CN118960862A - 一种管道变形、漏磁、惯导集成数据采集装置及处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种管道变形、漏磁、惯导集成数据采集装置及处理方法，涉及数据采集技术领域。其技术方案要点是：包括数据检测模块、数据预处理模块、数据采集模块；所述数据检测模块用于获得管道内部的变形数据、漏磁数据与惯导数据；所述数据预处理模块将数据检测模块得到的变形数据、漏磁数据与惯导数据进行模‑数转换及按通道分配所有数据，将变形数据、漏磁数据、惯导数据按顺序传输给数据采集模块；所述数据采集模块将预处理后的变形数据、漏磁数据、惯导数据按照相应的通信协议进行接收、处理、保存。本发明的目的在于提供一种管道变形、漏磁、惯导集成数据采集装置及处理方法。

Description

一种管道变形、漏磁、惯导集成数据采集装置及处理方法

技术领域

本发明涉及数据采集技术领域，更具体地说，它涉及一种管道变形、漏磁、惯导集成数据采集装置及处理方法。

背景技术

在油气管道的生产与使用过程中，需要对其内部的情况进行检测，以保证管道的正常使用，现有技术活中油气管道内的检测器，如几何变形、漏磁、惯导等设备，通常是独立工作的，每种设备都有独立的数据采集系统，变形、漏磁、惯导等设备时工作时，相应的采集系统需要同时加入进行同步工作。

在实际应用中，某一管道需要同时开展变形、漏磁、惯导等内检测器检测作业，此时需要将多个独立的内检测器组合起来使用，多个传感器检测装置和多个数据采集装置在同时应用过程中存在诸多困难。比如庞大的检测装置会增加收、发球作业难度，对收、发球筒进行改造以满足收、发球要求；多个采集装置会让设备调试及读取数据变得繁琐，需要单独下载每台检测器采集的数据；采用较多的连接装置会造成运行过程中不稳定因素增多，甚至造成卡堵，检测难度较大。

因此亟需一种新的技术方案来解决上述技术问题。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种管道变形、漏磁、惯导集成数据采集装置及处理方法。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种管道变形、漏磁、惯导集成数据采集装置，包括数据检测模块、数据预处理模块、数据采集模块；

所述数据检测模块用于获得管道内部的变形数据、漏磁数据与惯导数据；

所述数据预处理模块将数据检测模块得到的变形数据、漏磁数据与惯导数据进行进行模-数转换及按通道分配所有数据，将变形数据、漏磁数据、惯导数据按顺序传输给数据采集模块；

所述数据采集模块将预处理后的变形数据、漏磁数据、惯导数据按照相应的通信协议进行接收、处理、保存。

本发明进一步设置为：所述数据检测模块包括若干变形传感器、若干漏磁传感器与惯导传感器，用于检测管道内部的多路变形数据、多路漏磁数据与惯导数据。

本发明进一步设置为：所述数据预处理模块包括模数转换单元块与通道分配单元，用于将数据进行模-数转换，再通过通道分配单元按通道分配所有数据，将变形数据、漏磁数据、惯导数据按顺序传输给数据采集模块。

本发明进一步设置为：所述数据采集模块包括FPGA处理单元、MCU控制单元、数据存储单元。

本发明进一步设置为：所述FPGA处理单元根据相应通信协议接收变形数据、漏磁数据、惯导数据，按位处理所有数据后最终以位宽为16位数据在FPGA内部和MCU之间传输。

本发明进一步设置为：所述FPGA处理单元IIC通信协议接收变形数据、漏磁数据，通过RS-422通信协议接受惯导数据。

本发明进一步设置为：还包括有上位机，所述MCU控制单元用于将数据按顺序排列输出上位机和数据存储单元。

本发明进一步设置为：所述数据存储单元用于存储处理后的变形、漏磁、惯导数据，根据实际情况合理安排存储单元的大小。

一种数据采集装置的数据处理方法，包括如下步骤：

1)变形传感器通过模数转换单元分配给FPGA处理单元的IO引脚，每个IO引脚最多驱动32个变形传感器；

2)变形数据处理完成后以16bit数据存在，临时在片上RAM中缓存，并给出对应的地址说明；

3)漏磁传感器经信号增强后分配给FPGA处理单元的IO引脚，每个漏磁传感器占用一个IO引脚；

4)漏磁数据处理完成后以16bit数据存在，临时在片上RAM中缓存，并给出对应的地址说明；

5)原始惯导信号为遵循RS422通信协议的双路差分信号，先经过差分器处理为单路信号，然后分配给FPGA的IO引脚；

6)惯导数据处理完成后以16bit数据存在，临时在片上RAM中缓存，并给出对应的地址说明；

7)等数据缓存结束后发送给MCU控制单元，如果采集装置工作在运行模式将数据保存在存储单元，如果采集装置工作在调试模式将数据向外发送；

8)存储单元通过USB线与外部设备进行连接；

9)调试模式下数据通过串口模块发送给上位机。

本发明具有以下有益效果：通过将变形、漏磁、惯导三种类型的传感器集成与一个数据采集装置内，能够同时进行变形、漏磁、惯导等多种类型数据的处理与采集，并通过数据采集模块同时进行数据采集，有效提升了检测效率，降低了检测难度，节省了检测成本。

