（测试计量技术及仪器专业论文）基于arm9的石油管道检测系统设计.pdf

；3 ：i l 科技大学学位论文原创性声明 叭y 1 7 吣1 心4 懈4 叭7 1 2 l l 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发 表或撰写过的作品或成果。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名狼貉 指剥币魏 形国 ， 邓l o 年多月佃斫口年今月矽日 河北科技大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权河北科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 口保密，在_ 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 甘不保密。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：指导教师签名： 2 0 l a 年月- 1 p r 砂fo 年安月审同 摘要 摘要 管道泄漏，会给人们带来不可避免的威胁和损失。及时地发现石油输送管道的 泄漏并精确定位泄漏点位置，是保障管道安全生产的重要手段，并且成为当今社会 输油管道安全技术中一个重要的课题。由于人们对监测要求的不断提高，越来越多 的技术需要完善。 本文首先从管道运输对国民经济发展的重要性入手，介绍了当前国内外管道泄 漏检测与定位方法，分析了各种方法的原理及存在的优缺点。本文提出了基于a r m 处理器、负压波法及g p r s 技术的石油管道检测系统。该系统能对管道泄漏进行远程、 可视、实时的监控。本设计主要采用“负压波”法进行泄露检测，通过a r m 9 系统控 制压力采集部分，以及g p r s 无线传输数据，在p c 机上进行数据分析，然后确定管道 泄漏的具体位置。 本设计根据油品的动量和质量的守恒原则，给出了在埋地管道中负压力波波速 的公式；改进了泄漏点位置同负压力波传到首末两端时间差之间的关系式。对由实 验平台采集的带有泄漏故障的压力信号进行m a t l a b 仿真。利用小波分析法对压力 数据信号进行去噪后，对泄漏点定位。仿真的结果表明此方法误差较小，合理有 效。最后对系统的核心控制部分和无线传输部分进行了软件设计。采用的嵌入式 l i n u x 系统具有可移植性好、网络功能强、优秀的g n u 编译工具、免费、开放源代码 等优点。本系统方便快捷，实时性高，对石油管道检测相关的领域都有一定的参考 价值。 关键词泄漏检测与定位；输油管道；负压波；小波分析；a r m 9 ；g p r s 河北科技大学硕十学位论文 暑摹昌= 叠皇啊车i 重i i 鲁= 宣e 号昌昌墨冒号昌= 暑昌曩皇葺墨墨_ 皇皇= = ；：皇穹昌e 皇：昌毫誊；，皇_ ；_ 皇宣昌昌_ 目：= l 盲鼻； j昌昌； a b s t r a c t l e a k sf r o mt h ep i p e l i n e sc a l ln o to n l yl e a dt oag r e a td e a lo f p r o d u c tl o s s e s s o ，l e a k d e t e c t i o na n dl o c a t i o ni sn e c e s s a r ya n d i m p o r t a n tf o ru s d i s c o v e r i n gt h eo i lp i p e l i n el e a k s a n dp i n p o i n tt h el e a kl o c a t i o nn r e a l - t i m e l y , i sa ni m p o r t a n tm e a n st op r o t e c tt h ep i p e l i n e s a f e t y , a n di th a sb e c o m ea l li m p o r t a n ti s s u ei np i p e l i n es e c u r i t yt e c h n o l o g yn o w a d a y s a s t h ec o n s t a n tr e q u i r e m e n t si m p r o v e m e n to ft h em o n i t o r i n g ，m o r ea n dm o r et e c h n o l o g y n e e dt ob ep e r f e c t e d s t a r t i n gw i t ht h ei m p o r t a n c eo f p i p e l i n et r a n s p o r t a t i o ni ne c o n o m i cd e v e