换为一路串行数据，即N为4；在帧平均模块中，通过权衡去噪性能与实现复杂度， 将计算平均的帧数K取值选为256，即对采集进来的连续256帧数据计算平均作为开光和关光校正系数； 在数据校正与均匀化处理模块中，归一化常数选为255×80％。

图6所示为基于本发明实现的输送带钢丝绳芯X光在线监测图像。可以看到，使用本发明基于FPGA 实现的采集控制与信号处理装置，得到了高质量的输送带钢丝绳芯X光探测图像，说明利用本发明可以对 输送带钢丝绳芯进行快速、实时、准确的在线监测。