附图说明

图1为本实施例的整体结构示意框图；

图2为本实施例的整体连接结构示意图；

图3为本实施数据在FPGA中的处理流程示意图；

图4为本实施例的数据处理传输示意图；

图5为本实施例的工作流程示意图。

附图说明：1、数据检测模块；101、变形传感器；102、漏磁传感器；103、惯导传感器；2、数据预处理模块；201、模数转换单元；202、通道分配单元；3、数据采集模块；301、FPGA处理单元；302、MCU控制单元；303、数据存储单元；4、上位机。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

其中相同的零部件用相同的附图标记表示。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“底面”和“顶面”、“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。

具体实施例1：

如图1与图2所示，一种管道变形、漏磁、惯导集成数据采集装置，包括数据检测模块1、数据预处理模块2、数据采集模块3与稳定电压模块，稳定电压模块支持9~30v的直流电压输入，5v电压输出，根据需要放置多种电源芯片从5v降压到3.3v、2.5v、1.2v给芯片供电，FPGA处理单元和MCU吹单元分别配备50MHZ和25MHz的高精度晶振，在FPGA处理单元内部通过PLL模块倍频到100MHz。

数据检测模块1包括若干变形传感器101、若干漏磁传感器102与惯导传感器103，用于检测管道内部的多路变形数据、多路漏磁数据与惯导数据。通过将变形、漏磁、惯导三种类型的传感器集成于一个数据采集装置内，能够同时进行变形、漏磁、惯导等多种类型数据的处理与采集，并通过数据检测模块与数据采集模块同时对多项数据进行数据采集，有效提升了检测效率，降低了检测难度，节省了检测成本。

变形传感器101、若干漏磁传感器102与惯导传感器103分别通过信号线电信号连接于数据预处理模块2，并通过电线连接于稳定电压模块，以对变形传感器101、若干漏磁传感器102与惯导传感器103进行单独供电。

数据预处理模块2包括模数转换单元201与通道分配单元202，模数转换单元201通过将数据进行模-数转换，再通过通道分配单元202按通道分配所有数据，将变形数据、漏磁数据、惯导数据按顺序传输给数据采集模块3。

数据采集模块3将预处理后的数据按照相应的通信协议进行接收、处理、保存，数据采集模块3包括FPGA处理单元301、MCU控制单元302、数据存储单元303，通道选择单元将发送的变形数据、漏磁数据、惯导数据按通道划分，输入给FPGA处理单元301，FPGA处理单元301将接收到的变形数据、漏磁数据、惯导数据等数字信号按位处理，最终以2字节（16位）形式输出给MCU控制单元302，MCU控制单元302将接收到的数据按照先后顺序保存在数据存储单元303，数据存储单元303用于存储变形、漏磁、惯导等传感器数。

FPGA处理单元301根据相应通信协议接收变形数据、漏磁数据、惯导数据，按位处理所有数据后最终以位宽为16位数据在FPGA内部和MCU之间传输，FPGA处理单元301通过IIC通信协议接收变形数据、漏磁数据，通过RS-422通信协议接受惯导数据。

还包括有上位机4，MCU控制单元（其具体为MCU芯片，以下简称MCU）302用于将数据按顺序排列输出上位机和数据存储单元303。数据存储单元303用于存储处理后的变形数据、漏磁数据、惯导数据，根据实际情况合理安排存储单元的大小。

如图2与图3所示，变形数据、漏磁数据与惯导数据在预处理模块进行初步处理后，发送到FPGA处理单元（其具体为FPGA芯片，以下简称FPGA）进行综合处理，该装置设计有2种工作模式，分别是在线实时输出模式和离线数据存储模式，这两种模式由外部开关控制，根据选择的模式，MCU将数据通过串口芯片实时输出或者将数据保存到存储单元，通过串口芯片实时输出的数据发送给上位机4，解析数据，后可直观显示传感器检测的数据或者观察传感器是否正常工作。

除上述三种传感器数据外，集成数据采集装置内部还集成了温度、时间、探头方位传感器，辅助数据处理。

FPGA作为数据综合处理中心，负责接收变形、漏磁、惯导数据，输入的变形数据用CLP_DATA表示，输入的漏磁数据用MFL_DAT表示，输入的惯导数据用IMU_DATA表示；FPGA内部分为三个独立模块，每个模块负责在接收、处理一种类型的数据，每一次输入的所有数据处理完成之后统一放到片上RAM进行缓存。

