（机械电子工程专业论文）嵌入式管道泄漏检测系统的改进与开发.pdf

摘要 摘要 管道是一种重要的运输工具，它具有运输量大、连续、经济和安全等优点。 但由于腐蚀或外力损伤等因素致使管道泄漏成为石油、天然气和城市供水等领域 的热点研究问题之一。目前，市场上销售的基于声发射技术的管道泄漏检测仪器 多为国外产品，其价格不但昂贵，功能上也存在着许多不足之处，而国内类似产 品则相对较少。本实验室利用现代电子技术和相对比较成熟的管道泄漏检测理 论，设计并研制出了一台用于管道检测的样机。该样机可以正常运行，但距实际 应用尚有一段差距，在功能和性能上仍需进一步提高。本课题的主要工作内容就 是针对该样机的某些功能单元进行改进与开发。主要工作内容包括： ( 1 ) 设计并研制了用于接收泄漏信号的智能加速度传感器。采用高性能加 速度芯片作为敏感元件。采用m s p 4 3 0 f 1 4 9 单片机作为核心处理器，实现整个传 感器的运行与状态监测。整个传感器内置无线通讯模块，可以实现远距离通信。 降低了原传感器中的电源噪声，可以接收到有效的泄漏信号； ( 2 ) 设计并制作了a r m 主板的内存电路。采用4 层板对a r m 主板进行布 板，以提高系统抗干扰能力。通过测试表明，系统的稳定性有一定的提高； ( 3 ) 向系统中移植了“基于时间一空间变换的管道泄漏模态声发射定位技 术”算法。利用该算法通过提取f ( 1 ，1 ) 模态声发射信号进行互相关泄漏定位，并 采用k s 检验法则对多组定位结果进行概率分布检验，提高了定位精度；修改了 h p i 口的驱动程序，对d s p 程序进行了优化，有效地提高了系统数据处理速度； ( 4 ) 开发了系统的图形界面程序。增加了泄漏定位软件的部分功能。实现 了滤波、f f t 、定位、导出数据等基本功能。程序界面更加友好、美观。经过测 试表明，泄漏定位软件可以稳定运行，提高了泄漏检测系统的定位精度，实现了 预期目标。 关键词传感器；泄漏；管道；d s p ；m i n i g u i a b s t r a c t p i p e l i n e sa r eak i n do fi m p o r t 衄tt r a n s p o r t a t i o nw h j c hh a sa1 0 to fa d v a n t a g e s ， s u c ha s1 a 唱e 胁s p o n 砒i o n ，c o n t i n u u m ，e c o n o m y ，s a f e t ye t c h o 、v e v e r ，m el e a k a g e p r o b l e m so f t l l ep i p l i n e sa r eo n eo f t l l em a j o ri s s u e sf k e db ym a n yi n d u s t r i e s ，s u c ha s w a t e rs u p p l y ，g a sa 1 1 do np r o d u c t i o n t h e r ea r em a n yf o r e i g np r o d u c t sb a s e do n a c o u s t i ce m i s s i o nm e m o di nt h em a r k e tc u i t e n n yb u tm e ya r ee x p e n s i v ea i l dt h e r e a r es t i l lm a n yd i s a d v a l l t a g e st os o l v et 1 1 el e a k a g ep r o b l e m so ft h ep i p e l i n e s 1 1 1o l l r c o l l r 】n y ，s i m i l a rp r o d u c t sa r es t i l ll l l l a v a i l a b l e o n e1 e a k a g ed e t e c t i o n 印p a r a t l l sh a s b e e nd e v e l o p e di no u rl a b o r a t o 啪w h j c hi sb a s e do n 血ep i p e l i n e1 e 呔a g ed e t e c t i o n 也e o r ya 1 1 d e l e c t r o i l i c st e c l l n o l o g y t h e 印p a r a t u sc a nr u nn o 瑚a l l yn o wh o 、c v e r ， m e r ew a sm u c hd i 矗b r e n c eb e t w e e nm e 印p 鼬sa n dm ef o r e i g np r o d u c t s s o 