l o p m e n t ，t h i s p a p e ri n t r o d u c et h ec u r r e n tm e t h o d so fo i lp i p e l i n el e a k a g ed e t e c t i o na n dl o c a l i z a t i o na n d a n a l y s et h e i rp r i n c i p l e s ，a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s t h ea r t i c l ed e s i g n sap e t r o l e u m p i p e l i n ed e t e c t i n gs y s t e mb a s e dt h ea r m p r o c e s s o r 、”n e g a t i v ep r e s s u r ew a v em e t h o d a n d g p r st e c h n o l o g y t h es y s t e mc a nm o n i t o rt h ep i p e l i n el e a k i n e s sf r o ml o n g d i s t a n c e v i s u a l l ya n dr e a l t i m e l y t h es y s t e mm a i n l ya d o p t sa ”n e g a t i v ep r e s s u r ew a v e ”m e t h o df o r l e a k d e t e c t i o n ，t h r o u g ht h ea i l m 9c o n t r o lp r e s s u r ec o l l e c t i o ne l e m e n t s ，a n dg p r s w i r e l e s sd a t at r a n s m i s s i o n , a n a l y s i sd a t ao np c ，a n dt h e nl o c a t i o nt h ep i p e l i n el e a k s t h i sd e s i g na c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l eo fc o n s e r v a t i o no fm o m e n t u ma n d m a s s ，g i v e s n e g a t i v ep r e s s u r ew a v ev e l o c i t yf o r m u l ao fb u r i e dp i p e ；i m p r o v e st h er e l a t i o n s h i pf o r m u l a o ft h el e a k a g ep o i n tl o c a t i o nw i t ht i m e t h e n ，t h ed e s i g nu s e sm a t l a b t os i m u l a t et h e f a u l tp r e s s u r ed a t aa c q u i r e df r o mt h ee x p e r i m e n t a lt a b l e a f t e rt h ep r e s s u r ec u r v e sb e i n g d e n o i s eb yw a v e l e ta n a l y s i s m e t h o d ，t h ed e s i g nd e t e c t sa n dl o c a l i z e sl e a k a g ep o i n t s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w st h a tt h i sm e t h o di se f f e c t i v ea n dr e a s o n a b l e s m a l le r r o r s f i n a l l y , d e s i g n st 1 1 ec o r eo ft h es y s t e mc o n t r 0 1a n dw i r e l e s st r a n s m i s s i o np a r to ft h es o f t w a r e e m b e d d e dl i n u xs y s t e mh a sp o r t a b i l i t y , s t r o n gn e t w o r k i n gc a p a b i l i t i e s ，o u t s t a n d i n gg n u c