处理变形传感器数据的模数转换模块位宽为12位，32路选通开关控制32个变形探头，每个选通开关占用FPGA的一个I/O引脚，通过此I/O引脚将变形传感器的数据发送到FPGA进行处理，为加快传输速度和提高存储效率，FPGA处理此部分数据时按位接收后拼接成16位，传感器原始输入信号为CLP_DATA，每个传感器分配的地址为CLP_ADDR，确保数据易于控制和传输，最终数据寄存在RX_OVERDATA。

处理漏磁传感器数据，每个漏磁传感器102包含多个三轴霍尔元件及涡流线圈，数据量较大，每8个漏磁传感器经过缓冲驱动后，将8路输出信号连接至FPGA的8个I/O引脚，漏磁传感器发送的数据格式为“帧头+有效数据”，FPGA在接收到的数据中先判断帧头是否包含在内，读到帧头后开始缓存有效数据并进行处理，与变形数据一样，漏磁传感器与FPGA之间按照IIC协议进行通信，漏磁传感器每次发送的有效数据为8位，本设计中一个时钟周期内传输1bit数据，为加快传输速率，先将数据从1bit位宽数据转换成8bit位宽，然后处理成16位的数据在FPGA内部与MCU之间传输，原始输入信号为MFL_DATA，每个传感器的数据分配相应的地址信号MFL_ADDR，确保数据易于控制和传输，最终数据寄存在RX_OVERDATA；

处理惯导传感器数据，惯导传感器采用捷联式惯导系统中的微机电系统（Micro-Electro-MechanicalSystem，MEMS），其传输数据时遵循RS-422协议，差分四线接口，支持全双工、差分传输，采用单独的发送和接收通道，因此在设计数据接收模块时不必控制数据方向，陀螺仪与数据采集模块3之间进行通信时，采集模块只需要接收来自陀螺仪的数据即可，不需要发送数据给陀螺仪，因此在采集的陀螺仪数据时按照已知的波特率依次读取即可，波特率为1Mbits，1个开始位，8个数据位，1个停止位，每次发送40bytes的数据，其中有效数据为36bytes，包括角速度分量X、Y、Z，每个分量2bytes，线性加速度分量X、Y、Z，每个分量2bytes，角度增量X、Y、Z，每个分量4bytes，速度增量X、Y、Z，每个分量4bytes，占用1个I/O引脚输送到FPGA芯片，惯导传感器发送的原始数据为IMU_DATA，分配的相应地址为IMU_ADDR，本设计中一个时钟周期内传输1bit数据，为了提高在FPGA内部的传输效率，先将数据从1bit位宽数据转换成8bit位宽，然后将8bit的数据转换成16bit的数据在FPGA内部处理以及外部存储，先输入的8bit数据作为高8位，后输入的8bit数据作为低8位，拼接成16位后再进行采样处理和存储，最终数据寄存在RX_OVERDATA。

FPGA接收的每一个传感器数据都有唯一的地址对应，根据传感器的数量从0开始计数，一直计数到最后一个传感器数据，按照计数顺序传输、存储数据。采集到的数据在FPGA内部缓存到设计要求后发送给MCU，根据选择的模式，MCU将数据向外发送或者保存在存储单元。

集成数据采集系统的采样率根据实际情况灵活设置，采样率可设置为500Hz、1KHz和2KHz，采样率可根据外置开关设定，增加了不同场景下应用的灵活性；

如图4所示，是数据处理、传输流程示意图，变形、漏磁、惯导传感器根据相应协议将数据发送到继承数据采集系统，其数据在FPGA内部进行处理，由1bit位宽的数据处理成16bit位宽，在片上缓存结束之后将数据发送到MCU，根据选择的模式将数据向外发送或者保存在存储单元，存储单元设置了USB读写接口，通过USB线可将保存在本地的数据读取出来。

如图5所示，是该装置上电之后的工作流程图，集成数据采集装置上电启动之后，会有2s的延时设置，目的是等待传感器数据与采集装置处于稳定状态后再进入工作状态，根据设定的采样率（以1KHz采样为例）进行计时，间隔1ms采样，变形、漏磁、惯导数据虽然同时发送到FPGA，但在处理、存储数据时按照先是变形传感器的数据，再是漏磁传感器的数据，最后是惯导传感器的数据，这样的先后顺序进行，一次采集之后进行缓存，缓存的数据达到设定值之后发送给MCU，没有达到设定值则继续在片上缓存数据，同时进入1ms计时，为下一次采集做准备，MCU在接收到数据之后，根据选择的模式将数据通过串口输出或者将数据保存在存储单元，直至该装置断电，系统停止工作。