也e r e a r es t i l lm 丑i i yi m p r o v e m e n ：七sw h i c hs h o u l db em a d eo nm e 如n c t i o na n d p e r f o r m a n c e t h em a i nc o n t e n t so ft 1 1 ep r o j e c ta r et h ed e s i g na 1 1 do p t i m i z a t i o no ft l l es y s t e m t h e m a i l lt e c c a lc o n t r i b u t i o n so f t h er e s e a r c hw o r ki n c l u d e ： ( 1 ) t h ei m e l l i g e ma c c e l e 州o ns e n s or ，w h j c hw a su s e dt oa c q u i r et l l el e a | r a g e s i g n a l ，w a sd e s i 弘e da i l dd e v e l o p e d ah i 曲p e r f o r i n 锄c ea c c e l e r a l i o nc h j pw a su s e d i n 也es e n s o r t h es i n 甜e 吐呻p r o c e s s o rc a l l e dm s p 4 3 0 f 1 4 9 、v a sd e s i g n e da sc o r c p f o c e s s o r ，w i l i c ht o o kc h a r g eo fs y s t e mm na i l ds t a t u sm o i l i t o r t h e r ew 嬲aw i r e l e s s m o d i l l ei 1 1m es e n s o lt h en o i s eo fp o w c rm o d u l e r e d u c e ds u c c e s s f u l l y i tc a n a c q u i r et h e1 e a ks i g n a l _ ( 2 ) t h em e m o r yc i r c u i to f a r m b o a r d 、v a sd e s i 弘e da n dd c v e l o p e d t h e4l a y e r s p c bo fa r m b o a r 也恤c hc o u l di i n p r o v ct h es y s t e ma i l t i i n t e r f e r e n c ea b i l i 劬w a s d e s i g n e d t h r o u g ht e s t i n 岛i tp r o v e d 也a tt h es ta _ b i l i t yo f t h es y s t c mw a si n l p r o v e d ( 3 ) n l ea l g o r i t l l r i ln 锄e dt h ep i p e l i n e1 e a l 【l o c a t i o nt e c h n i q u e sb a s e do n t i m e f k q u e n c ya l l a l y s i so f a c o u g t i cs i 驴a lw a s 仃蛐s p l a n t e di m om es y s t e m t h em o d e f ( 1 ，1 ) o fa c o u s t i cs i g n a lw 嬲s e l e c 蜘t ol o c a t em el e a k a g ep o i n t s a n d 也ek - s p r i i l c i p l ew a su s e dt oc h e c k 也ep r o b a b i l 酊d i s 订t i o no fm er e s u l t s t h ep r e c i s i o no f 1 0 c a t i o nw a si m p r o v e d t h ed r i v e ro fh p l w a sc h a l l g e d b e c a u s eo fm eo p t i m i 删i o n o f t l l ed s p p r o g r a m ，m ec o m p u t a t i o ns p e e do f 、v h 0 1 es y s t e mw a sa l s oi l l l p r o v e d ( 4 ) t h eg r 印l l i ci n t e r f a c eo f t l