管道漏磁检测数据实时处理技术的研究

论文摘要

漏磁检测是长距离油气输送管道进行在线检测的主要方法。应用管道漏磁在线检测装置可以及时检测出管道的缺陷,预防管道泄漏事故的发生。由于检测装置运行于管道之中,因此需要有实时的数据采集与存储系统。本文结合SOPC嵌入式开发技术,开发了基于FPGA(Field Programmable Gate Array,现场可编程门阵列)的嵌入式NiosⅡ系统,用于实现管道漏磁检测数据的实时采集、压缩与存储。论文首先分析了将FPGA与处理器相结合应用于漏磁检测系统中的不足,提出了一种新型的以NiosⅡ软核处理器为核心的系统设计方案,设计了基于单片FPGA的NiosⅡ硬件系统。接着研究了小波变换理论以及SPIHT压缩算法,实现了提升小波变换与SPIHT编码算法相结合的管道漏磁数据的编码方案。最后基于NiosⅡ硬件平台嵌入uClinux操作系统,开发了基于uClinux的采集设备驱动程序,并应用多线程技术实现了系统应用软件完成漏磁数据的采集、压缩与存储。针对系统设计实现的各功能模块,分别给出了验证方法及结果。实验表明:各功能模块运行稳定、性能良好,可以应用于管道漏磁检测设备中。本系统具有如下特点:利用SOPC技术的优势,能够根据系统需求随时增减设备组件,自由的进行软硬协同设计;利用FPGA控制数据采集模块,提高了系统的运算能力和可靠性,同时为支持多路数据采集提供了保障;uClinux操作系统的使用提高了前端数据的采集精度,简化了FPGA与外围设备的通信,进一步缩短了开发周期,降低了开发成本。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 背景及意义
• 1.2 管道在线检测技术的基本方法
• 1.3 国内外管道漏磁检测技术发展状况
• 1.4 管道漏磁检测系统介绍
• 1.4.1 漏磁检测原理
• 1.4.2 管道漏磁在线检测系统的基本结构
• 1.5 主要研究内容及论文安排
• 第二章 系统整体设计
• 2.1 系统设计方案
• 2.2 系统层次划分
• 2.3 系统工作流程
• 2.4 本章小结
• 第三章 基于Nios Ⅱ处理器的SOPC开发
• 3.1 SOPC技术概述
• 3.2 SOPC系统开发平台
• 3.2.1 Cyclone Ⅱ系列FPGA
• 3.2.2 Nios Ⅱ软核处理器
• 3.3 SOPC系统开发环境
• 3.3.1 硬件开发环境
• 3.3.2 软件开发环境
• 3.4 基于Nios Ⅱ的SOPC系统开发流程
• 3.4.1 基于Nios Ⅱ的SOPC硬件系统开发流程
• 3.4.2 基于Nios Ⅱ的SOPC软件系统开发流程
• 3.5 硬件描述语言简介
• 3.6 本章小结
• 第四章 图像数据无损压缩的研究
• 4.1 压缩编码的分类
• 4.1.1 “第一代”图像编码
• 4.1.2 “第二代”图像编码
• 4.1.3 过渡编码
• 4.2 小波变换及提升格式
• 4.2.1 小波变换的基本理论
• 4.2.2 小波变换的提升格式
• 4.3 基于小波变换的EZW编码算法
• 4.3.1 EZW编码算法原理
• 4.3.2 EZW编码算法分析
• 4.4 基于小波变换的SPIHT编码算法
• 4.4.1 SPIHT编码算法
• 4.4.2 改进的SPIHT编码算法
• 4.5 漏磁图像无损压缩方案
• 4.6 本章小结
• 第五章 系统硬件分析与设计
• 5.1 数据采集模块设计
• 5.1.1 AD控制子模块
• 5.1.2 FIFO缓存子模块
• 5.1.3 数据采集模块的工作流程
• 5.2 存储模块设计
• 5.2.1 CF卡简介
• 5.2.2 CF卡的电路设计
• 5.3 基于FPGA的Nios Ⅱ硬件系统设计
• 5.3.1 创建Quartus Ⅱ工程
• PLL子模块'>5.3.2 创建SDRAM_PLL子模块
• 5.3.3 创建Nios Ⅱ系统模块
• 5.3.4 创建Quartus Ⅱ工程的顶层模块
• 5.4 编译硬件系统
• 5.5 下载配置文件
• 5.6 本章小结
• 第六章 系统软件分析与设计
• 6.1 移植uClinux操作系统
• 6.1.1 配置内核
• 6.1.2 建立根文件系统
• 6.2 驱动程序设计
• 6.3 应用程序设计
• 6.3.1 采集线程
• 6.3.2 数据处理线程
• 6.4 本章小结
• 第七章 系统测试
• 7.1 FPGA芯片测试
• 7.2 SDRAM测试
• 7.3 FLASH测试
• 7.4 AD测试
• 7.5 CF卡存储实验
• 7.6 本章小结
• 第八章 结论
• 参考文献
• 附录A 管道在线检测系统电路原理图
• 附录B AD控制模块代码
• 附录C AD测试程序
• 在学研究成果
• 致谢