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CN120406840A - 一种基于zynq的管道电磁内检测数据高速存储方法 - Google Patents

一种基于zynq的管道电磁内检测数据高速存储方法

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Publication number
CN120406840A
CN120406840A CN202510490153.7A CN202510490153A CN120406840A CN 120406840 A CN120406840 A CN 120406840A CN 202510490153 A CN202510490153 A CN 202510490153A CN 120406840 A CN120406840 A CN 120406840A
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CN
China
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data
zynq
bram
storage
detection data
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Pending
Application number
CN202510490153.7A
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English (en)
Inventor
郑文学
李佳音
张智
潘振镕
刘佳欣
孙向国
郭朋
杜明键
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Shenyang University of Technology
Original Assignee
Shenyang University of Technology
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Publication date
Application filed by Shenyang University of Technology filed Critical Shenyang University of Technology
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Abstract

本发明提供一种基于ZYNQ的管道电磁内检测数据高速存储方法，涉及管道在线内检测技术领域。首先进行管道电磁内检测数据存储前的准备工作，然后对管道电磁内检测数据进行采集；将PL端分布式RAM中的数据通过BRAM缓冲传输给PS端全局/静态存储区static：PS端将全局/静态存储区static中的数据存储到存储卡中，直至检测完成；读取存储至文件中的管道电磁内检测数据。

Description

一种基于ZYNQ的管道电磁内检测数据高速存储方法
技术领域
本发明涉及管道在线内检测技术领域，尤其涉及一种基于ZYNQ的管道电磁内检测数据高速存储方法。
背景技术
管道内检测技术是识别管道缺陷最有效的方法之一。该技术以管道内检测器为核心执行单元，检测器配备无损检测传感器、信号处理系统以及数据采集与存储装置，并借助管道内输送介质的压力差驱动前进，从而在管道内部完成检测。由于电磁无损检测传感器因其无需耦合剂且检测灵敏度高的特点，成为管道内检测领域中用于识别裂纹等微小缺陷的常用手段。在管道检测过程中，检测设备需要持续完成数千公里的长距离连续检测任务，整个检测过程往往持续数周甚至更长时间。为了准确地获取管道以及检测设备的状态，管道内检测器通常采用多通道采集数据，集成了加速度计，陀螺仪等多种传感器。这些传感器在长时间的检测过程中会产生大量的检测数据，并且在管道内检测时检测设备无法与外界通信，只能在线采集并存储后进行离线处理。为保证数据快速、完整的记录，需要设计一种高速存储方案，为后续管道的评估提供准确的数据。
目前常用的存储方式常采用DDR、BRAM缓存方案或者单SRAM双缓冲交替读写的方法，前者批量转存需等待缓存全部被读出后才能重新缓存新的数据，在高速连续存储的情况下极容易造成数据的丢失，后者因SRAM存储容量较小，不适合单批次大容量的缓冲读写操作。且外挂SSD等方案存在抗震耐温性不足、功耗高等问题。