具体实施例2：

一种管道数据采集装置的数据处理方法，数据处理方法包括如下步骤：

1)变形传感器通过模数转换单元分配给FPGA处理单元的IO引脚，每个IO引脚最多驱动32个变形传感器；

2)变形数据处理完成后以16bit数据存在，临时在片上RAM中缓存，并给出对应的地址说明；

3)漏磁传感器经信号增强后分配给FPGA处理单元的IO引脚，每个漏磁传感器占用一个IO引脚；

4)漏磁数据处理完成后以16bit数据存在，临时在片上RAM中缓存，并给出对应的地址说明；

5)原始惯导信号为遵循RS422通信协议的双路差分信号，先经过差分器处理为单路信号，然后分配给FPGA的IO引脚；

6)惯导数据处理完成后以16bit数据存在，临时在片上RAM中缓存，并给出对应的地址说明；

7)等数据缓存结束后发送给MCU控制单元，如果采集装置工作在运行模式将数据保存在存储单元，如果采集装置工作在调试模式将数据向外发送；

8)存储单元通过USB线与外部设备进行连接；

9)调试模式下数据通过串口模块发送给上位机。

具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (9)

1.一种管道变形、漏磁、惯导集成数据采集装置，其特征在于：包括数据检测模块（1）、数据预处理模块（2）、数据采集模块（3）；

所述数据检测模块（1）用于获得管道内部的变形数据、漏磁数据与惯导数据；

所述数据预处理模块（2）将数据检测模块（1）得到的变形数据、漏磁数据与惯导数据进行模-数转换后，按通道分配所有数据并将变形数据、漏磁数据、惯导数据按顺序传输给数据采集模块（3）；

所述数据采集模块（3）将预处理后的变形数据、漏磁数据、惯导数据按照相应的通信协议进行接收、处理、保存。

2.根据权利要求1所述的一种管道变形、漏磁、惯导集成数据采集装置，其特征在于：所述数据检测模块（1）包括若干变形传感器（101）、若干漏磁传感器（102）与惯导传感器（103），用于检测管道内部的多路变形数据、多路漏磁数据与惯导数据。

3.根据权利要求1所述的一种管道变形、漏磁、惯导集成数据采集装置，其特征在于：所述数据预处理模块（2）包括模数转换单元（201）与通道分配单元（202），通过模数转换单元（201）将数据进行模-数转换，再通过通道分配单元按通道分配所有数据，将变形数据、漏磁数据、惯导数据按顺序传输给数据采集模块（3）。

4.根据权利要求1所述的一种管道变形、漏磁、惯导集成数据采集装置，其特征在于：所述数据采集模块（3）包括FPGA处理单元（301）、MCU控制单元（302）、数据存储单元（303）。

5.根据权利要求4所述的一种管道变形、漏磁、惯导集成数据采集装置，其特征在于：所述FPGA处理单元（301）根据相应通信协议接收变形数据、漏磁数据、惯导数据，按位处理所有数据后最终以位宽为16位数据在FPGA内部和MCU之间传输。

6.根据权利要求5所述的一种管道变形、漏磁、惯导集成数据采集装置，其特征在于：所述FPGA处理单元（301）通过IIC通信协议接收变形数据、漏磁数据，通过RS-422通信协议接受惯导数据。

7.根据权利要求6所述的一种管道变形、漏磁、惯导集成数据采集装置，其特征在于：还包括有上位机（4），所述MCU控制单元（302）用于将数据按顺序排列输出上位机（4）和数据存储单元（303）。

8.根据权利要求7所述的一种管道变形、漏磁、惯导集成数据采集装置，其特征在于：所述数据存储单元（303）用于存储处理后的变形、漏磁、惯导数据，根据实际情况合理安排存储单元的大小。

9.一种应用于权利要求1-8中任意一种数据采集装置的数据处理方法，其特征在于，所述数据处理方法包括如下步骤：

1)变形传感器通过模数转换单元分配给FPGA处理单元（301）的IO引脚，每个IO引脚最多驱动32个变形传感器；

2)变形数据处理完成后以16bit数据存在，临时在片上RAM中缓存，并给出对应的地址说明；

3)漏磁传感器经信号增强后分配给FPGA处理单元（301）的IO引脚，每个漏磁传感器占用一个IO引脚；

4)漏磁数据处理完成后以16bit数据存在，临时在片上RAM中缓存，并给出对应的地址说明；

5)原始惯导信号为遵循RS422通信协议的双路差分信号，先经过差分器处理为单路信号，然后分配给FPGA的IO引脚；

6)惯导数据处理完成后以16bit数据存在，临时在片上RAM中缓存，并给出对应的地址说明；

7)等数据缓存结束后发送给MCU控制单元（302），如果采集装置工作在运行模式将数据保存在存储单元，如果采集装置工作在调试模式将数据向外发送；

8)存储单元通过USB线与外部设备进行连接；

9)调试模式下数据通过串口模块发送给上位机。