o m p i l e rt o o l ，f r e eo fc h a r g e ，o p e n s o u r c ea d v a n t a g e s t h i ss y s t e mi s c o n v e n i e n t ， r e a l t i m e ，i nt h er e l a t e df i e l d so fo i lp i p e l i n ed e t e c t i o nh a sac e r t a i nr e f e r e n c ev a l u e k e y w o r d sl e a k a g ed e t e c t i o na n dl o c a l i z a t i o n ；o i lp i p e l i n e ；n e g a t i v ep r e s s u r ew a v e ； w a v e l e ta n a l y s i s ；a r m 9 ；g p r s i i 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第1 章绪论1 1 1 本课题研究背景及意义“1 1 2 管道泄漏检测技术国内外的研究现状1 1 3 本课题的主要研究内容“2 第2 章相关技术简介4 2 1 嵌入式系统概述“4 2 2 管道泄漏检测方法概述”5 2 3g p r s 研究现状5 2 4 本章小结6 第3 章管道检测系统硬件设计一7 3 1 系统整体设计介绍7 3 2 系统核心控制电路设计7 3 2 1 删处理器芯片的选择7 3 2 2 系统电源电路设计9 3 2 3 复位电路设计1 0 3 2 4 f l a s h 存储器接口电路设计1 1 3 2 5 s d r j 气m 存储器接口电路设计”1 3 3 2 6a r m 处理器j t a g 接口电路设计1 4 3 3 压力数据采集电路设计1 5 3 3 1p p t r 传感器介绍”1 5 3 3 2 电路连接设计1 9 3 4g p r s 模块电路设计2 0 3 4 1g p r s 系统的基本原理2 0 3 4 2g p r s 模块选型2 0 3 4 3s i m l 0 0 e 与系统的接口电路2 2 3 5 本章小结2 5 第4 章负压波法及小波分析原理的应用2 6 4 1 负压波管道泄漏检测与定位法的基本原理2 6 4 2 负压波法的改进2 7 i i i 河北科技大学硕士学位论文 4 3 4 3 1 4 3 2 4 4 第5 章 5 1 5 2 5 2 1 5 2 2 5 3 5 3 1 5 3 2 结论4 5 参考文献4 6 攻读硕士学位期间所发表的论文4 9 致谢5 0 i v 第l 章绪论 第1 章绪论 1 1本课题研究背景及意义 当代管道运输从1 9 世纪中叶开始出现。如今，管道运输业已经成为与航空、铁 路、公路、水运同样重要的运输手段之一。和其他几种运输方式比较而言，管道输 送具有下列特征：一，管道建设投资较少、占地少，例如铁路建设的周期及费用是 管道建设的2 倍，占地是管道建设的9 倍。与铁路相比，管道建成投产后，9 0 的土 地仍可恢复利用；二，可实现连续运输，减少了转运换装环节，避免了空车返回的 运力浪费，易于控制管理；三，可适应各种复杂地貌、地形和气候条件；四，运输 过程可完全密闭，而且损耗低【l 】。 1 9 5 7 年，我国的第一条长距离输油管道诞生，该管道管径1 5 0 毫米，总长1 4 7 公里。此后各地修建了一大批输油、输气管道，这些输油输气管网成为了国民经济 的支柱。9 0 年代后，华东、华北、东北管网也逐步完善，管道运输范围迅速扩大。 这些管道既能够输送天然气、水、煤气等液、气体介质，还能输送工业原料、粮食、 煤浆等固体散装物料。 虽然长输管道建设已初具规模，我国管道运输事业也已有了较大发展，但与一 些发达国家相比，仍然有一定距离。到1 9 9 4 年底，美国的管道运输量占全国货运周 转量的2 4 ，而我国仅占2 左右；我国长距离管道是世界管道总长度的1 9 2 ，原苏 联的1 1 8 ，美国的1 4 0 。这些分析可以看出，我国的管道运输工业还处于一个充满 生机的初级阶段，必将随着国民经济的持续快速发展而大有可为【2 1 。 日前，中俄石油管道已于今年4 月开工建设，总长超过1 0 0 0 公里，计划2 0 1 0 年1 0 月竣工通油。项目建成后，俄方将在2 0 年内每年通过这一管道向中国输出1 5 0 0 万吨原油。 以上论述可见，管道运输对国民经济和现代工业至关重要。但是管道的增多、 管龄的不断增长，再加上施工缺陷和腐蚀，以及人为的破坏，管道泄露常常发生。 后果十分严重，损失十分巨大。 腐蚀、意外损坏等原因造成管道泄露的概率不断增大，而且，对于一般的介质 一旦泄露就会对生命财产造成巨大的损失并污染环境。如果及时检测出泄漏，并且 能成功定位，就能极大的减少泄漏造成的危害。