ZYNQ是一个可扩展处理平台，是由一个双核的ARM构成的处理系统PS和一个FPGA可编程逻辑部分PL构成。ZYNQ既结合了FPGA并行计算的灵活性，又能够满足复杂嵌入式系统高性能、低功耗的多核处理能力要求，对管道电磁内检测的数据存储具有极好的适用性。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种基于ZYNQ的管道电磁内检测数据高速存储方法；本方法采用全片内缓存机制，通过在PL端与PS端之间构建基于BRAM的双缓冲架构实现数据连续存储，显著降低系统功耗。同时，在PS端集成Windows兼容的文件系统，实现采集完成后存储介质可直接接入PC设备读取，免去通过串口等方式长时间读取检测数据的过程。
本发明所采取的技术方案如下：
一种基于ZYNQ的管道电磁内检测数据高速存储方法，包括以下步骤：
步骤1：进行管道电磁内检测数据存储前的准备工作；
步骤1.1：在管道检测工作开始前，在存储卡建立存储文件i.txt，其中i＝1,2,3,4…n，n为存储文件总数；
步骤1.2：定义串行外围设备接口SPI的通信时序、数据帧结构以及控制信号；
步骤1.3：配置电磁内检测数据传输的通信模式，选择在上升沿或下降沿对电磁内检测数据进行采样；
步骤1.4：通过调用文件系统库中的挂载函数挂载存储卡；
步骤2：对管道电磁内检测数据进行采集；
利用串行外围设备接口SPI的协议通过ZYNQ的任意I/O端口将在管道电磁内检测系统中传感器持续工作所采集到的数据持续传输进ZYNQ的分布式RAM中；
步骤3：将PL端分布式RAM中的数据通过BRAM缓冲传输给PS端全局/静态存储区static；
步骤3.1：在编译环境中添加两个用于连接AXI总线和BRAM的IP核，并连接到两个用于生成BRAM的IP核；给两块BRAM分配不同的地址范围，将ZYNQ的BRAM划分为BRAM_A和BRAM_B两块不同的地址；
步骤3.2：设置时间t为数据流向时间参数，当t＝t1时，其中t1为管道电磁内检测数据开始发送的时间，将PL端分布式RAM中的检测数据写入到BRAM_A中；
步骤3.3：当t＝t2时，BRAM_A达到存储峰值，ZYNQ的PL端通过ZYNQ的专用中断通道向PS端发送中断信号irq，且开始将PL端的寄存器中的检测数据写入到BRAM_B中；
步骤3.4：当ZYNQ的PS端接收到PL端传来的中断信号irq时，PS通过ZYNQ的AXI总线将BRAM_A中的数据临时保存到PS端的全局/静态存储区static,在t＝t3时刻将数据保存完成；
步骤3.5：当t＝t4时刻，BRAM_B达到存储峰值，ZYNQ的PL端再次通过ZYNQ的专用中断通道向PS端发送中断信号irq，且开始将PL端分布式RAM中的数据写入到BRAM_A中；
步骤3.6：当ZYNQ的PS端接收到PL端传来的中断信号时，PS通过ZYNQ的AXI总线将BRAM_B中的检测数据临时保存到PS端的全局/静态存储区static，在t＝t5时刻将数据保存完成。
步骤4：PS端将全局/静态存储区static中的数据存储到存储卡中；
步骤4.1：PS端首先通过调用文件系统库中的用于挂载存储卡的函数挂载存储卡，通过打开文件函数打开存储文件i.txt；
步骤4.2：当t＝t3时刻，将PS端全局/静态存储区static中来自BRAM_A的数据存入存储文件i.txt中；
步骤4.3：当t＝t5时刻，将PS端全局/静态存储区static中来自BRAM_B的数据存入存储文件i.txt中；
步骤4.4：当t＝t6时刻，存储文件i.txt达到存储峰值时，通过关闭文件函数关闭存储文件i.txt，此时i＝i+1，再次使用打开文件函数打开文件i.txt继续存储；
步骤5：重复上述步骤3.2-步骤4，直到检测工作完成；
步骤6：读取存储至文件中的管道电磁内检测数据；
在管道电磁内检测工作完成后，将管道内检测设备中的高速存储模块通过USB接口与PC端连接读取数据。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：
本发明提供一种基于ZYNQ的管道电磁内检测数据高速存储方法，本方法采用了全片内单元缓存架构，使用能与Windows兼容的文件系统格式化存储卡，将存储卡模拟为U盘使用。该方法极大地降低了功耗，在管道检测设备携带有限电源储备的情况下，延长了管道电磁内检测设备的工作时间。同时在作为U盘使用时，可以实现即插即用，从而解决了管道检测中检测设备不能与外界通信以及离线检测完成后通过串口等慢速率方式传输数据的弊端。
附图说明
图1为本发明管道电磁内检测数据高速存储方法技术方案流程图；