l eh s 讯l m e n tw a sd e v e l o p e d s o m ef u n c t i o n sw e r e a d d e d s o m ea p p l i c a t i o n 如n c t i 0 9 s ，s u c ha s d i g i t a lf i l t c l 曲舀s p e c t n ma i l a l y s i s ， l e a k a g ep o i n td e t e c t i o n ，出诅e x p o r te t c ，w e r er e a l i z e d t h e 铲a p h i ci n t e r i h c ew a s m o r e 衔e n d l y a 1 1 db e a u t i 铷t h et e s ti n d i c a t e d 也a t t h el e a k a g el o c a t i o ns o 如珊ec a l l n l n r e l i a b l y a i l di ta c h i e v e dm ea n t i c i p a t c dp u r p o s e k e y w o r d ss e n s o r ；1 e a k a g e ；p i p e l i n e ；d s p ；m i n i g u i i i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名赴日期：鲨! ：巧 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名： 逍盏导师签名：越隰趔曩砷 1 1 研究背景 第1 章绪论 管道运输是与铁路、公路、水运和航空并列的主要运输方法之，它具有成 本低、节约能源安全及供给稳定等特点，在国民经济中发挥着越来越重要的作用。 随着我国经济的迅速发展，对管道运输的需求将更加迫切。截至2 0 0 4 年底，我 国已建成天然气管道总长度22 万余公里。其中，陆上管道已超过2 万公里，海 洋管道达2 0 0 0 多公里 ”。2 0 0 5 年9 月1 日，北京六环路天然气管线工程破土动 工，工程完工后，整个北京燃气管网将达到7 0 0 0 多公里 2 j 。2 0 0 6 年1 月初，我 国首条跨国天然气管道中哈天然气管道项目开始论证，年底前有望完成论 证，该管道设计总长3 0 0 0 公里，年输气能力为3 0 0 亿立方米【3 l 。城市供水系统 更是极为庞大的管道网络。截止到2 0 0 2 年底，全国供水管道总长度达到3 1 2 6 万公里。以北京为例，供水管线总长度达7 0 2 3 0 2 公里，全市年供水量7 亿多立 方米，供水服务面积8 9 1 6 5 平方公里【4 】。 管道运输能够节省大量物流运输费用，但其泄漏问题又会常常造成重大经济 损失。目前世界上5 0 以上的管网趋于老化，由于长期运营，腐蚀、磨损、意外 损伤等原因导致的管线泄漏时有发生。对于自来水管网，在发达国家里管道泄漏 率控制在5 2 0 左右，而在国内由于城市基础设施相对落后，供水设备的更新及 技术水平提高缓慢，加之管理体制落后于不断发展的形势，使大多数城市供水漏 失率多在2 5 3 0 口】，- 与发达国家相比还有很大的差距，而我国的人均水资源仅 有2 2 0 0 ，是世界人均占水量的1 4 。由于水污染和水资源浪费相当严重，2 0 0 3 年我国万元g d p 用水量为4 6 5 m 3 ，是世界平均水平的4 倍，用水效率非常低下 【6 。据调查，仪北京市每年平均管道泄漏生活饮用水达l 亿吨，中国平均每年因 管道泄漏所造成的经济损失高达2 0 0 0 多亿人民币。因此，研究管道泄漏无损检 测方法及技术，具有重要的理论意义和实用价值。 管道缺陷检测技术有多种，大多采用常规无损检测方法，如常规超声、射线、 磁粉、涡流、渗透和磁记忆技术等，尽管使用这些常规无损检测方法对管道检测 磁粉、涡流、渗透和磁记忆技术等，尽管使用这些常规无损梭狈4 方法对管道检铡 北京工业大学工学硕士学位论文 有着众多的优势7 墙 ，如技术成熟，只需对工人稍加培训，就可以利用现有的专 门设备进行检测。但这些技术都存在一些严重的不足，必须逐点检测，检测速度 慢，劳动强度大，许多技术不可能对管道进行长距离在役检测，因此这些技术不 可能有效地用于工业中广泛使用的成千上万公里的管道全程检测。 国内外对管道泄漏检测方法的研究已有几十年的历史，但由于管道的复杂性 和泄漏的多样性，使得目前还没有一种简单、可靠而通用的方法解决管道泄漏检 测问题。目前国内外常见的管道泄漏检测方法主要有： ( 1 ) 管道爬机法它把管道爬机从一端放入管道，沿管道行走，利用超声波、 漏磁等技术采集管道信息，从而可以判断管道是否存在缺陷【9 】。但其缺点是价格 昂贵，不能长时间监测。 ( 2 ) 负压波法它是一种声学方法。