因此，如何及时地检测到泄漏发生， 并准确地进行泄漏点定位，给泄漏检测技术提出了更高的要求【3 】o 1 2 管道泄漏检测技术国内外的研究现状 泄漏检测方法早期主要是硬件方法，如管内探测球法等。随着技术的发展，以 1 河北科技大学硕士学位论文 及检测的新的需求，慢慢发展成软硬件结合，偏重软件设计的方法。 1 9 7 6 年，来自德国的h s i e b e r t 和r i s e r m a n n 提出先将输出的流量和输入的压力 信号经过处理，然后再进行相关分析，从而得出检测结果的的方法。该方法的优点 是对较小的泄漏都能够成功的检测，准确度也比较高，缺点是不仅计算量较大，而 且实时性也相对较差1 4 】。 1 9 8 4 年，r i s e r m a n n 继续提出“故障敏感滤波器法”，该法将进出口端的实测参 数与其估计值的差值进行比较，再进行泄漏判断| 5 j 。 随着我国管道运输业的发展，人们越加关注管道泄漏的检测与定位，同时取得 了很好的成就。 1 9 8 7 年，我国研制出便携式压力波法泄漏检测仪，该仪器可以对泄漏噪声沿管 壁传播的信号进行相关分析，并且对强噪声环境下地下管道泄漏噪声的检测方法进 行了讨论。先用仪器提取特征指标，再利用专门的数字芯片进行处理，应用神经网 络技术对管道泄漏进行检测f 6 】。 1 9 9 0 年，我国又提出了一种新的方法，该方法采用带时变噪声估计器的滤波， 对管道的状态进行估计，并给出了一种诊断机制【7 j 。 1 9 9 2 年，我国又提出负压波法。负压波检测法优点很多，较为先进，越来越受 到人们的重视。然而，该方法在实际应用中还存在着一些不足。比如，现场的噪声 会对该方法的检测与定位产生一定影响哺j 。 1 3 本课题的主要研究内容 本文在查阅国内外管道泄漏检测技术后，提出基于a r m 9 的嵌入式石油管道检 测方法既可以作为石油管道腐蚀受损破裂漏油的检测手段，也可以应用在人为偷油 的防范领域，因为此方法比以前的检测方法更为简便，更为经济，必然会成为今后 检测的主要手段。 本课题主要研究内容如下： 1 ) 介绍了本课题的背景，以及管道检测的国内外发展现状。 2 ) 基于课题研究的需要，介绍了嵌入式系统、嵌入式操作系统、g p r s 传输等 相关技术。 3 ) 介绍了各种管道泄漏检测定位方法，在总结对比了众多的泄漏检测和定位方 法后，本文选用了灵敏度较好、检测速度快、误报警率低、原理简单等多种优点于 一身的负压波法为研究基础，并且利用小波分析对其进行改善。 4 ) 对整个缺陷定位系统进行了设计，包括对压力采集模块电路的设计，g p r s 模块的设计。 5 ) 对系统所需软件进行开发，介绍了基于嵌入式操作系统a r m l i n u x 的开 2 第1 章绪论 发目标和设计流程，建立了嵌入式系统开发环境，完成各应用软件的设计，最后主 要介绍系统的b o o t o a d e r 、r j , j 核、根文件系统、应用程序从宿主机下载到开发板f l a s h 的详细过程。 6 ) 对系统进行了总结，并就如何进一步提高系统性能提出了一些建议，并展望 了该项技术的应用前景。 一 3 河北科技大学硕士学位论文 第2 章相关技术简介 本系统的设计应用到很多技术，包括嵌入式系统、管道定位检测方法、g p r s 传 输等，本章将对它们进行简单介绍。 2 1 嵌入式系统概述 嵌入式系统适用于对成本、体积、功能、功耗、可靠性有严格要求的计算机专 用系统。它以计算机技术为基础，应用为中心，并且软硬件可根据用户需要进行裁 剪。它一般有四个组成部分，即外围硬件设备、嵌入式操作系统、用户应用程序以 及嵌入式微处理器等。该系统主要用于实现对其他设备的管理、监视或控制等功能p j 。 在嵌入式系统中，系统的核心是处理器【1 0 。嵌入式技术的发展经历了大概四个 阶段，第一阶段是可编程控制器系统，该系统以单芯片为核心；第二阶段以嵌入式 c p u 为基础、以简单操作系统为核心；第三阶段是以嵌入式操作系统为标志；第四 阶段是以i n t e m e t 为标志【1 1 j 。 7 0 年代后期才出现了商品化操作系统的嵌入式系统，该系统大部分由汇编语言 写成，只适用于特定的处理器【1 2 】。今天，c 语言写成的操作系统大大提高了操作系 统的可移植性和稳定性。 如今，嵌入式设备在生活中随处可见，比如手机、电子玩具、机顶盒、m p 3 、 m p 4 、s o h o 路由器、电磁炉、p d a 、汽车电子、数码相机等。 大部分的嵌入式应用以独立应用为主。但如各种i c 卡收费系统、r s 4 8 5 总线或 者r s 2 3 2 组网等，因为不能利用现有以太网网络资源【1 3 】，需要单独布线。 嵌入性、专用性和计算机体系，这是嵌入式系统的最本质的三大特点。以下5 点可总结为嵌入式系统的特点【1 4 】： 1 ) 该系统面向特定的应用； 2 ) 该系统的软件相对固定； 3 ) 该系统的实时性； 4 1 该系统的特殊要求； 5 ) 该系统的“嵌入式性”。 