图2为本发明实施例中管道电磁内检测数据高速存储方法流程图；
图3为本发明实施例中ZYNQ AXZ7020的W15端口电路图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
一种基于ZYNQ的管道电磁内检测数据高速存储方法，如图1所示，包括以下步骤：
步骤1：进行管道电磁内检测数据存储前的准备工作；
步骤1.1：在管道检测工作开始前，在存储卡建立存储文件i.txt，其中i＝1,2,3,4…n，n为存储文件总数。
本实施例中i＝1,2…30，n＝30；
步骤1.2：定义串行外围设备接口SPI的通信时序、数据帧结构以及控制信号；
所述数据帧结构包括帧头、数据段、校验位；所述控制信号包括片选CS等；
本实施例中采用三线式SPI接口，时钟信号SCLK在空闲状态保持高电平，每次传输256位数据，片选信号CS在整个256位传输期间保持高电平有效状态，确保数据传输的连续性。
步骤1.3：配置电磁内检测数据传输的通信模式，选择在上升沿或下降沿对电磁内检测数据进行采样；
本实施例中配置所有数据均在SCLK的下降沿进行采样；
步骤1.4：通过调用文件系统库中的挂载函数挂载存储卡；
步骤2：对管道电磁内检测数据进行采集；
利用串行外围设备接口SPI的协议通过ZYNQ的任意I/O端口将在管道电磁内检测系统中传感器持续工作所采集到的数据持续传输进ZYNQ的分布式RAM中。
本实施例中管道电磁内检测数据高速存储方法具体流程如图2所示，采集过程中利用SPI协议通过ZYNQ AXZ7020的W15端口将在管道电磁内检测系统中传感器持续工作所采集到的数据持续传输进ZYNQ的临时创建的数组CH_DATA中，ZYNQ AXZ7020的W15端口电路图如图3所示。
步骤3：将PL端分布式RAM中的数据通过BRAM缓冲传输给PS端全局/静态存储区static
本实施例中将PL端数组CH_DATA里的数据通过BRAM缓冲传输给PS端数组WriteDataFirst和WriteDataSecond中；
步骤3.1：在Vivado中添加两个AXI BRAM Controller，并连接到两个BlockMemory Generator。在Address Editor里分配不同的地址范围，将ZYNQ的BRAM划分成BRAM1(地址为40000000～4003FFFF)和BRAM2(地址为40040000～4007FFFF)两块。
步骤3.2：在系统运行某个时刻时，将PL端CH_DATA数组中的检测数据写入到BRAM1块中。
步骤3.3：当BRAM1块存储了200次数据时，ZYNQ的PL端通过ZYNQ的专用中断通道向PS端发送中断信号irq，且开始将PL端CH_DATA中的检测数据写入到BRAM2中。
步骤3.4：当ZYNQ的PS端接收到PL端传来的中断信号irq时，PS通过ZYNQ的AXI总线将BRAM1中的数据临时保存到PS端的WriteDataFirst数组中。
步骤3.5：当BRAM2块存储200次时，ZYNQ的PL端再次通过ZYNQ的专用中断通道向PS端发送中断信号irq，且开始将PL端CH_DATA数组中的数据写入到BRAM1中。
步骤3.6：当ZYNQ的PS端接收到PL端传来的中断信号时，PS通过ZYNQ的AXI总线将BRAM2块中的检测数据临时保存到PS端的WriteDataSecond数组中。
步骤4：PS端将数组WriteDataFirst和WriteDataSecond中的数据存储到SD卡中。
步骤4.1：PS端首先通过调用FAT32文件系统库中的f_mount函数挂载存储卡，通过f_open函数打开存储文件1.txt(此时，i＝1，当进行步骤5时，i为实际取值)。
步骤4.2：当PS端接收到PL端BRAM1存储200次产生的中断信号时，将PS端WriteDataFirst数组中的200次数据存入存储文件1.txt中。
步骤4.3：当PS端接收到PL端BRAM2存储200次产生的中断信号时，将PS端WriteDataSecond数组中的200次数据存入存储文件1.txt中。
步骤4.4：当文件1.txt被写入600次时，通过f_close函数关闭存储文件1.txt，i＝i+1,此时,i＝2，(当进行步骤5时，i为实际取值)，再次使用f_open函数打开文件2.txt继续存储。
步骤5：重复上述步骤3.2-步骤4，直到检测工作完成；
步骤6：读取存储至文件中的管道电磁内检测数据；
在管道电磁内检测工作完成后，将管道内检测设备中的高速存储模块通过USB接口与PC端连接读取数据。