所谓压力波实际上是在管道介质中传 播的声波。当管道发生泄漏时，由于管道内外的压差，泄漏点的流体迅速流失， 压力下降。泄漏点两边的液体由于压差而向泄漏点处补充。相当于泄漏点处产 生了一定速度传播的负压力波。根据泄漏产生的负压波传播到上下的时间差和 管道压力波的传播速度就可以计算出泄漏点的位置。该方法能迅速检测出大的 或者突然爆发的泄漏，但对比较小或者己发生的泄漏检测效果不好。 ( 3 ) 示踪剂检测法在管道所运输送的流体中掺入液体示踪剂，当管道泄 漏时，从管道中流出的流体中的示踪剂挥发，并通过分子扩散弥漫到周围的土 壤中，搜集这些气体并分析检测管道的泄漏。但该方法检测反应速度较慢，检 测周围环境的变化工作量较大，不能精确定位。 ( 4 ) 质量平衡、法【m 1 1 1 该方法基于管道流体流动的质量守恒关系，在管道 无泄漏的情况下进入管道的流体质量流量应等于流出管道的流体质量流量。当 泄漏程度达到一定量时，入口与出口就形成明显的流量差。但用这种方法确定 泄漏位景，对少量泄漏的敏感差，不能及时发现泄漏，因此该方法需要和其他 方法联合使用。 ( 5 ) 光纤传感器检漏法采用不同类型的光纤传感器，可以测量不同类型的 信号。m k a s c h f l 2 1 等研究了一种新型的分布式光纤传感器用于液体泄漏检测与定 位；j p k 1 l n m e r 【1 3 】等利用光纤温度传感器对地下输气管道进行探测。该方法适 用于长距离管道检测，但是该方法费用高，技术复杂，对传感器的灵敏度要求也 第l 罩绪论 比较高。 ( 6 ) 声发射技术声发射技术是上世纪五十年代后期迅速发展起来的一种无 损检测方法，它利用流体泄漏时引发的沿管道传播的应力波来判断泄漏和定位。 它具有能动态监测且覆盖面大的优势，效率较高，因此该方法对于管道的泄漏检 测具有潜在的特殊优势。四十年来，声发射技术发展很快，发达国家在某些方面 已经达到工业实用阶段，比如在核容器运行中的安全性检测、复合材料压力容器 检测等方面取得了很大成果1 4 。6 】。我国于上世纪7 0 年代开始声发射技术的研究 和应用，该技术应用范围已经覆盖航空、石油、石油化工、汽车、建筑等领域 1 7 】。 由于声发射技术的众多优点，以及新一代全数字化声发射仪器和功能强大的信号 处理软件的问世，声发射技术将会得到更广泛的应用1 ”。 1 2 国内外研究现状 世界上自从有了供水管网以后，降低漏损的技术手段即检漏技术就应运而生 了。泄漏检测仪器由低级到高级大致发展了以下几个阶段 2 2 】： ( 1 ) 听漏棒主要用于阀栓听音及确定漏点等，它是一种能够捕捉管道中漏 水声音大小、真伪的设备。在我国解放初期，上海自来水公司成功地仿制了木制 听漏棒，后来又开发了金属听漏棒。目前，木制听漏棒已不再使用。而金属棒具 有声音可放大数倍，使用灵活，便于钻孔听音，长度可调整等优点，但要求操作 人员具有丰富的工作经验，而且无法确定漏点位置，需要利用听漏仪或相关仪精 确定位漏点位置。 ( 2 ) 听漏仪它主要用于路面听音，是一种在路面上捕捉漏水音的设备，通 常在水泥路面或管道埋设不深时检漏效果较好，但对埋在绿化带、土路等情况下 的管道检测效果不佳。该仪器多在深夜外界干扰较少的情况下使用，并且和听漏 棒一样要求使用者具有丰富的实践经验。在1 9 7 4 年华中理工大学和扬州大学曾 经成功研制了作为教学用具的检漏仪。 ( 3 ) 相关仪它是一种不依赖人的听力，只要输入现场条件就可以自动计算 出漏水点的设备。相关仪是应用现代的相关技术综合而成。其原理是通过装设在 泄漏管线两端的传感器接收漏水所产生的连续的不规则振动音，根据两传感器间 的距离、声音到达的时间差、振动音传播速度等数据进行相关计算，求得漏水点 的位置。目前，我国市场上销售的相关仪多为国外进口产品，而我国自行研制的 该类产品所占份额则相对较少。 1 3 相关仪简介 一些发达国家利用声发射技术进行管道泄漏检测水平较高。在2 0 世纪8 0 年 代，相关仪在英国、法国、日本、德国、瑞士和美国等已经开发成功，并且已经 走向市场。9 0 年代后期，我国引进的相关仪产品较多并且应用较成功。下面介 绍了几种典型的相关仪，这些产品代表了当前相关仪发展的技术水平。 ( 1 ) 漏点定位系统a q u a s c a n7 0 0 0 如图1 1 ( a ) 所示，该相关仪是瑞士固 特曼公司产品。它是一台与g p s ( 全球定位系统) 、g i s ( 地理信息系统) 及现代 化信息技术融合的高性能超级相关仪。该仪器由2 个高灵敏压电陶瓷传感器、笔 记本、2 个远程发射机、a q u a s c a n7 0 0 0 主系统处理器单元等共同组成。系统 内置所有常用管材，可以自动计算实时现场声速。具有f f t 分析、相干分析、 多频段分析功能。可以输出完整的报告，包括草图、扫描图或略图、位置数码图 片等。 ( 2 ) 漏水噪声相关仪m c 6 如图1 1 ( b ) 所示，漏水噪声相关仪是一套高速 度漏点定位系统，采用了最新的电子相关技术，可以对自来水管的泄漏点进行 精确定位。