随着现场总线技术的不断成熟，直接在网上控制嵌入式设备成为必然趋势。具 有网络接口的嵌入式终端可以实现在远程监控、远程数据采集等方面的应用。目前 远程监控在国内外都掀起了研究的高潮。下一代远程监控诊断示范系统是以i n t e r n e t 为基础的，由麻省理工学院和斯坦福大学合作开发，该系统得到了b o e i n g 、s u n 、i n t e l 、 h p 、f o r d 等1 2 家制造业、计算机业和仪器仪表业的大公司的大力支持和热情合作， 4 第2 章相关技术简介 然后这些公司共同推出了一个t e s tb e d 实验性系统【l 引。这个实验性系统用嵌入式w e b 组网，在i n t e r n e t 范围内用实时j a 、，a 和b a y e s i a n n e t 初步形成信息监控和诊断推理。 在产品中添加i n t e r n e t 的功能，是当今许多大公司的主流。如n a t i o n a li n s t r u m e n t s 公司在它的产品l a bv i e w 以及l a bw i n d o w s c v i 中加入了网络通讯处理模块i l 引。 目前，国内嵌入式及远程监控的研究正在快速发展。虽然市场上嵌入式产品很 多，但这些都是较大的企业和学校等单位在用。嵌入式产品进入千家万户还需要很 长的时间。 2 2 管道泄漏检测方法概述 管道泄漏检测技术需要将很多领域的学科知识综合起来，目前方法已经有很多 种，但是，管道泄漏检测技术的分类方法还没有一个合理的规范。从检测参数的角 度来进行分类的话，可以分为直接检漏法和间接检漏法。直接检漏法，顾名思义就 是在管道外沿安装上检测器，直接对漏出去的液体或挥发气体进行检测【l 刀。电缆检 漏法、气体检漏法、油膜检漏法、油溶性压力管法、光纤检漏法等都属于直接检漏 法；间接检漏法是对因泄漏对其造成的管道运行参数的变化进行检测，比如流体的 压力和流量的变化【l 引。此篇文章将泄漏检测方法分成五大类，分别为声学原理法、 管壁参数检测法、光纤传感器检测法、地面间接检测法和基于s c a d a 的软件检测 法。 声学原理法包括管道应力波法，负压波法，水声换能器检漏法和声波法【l9 1 。其 中负压波法灵敏度和定位准确度较高，是目前国际上广泛利用并且重视的管道泄漏 检测和漏点定位的方法。而且，我国的管道缺少流量计量的仪表，因此，负压波检 测方法也是我国的主要检测手段。 管壁参数检测法包括漏磁通检测法和超声波检测法。 光纤传感器检测方法包括准分布式光纤检漏法，光纤温度传感器检漏法，塑料 包覆石英( p c s ) 光纤传感器检漏法和多光纤探头遥测法。光纤检漏方法能检出微小的 泄漏，但是连续使用性差，材料成本高，而且对于已建设好的管道系统要重新铺设 电缆或光纤【2 0 1 。 地面间接检测方法包括热红外成像法和探地雷达法。 2 3 g p r s 研究现状 通常的2 。5 g 就是指的g p r s ，也就是说这项技术位于第二代( 2 g ) 和第三代( 3 g ) 移动通讯技术之间。它利用g s m 网络中还未经使用的信道t d m a ，以中速的速度传 递数据。g p r s 只通过增加相应的功能实体和对现有的基站系统进行部分改造来实现 分组交换，这种改造的得到的用户数据速率相当不错，但是投入相对来说并不大。 而且，因为不再需要现行无线应用所需要的中介转换器，所以连接及传输都会更方 5 便 域 行 基 务 主 行 的 他 等 公司、上海正伟数字技术有限公司等。有的公司致力于g p r s 的网络通信协议栈的 开发，般情况下由软件协议栈提供此种技术，该技术为开发工程师提供相对透明 的口通道，这样，工程师就可以将精力用于应用开发，而相对复杂的网络通信协议 可以直接进行利用【2 3 j 。 如今，越来越多工程师投入到此项技术的开发中去。但是从市场角度来看，其 应用依然处于起步阶段，还有巨大的发展空间。今后1 0 年内，该项技术的应用会越 来越成熟广泛。 2 4 本章小结 、 本章对石油管道检测系统设计做需要的技术做了简单的介绍，第一节分别从嵌 入式系统的应用、特点、设备的联网技术和发展方面进行介绍。第二节介绍了当今 管道检测技术的多种方法及其特点。第三节介绍了g p r s 传输技术发展现状。 6 第3 章管道检测系统硬件设计 第3 章管道检测系统硬件设计 3 1 系统整体设计介绍 本系统的总体结构由上位机与下位机组成。上位机为中心监控机，负责对管道 运行状态进行监测；下位机则是由a r m 9 和外围电路构成的数据处理模块，负责信 号采集与处理。上位机与下位机之间通过g p r s 连通，实现各个站点的压力数据的 采集与通信传输：下位机与各采集器之间通过r s 2 3 2 4 8 5 转换接口及双绞线构成现 场总线网络，通过m o d b u s 协议实现数据交换。监控中心计算机对采集上来的压力信 号以曲线的形式进行实时显示，并根据输油管道两端的压力采集信号，以负压波方 法为理论基础，对输油管道中所出现的泄漏及时进行报警并确定泄漏点所在位置。 