以上描述仅为本公开的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本公开的实施例中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离上述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本公开的实施例中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (7)

1.一种基于ZYNQ的管道电磁内检测数据高速存储方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：进行管道电磁内检测数据存储前的准备工作；
步骤2：对管道电磁内检测数据进行采集；
步骤3：将PL端分布式RAM中的数据通过BRAM缓冲传输给PS端全局/静态存储区static；
步骤4：PS端将全局/静态存储区static中的数据存储到存储卡中；
步骤5：检测完成；
步骤6：读取存储至文件中的管道电磁内检测数据。
2.根据权利要求1中一种基于ZYNQ的管道电磁内检测数据高速存储方法，其特征在于，所述步骤1包括以下步骤：
步骤1.1：在管道检测工作开始前，在存储卡建立存储文件i.txt，其中i＝1,2,3,4…n，n为存储文件总数；
步骤1.2：定义串行外围设备接口SPI的通信时序、数据帧结构以及控制信号；
步骤1.3：配置电磁内检测数据传输的通信模式，选择在上升沿或下降沿对电磁内检测数据进行采样；
步骤1.4：通过调用文件系统库中的挂载函数挂载存储卡。
3.根据权利要求1中一种基于ZYNQ的管道电磁内检测数据高速存储方法，其特征在于，所述步骤2具体为：利用串行外围设备接口SPI的协议通过ZYNQ的任意I/O端口将在管道电磁内检测系统中传感器持续工作所采集到的数据持续传输进ZYNQ的分布式RAM中。
4.根据权利要求1中一种基于ZYNQ的管道电磁内检测数据高速存储方法，其特征在于，所述步骤3包括以下步骤：
步骤3.1：在编译环境中添加两个用于连接AXI总线和BRAM的IP核，并连接到两个用于生成BRAM的IP核；给两块BRAM分配不同的地址范围，将ZYNQ的BRAM划分为BRAM_A和BRAM_B两块不同的地址；
步骤3.2：设置时间t为数据流向时间参数，当t＝t1时，其中t1为管道电磁内检测数据开始发送的时间，将PL端分布式RAM中的检测数据写入到BRAM_A中；
步骤3.3：当t＝t2时，BRAM_A达到存储峰值，ZYNQ的PL端通过ZYNQ的专用中断通道向PS端发送中断信号irq，且开始将PL端的寄存器中的检测数据写入到BRAM_B中；
步骤3.4：当ZYNQ的PS端接收到PL端传来的中断信号irq时，PS通过ZYNQ的AXI总线将BRAM_A中的数据临时保存到PS端的全局/静态存储区static，在t＝t3时刻将数据保存完成；
步骤3.5：当t＝t4时刻，BRAM_B达到存储峰值，ZYNQ的PL端再次通过ZYNQ的专用中断通道向PS端发送中断信号irq，且开始将PL端分布式RAM中的数据写入到BRAM_A中；
步骤3.6：当ZYNQ的PS端接收到PL端传来的中断信号时，PS通过ZYNQ的AXI总线将BRAM_B中的检测数据临时保存到PS端的全局/静态存储区static，在t＝t5时刻将数据保存完成。
5.根据权利要求1中一种基于ZYNQ的管道电磁内检测数据高速存储方法，其特征在于，所述步骤4包括以下步骤：
步骤4.1：PS端首先通过调用文件系统库中的用于挂载存储卡的函数挂载存储卡，通过打开文件函数打开存储文件i.txt；
步骤4.2：当t＝t3时刻，将PS端全局/静态存储区static中来自BRAM_A的数据存入存储文件i.txt中；
步骤4.3：当t＝t5时刻，将PS端全局/静态存储区static中来自BRAM_B的数据存入存储文件i.txt中；
步骤4.4：当t＝t6时刻，存储文件i.txt达到存储峰值时，通过关闭文件函数关闭存储文件i.txt，此时i＝i+1，再次使用打开文件函数打开文件i.txt继续存储。
6.根据权利要求1中一种基于ZYNQ的管道电磁内检测数据高速存储方法，其特征在于，所述步骤5具体为：重复上述步骤3.2-步骤4，直到检测工作完成。
7.根据权利要求1中一种基于ZYNQ的管道电磁内检测数据高速存储方法，其特征在于，所述步骤6具体为：在管道电磁内检测工作完成后，将管道内检测设备中的高速存储模块通过USB接口与PC端连接读取数据。
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