同时可以实现对管线压力数据存储和历史报表打印等任务。整个系统框架如图3 1 所示。哆 绷r 计笪机 d ! r ) 匹= 图3 - 1 系统框架 f i g 3 1s y s t e mf i a m e w o r k 3 2系统核心控制电路设计 3 2 1 a r m 处理器芯片的选择 嵌入式微处理器是嵌入式系统的核心，它直接决定了整个系统的性能。基于 a r m 微处理器的嵌入式系统具有实时性高、代码规模小、执行速度快、专用紧凑、 用途固定、成本低廉、可靠性高、功耗小等特点。具体到某个设计，需要根据用户 需求选择各个功能模块的最佳核心芯片、系统的最佳存储方式和最佳控制方式，尤 其是主控芯片和重要外设芯片的选择。这是设计阶段要走的第一步，也是最重要的 一步。为了提高主控芯片与外围芯片的接口性能，最好选用与主控芯片同一生产厂 7 河北科技大学硕士学位论文 家的外围芯片【2 4 】。 由于系统要兼顾数据采集、处理和通讯各方面的任务，而且有速度要求， 的8 1 6 位微处理器如单片机满足不了这样的需要。因此，系统采用了s a m s u n g 生产的a r m 9 芯片$ 3 c 2 4 1 0 a 。它功耗低、数据处理能力快的特点使完成上述 占用较少的c p u 时间，从而保证了整仑系统的优越性能。 该核心板体积小，只有5 x 7 c m ，提供了c p u 、n a n df l a s h 、n o rf l a s h 、e t h e m e t c o n t r o l l e r 等资源，系统的可扩展性非常好，可通过2 0 0 p i n 引脚引出c p u 所有可用 资源。甚至包括e t h e m e t 和u s b 接口，可以将核心系统直接用在别的系统中【2 引。 $ 3 c 2 4 1 0 a 是s a m s u n g 公司推出的1 6 3 2 位r i s c 处理器( a r m 9 2 0 t 内核) ，适 用于手持设备、p o s 机、数字多媒体播放设备等等，具备低价格、低功耗、高性能 等特点。$ 3 c 2 4 1 0 a 提供了以下丰富的内部设备：m m u 虚拟存储器管理、1 6 k b 的指 令c a c h e 和1 6 k b 数据c a c h e 、液晶控制器( 支持t f t 和s t n ) 、片选逻辑和s d r a m 控制器、3 通道u a r t 串行接口、4 通道d m a 、4 通道p w m 定时器、i o 端口、r t c 、 8 通道1 0 位a d c 和触摸屏接口、1 2 c 总线接口、i i s 总线接口、u s b 主机接睫，u s b 设备接口、s d 卡& m m c 卡接口、2 个s p i 总线接口以及内部p l l 时钟倍频器b 6 i 。 $ 3 c 2 4 1 0 a 采用了a r m 9 2 0 t 内核，o 18 1 x m 工艺的c m o s 标准宏单元和存储器 单元。它的低功耗、精简和出色的全静态设计特别适用于对成本和功耗敏感的应用。 同样它还采用了a d v a n c e dm i c r o c o n t r o l l e rb u sa r c h i t e c t u r e ( a m b a ) 新型总线结构。 $ 3 c 2 4 1 0 a 提供了一系列完整的系统外围设备，消除了为系统配置额外器件的需 要，大大减少了整个系统的成本。 $ 3 c 2 4 1 0 a 主要的特征如：2 0 3 m h z 的a r m 9 2 0 t 内核，支持j t a g 仿真调试； 1 6 k b 的i - c a c h e 和1 6 k b 的d c a c h e ；具有m m u ，支持w i n c e 、e p o c 3 2 、l i n u x 等 操作系统；外部存储器控制器( s d r a m 控制和片选逻辑) ，共分8 个b a n k ，每个 b a n k 可访问1 2 8 m b 空间；片内4 k bs r a m ，可用作n a n df l a s h 系统引导的缓冲区； l c d 控制器( 最大支持4 k 色s t n 和2 5 6 k 色t f t ) ，1 通道l c d 专用d m a ；4 通道 d v i a ，有外部请求引脚；3 个u a r t ( i r d a i 0 ，1 6 字节t x f i f o ，1 6 字节r x f i f o ) ； 2 个s p i 总线接口；1 个多主1 2 c 总线接口；1 个i i s 总线接口；兼容s d 主接口协议 1 0 版和m m c 卡协议2 1 1 兼容版；n a n df l a s h s m 卡接口，支持n a n df l a d h 系统 引导；2 个u s b 主机接口，1 个u s b 设备接口( v 1 1 ) ；4 个p w m 定时器和1 个内部 定时器；看门狗定时器；1 1 7 个动用i o 口；2 4 个外部中断；8 通道1 0 位a d c 和触 摸屏接口；具有日历和时钟功能的r t c ；1 8 v 内核供电，3 3 v 存储器供电，3 3 v 外 部i o 供电；功耗控制模式：普通，慢速，空闲和掉电模式；具有片内p l l 时钟发 生器【2 7 】。 8 第3 章管道检测系统硬件设计 3 2 2 系统电源电路设计 $ 3 c 2 4 1 0 a 需要3 3 v 的电源，而系统所采用的压力传感器需要5 5 v 的电源。系 统首先使用了一块专门的电源板进行供电，电源板可以提供+ 5 v $ i ：1 + 1 2 v ，所以还需 要设计一个系统电源电路将5 v 电源转换成3 3 v 系统电源，将1 2 v 电源转换成5 5 v 传感器电源。 系统电源电路如图3 2 所示，电源供电由c o m p o n e n t1 连接器输入试验箱主板， 5 v 电源经过c 7 0 、c 7 1 和c 1 2 5 滤波后，由两片l d o 芯片s p x l l l 7 3 3 稳压输出两 组3 3 v 电源，其中一组来给主板供电( 图中标号v d d 3 3 ) ，另一组用来给核心板供 电( 图中标号p v d d 3 3 ) 。1 2 v 电源经过l m l l 7 芯片转换为5 5 v 电源，用来给压力 传感器供电。 图3 2 系统电源电路 f i g 3 - 2s y s t e mp o w e rs u p p l yc i r c u i t s p x l l l 7 芯片可以进行低功耗正向电压调节，一般情况下用在功耗低，效率高， 封装小的设计中。这款器件非常适合便携式电脑及电池供电的应用。s p x l l l 7 的静 态电流很低。满负载的情况下，其低压差仅仅是1 1 v 。静态电流可以在输出电流减 少的情况下随负载而变化，并且效率可以提高。s p x l l l 7 可调节，以选择1 5 v 、1 8 v 、 2 5 v 、2 8 5 v 、3 0 v 、3 3 v 及5 v 的输出电压。 s p x l1 1 7 系列l d o 芯片输出电流可达8 0 0 m a ，输出电压的精度在1 以内， o 罄、。 河北科技大学硕士学位论文 还具有电流限制和热保护功能，广泛应用在手持式仪表、数字家电、工业控制等领 域。使用时，其输出端需要一个l o a f 的输出电容有效地保证稳定性。 l m l l 7 l m 3 1 7 是美国国家半导体公司的三端可调正稳压器集成电路。l m l l 7 的 输出电压范围是1 2 v 至3 7 v ，负载电流最大为1 5 a 。它的使用非常简单，仅需两个 外接电阻来设置输出电压。此外它的线性调整率和负载调整率也比标准的固定稳压 器好。l m l l 7 l m 3 1 7 7 内置有过载保护、安全区保护等多种保护电路。通常 l m l l 7 l m 3 1 7 不需要外接电容，除非输入滤波电容到l m l l 7 l m 3 1 7 输入端的连线 超过6 英寸( 约1 5 厘米) 。使用输出电容能改变瞬态响应。调整端使用滤波电容能 得到比标准三端稳压器高的多的纹波抑制比。l m l l 7 l m 3 1 7 能够有许多特殊的用法。 比如把调整端悬浮到一个较高的电压上，可以用来调节高达数百伏的电压，只要输 入输出压差不超过l m l l 7 l m 3 1 7 的极限就行。当然还要避免输出端短路。还可以把 调整端接到一个可编程电压上，实现可编程的电源输出。 l m l l 7 l m 3 1 7 可调整输出电压低到1 2 v 。保证1 5 a 输出电流。典型线性调整 率o 0 1 。典型负载调整率o 1 。8 0 d b 纹波抑制比。输出短路保护。过流、过热保 护。调整管安全工作区保护。标准三端晶体管封装。 l m l l 7 l m 3 1 71 2 5 v 至3 7 v 连续可调。其典型应用电路如图3 3 。： 32 踟幻耐 1 盆 r l i1 2 4 0 q - - c i “ v =皂 0 w 。 降 刊 图3 3l m l l 7 l m 3 1 7 典型应用电路 f i g 3 3t y p i c a la p p l i c a t i o nc i r c u i to f l m l1 7 l m 3 1 7 3 2 3 复位电路设计 由于a r m 芯片的噪声容限很低，对瞬态响应性能、电源的纹波、时钟源的稳定 性等各个方面的要求更高。d e v i c e a r m 2 4 1 0 c 核心板的复位电路使用了内置e 2 p r o m 存储器的电源监控复位芯片c a t l 0 2 5 j i 3 0 ( 复位门槛电压为3 0 - 3 1 5 v ) ，提高了系 统的可靠性，电路原理图如图3 4 所示。 在图3 4 中，n r s t i n 信号是由用户板( 即底板) 输入的复位控制信号，用户板 ( 即底板) 上将n r s t i n 引脚接一个复位按键r s t ( 接到地) ，用于手动复位。当复 位按键按下时，c a t l 0 2 5 j i 3 0 的n r e s e t 引脚立即输出复位信号，使系统复位。 1 0 第3 章管道检洲系统硬件设计 图3 _ 4 系统复位电路 f i g 3 - 4s y s t e mr e s e tc i r c u i t n r e s e t 信号为c a t l 0 2 5 j i 3 0 输出的复位信号，此信号连接到$ 3 c 2 4 1 0 a 芯片 的复位输入引脚，实现系统复位控制。 n r s t o u t 信号为复位信号输出，用户板上可以使用这个信号去复位某些芯片或 电路。 3 2 4f l a s h 存储器接口电路设计 e 2 8 f 1 2 8 j 3 a 闪速存储器由i n t e l 公司生产，是当今利用n o r 技术生产的容量最 大的闪存芯片，其容量可以达到1 6 m b ( 字节) ，可以将程序和数据存储在同一芯片 中。该芯片采用了m l c 技术，该技术支持高存储容量，并且成本很低。m l c 技术 也称多级单元技术，指的是向多晶硅浮栅极充电至不同的电平后，用来对应不同的 阈电压，从而代表不同的数据。每个存储单元都预先设有4 个阈电压，分别是 0 0 0 1 1 0 1 1 ，可以存储2 b 信息；传统的技术是在每个存储单元只设2 个阈电压，即 o 1 ，只能存储1 b 的信息。但是，在相同的空间中将存储容量加倍，会降低写性能【2 8 】。 i n t d 采用虚拟小块文件管理器的软件方法，将大存储块视为小扇区来进行管理 和操作，从而提高了写性能。其引脚定义如下： a 0 叫啦3 ：地址引脚； d o d 7 ：低字节数据引脚； d 8 d 1 5 ：高字节数据引脚； r p ：复位和掉电输入引脚，与n t r s 相连； c e 0 、c e l 、c e 2 ：片选引脚，将c e l 和c e 2 接地，c e 0 和$ 3 c 2 4 1 0 a 的片选 c e 0 相连； 图3 5闪存存储器电路原理图 f i g 3 5 f l a s hm e m o r ys c h e m a t i c s t s ：状态引脚； o e ：输出使能引脚； w e ：写使能引脚； b y t e ：字节使能引脚，若b y t e 引脚接地电平，芯片为8 位模式，所有的数据 的输入输出将通过d 0 d 7 ，而d 8 d 1 5 将悬空，a 0 选通即选择高低字节。若b y t e 引脚接高电平，芯片为1 6 位模式，所有的数据输入输出将通过d o d 1 5 ，a 0 被关断， a 1 变为访问的最低地址； v c c l 、v c c 2 ：供电引脚； v p e n ：擦除编程使能引脚： v c c q ：输出缓冲供电引脚； n c 空引脚； g n d l 、g n d 2 、g n d 3 ：接地引脚，注意任何接地引脚都不能悬空。 1 2 第3 章管道检测系统硬件设计 本设计采用1 6 位模式的方式。e 2 8 f 1 2 8 j 3 a 闪存芯片的片选引脚c e 0 和 $ 3 c 2 4 1 0 c 的n c s 0 脚相连接，其地址空间分配为为0 x 1 0 0 00 0 0 0 0 x i o f ff f f f 。闪 存存储器的电路原理图如图3 5 所示。 3 2 5s d r a m 存储器接口电路设计 系统除了运行u b o o t ，还要运行建立在l i n u x 操作系统之上的应用程序和图 形库，资源占用非常大，这就需要加入大容量的主存储器和外部存储器。本文采用 的主存储器是s d r a m ，即两片m t 4 8 l c 8 m 1 6 a 2 芯片。m t 4 8 l c 8 m 1 6 a 2 为1 6 m b 的s d t l a , m ，由m i c r o n 公司研制，是高速的、c m o s 动态内存颗粒，是5 4 引脚t s o p 封装，可以将同系时钟同步运行。m t 4 8 l c 8 m 1 6 a 2 内存颗粒的架构为4 m x5 1 2 k 1 6 b 4 ，每b a n k 地址数目是1 2 【2 9 】。下面就是该芯片的引脚定义： a 队a 1 1 ：地址输入引脚。用a c t i v e 命令和r e a d w r i t e 命令来决定用哪个 b a n k 内的哪个存储单元； d q 0 - d q l 5 ：数据输入输出接口； c k e ：全称c l o c ke n a b l e ，高电平有效。引脚低电平时，所有b a n k 预充电并且 刷新； r a s ：行地址选择( r o wa d d r e s ss e l e c t ) ； c s ：即c h i ps e l e c t ，芯片选择引脚。s d r a md i m m 是多存储芯片架构，该脚 用于对存取操作的芯片进行选择； b a 0 、b a l ：b a n k 地址输入信号引脚。b a 0 、b a l 信