这一系统的主要特点有：高灵敏度传感器，低频响应更佳，解决了 塑料管道等困难条件下的漏水探测问题；高保真声音质量；连续相关特性以探 测间断的或微弱的漏水噪声；双相关功能一时间域和f f t ；辅助滤波器选择， 用于困难条件下的漏水探测；数据处理电路和软件的改善；坚固耐用的设计， 适于野外恶劣工作环境下使用；塑料管道和大口径主干管道测漏性能的改善； “实时”相关数据的数字化存储；相关速度更快，峰值更清晰。 ( 3 ) 多探头相关仪s o 吼d s e i l s 它是目前比较先进的相关仪：集漏水预定 位和精定位于一体，仅一次检测即可完成一定区域内的漏点预定位和漏点精定 位。而且对管道属性要求不高，可以在不清楚管材管径的情况下，进行漏水点 定位。从而实现了从一段管线到大面积的检漏普查，仅用一套仪器就可以完成。 该仪器主要有笔记本、相关仪主机、传感器( 至少2 个) 等组成，如图1 1 ( c ) 所 不。 b 、 c ) 图1 - 1 泄漏检测设备 a ) a q u a s c a n7 0 0 0b ) m c 6c ) s o u n d s e i l s f i g 1 1l e a l 【t e s t i n g 印p a r a t u s a ) a q u a s c a n7 0 0 0b ) m c 6c ) s o u n d s e l l s 1 4 本实验室相关仪样机的研究情况 本实验室依据自身积累的多年管道泄漏检测研究经验，已经开发出了一台相 关仪样机。市场上销售的相关仪从结构上大致可以分为两种，一种为笔记本型相 关仪，另一种为嵌入式相关仪。笔记本型相关仪需要额外配置笔记本电脑进行数 据处理，增加了设备成本，而嵌入式相关仪的主机即可完成数据处理，体积小， 便携性好。出于成本和便携性考虑，本实验室的样机最终采用嵌入式结构。整台 样机由智能传感器、主机和定位软件三部分共同组成。 ( 1 ) 传感器口3 】采用高性能、低功耗加速度芯片作为敏感元件，1 6 位高性 能单片机作为传感器的核心处理器。外扩4 m bf l a s h 存储器，用于数据存储。 为了方便用户对传感器设置操作，传感器与主机之间采用无线通信方式。它内置 无线模块，可用于接收来自主机的命令和向主机传送数据： ( 2 ) 主机部分主机内部采用双处理器协同工作模式，由6 承m 和d s p 共同 组成。删处理器主要负责整个系统的运行。d s p 处理器用于处理传感器采集 到的数据，实现快速定位。主机配有4 0 9 6 色，“o x 4 8 0 液晶屏用于结果显示， 并配有触摸屏用于接收来自用户的指令。此外，主机还预留了u s b 口、l a n 口、 r 2 3 2 口可用于后续开发。主机的操作系统采用开源操作系统u c l i n u x 。该操作系 统负责系统资源的管理，包括对显示屏、触摸屏、d s p 等外设的驱动支持； ( 3 ) 定位软件【2 4 泄漏定位软件采用m i n g u i 图形库开发。该软件为图形界 面形式。软件主要功能包括波形显示、f f t 显示、滤波处理和泄漏定位。泄漏定 位算法主要包括原始相关、有偏相关和无偏相关三种算法。 目前，该样机已经可以正常运行。但与现在市场上的成熟的泄漏定位仪器产 品相比，整台样机无论是在功能还是在性能上都还存在着一定差距，如果要应用 于实际情况当中，仍有许多改进工作要做。 1 5 课题的来源及主要研究内容 本课题属于北京市教委科技发展计划资助项目基于模态声发射技术的 管道泄漏检测系统研制( 编号：鼬1 1 2 0 0 3 1 0 0 0 5 0 1 2 ) 。本课题的主要研究内容是 针对本实验室开发的这台样机分别从硬件和软件上进行设计或改进，使之功能更 加完善。主要工作内容将涉及到：传感器的设计与研制、a r m 主板内存电路的 设计及电路板的绘制、泄漏定位算法的移植与优化、图形界面的开发。 第2 章样机总体分析 样机系统由一台主机和两个传感器组成，为典型的嵌入式相关仪产品结构。 整个系统按功能可划分为三个单元：采集单元、主机单元和泄漏定位单元。主机 泄漏定位单元 ( d s p 程序+ m i n i g u i 图 形库1 ： 主机单元 ( 主机硬件+ u c l i l l u x 操 作系缔) ： 采集单元 传感器1 传感器2 图2 1 主机系统构成 系统结构如图2 1 所示。采集单元主要是 指传感器，用于泄漏信号的采集i 主机单 元实际上就是一台嵌入式微机。其硬件电 路采用双c p u 结构一a r m + d s p 架构，它 不仅便于系统资源的管理，而且也能保证 系统的运行速度。主机中移植了嵌入式操 作系统u c l i n u ) 【，由该操作系统为显示屏、 触摸屏、h p i 口等主机外设提供驱动支持； 泄漏定位单元通过主机的显示屏和触摸屏 f 嘻2 1m a 证m a c h i n es y s t e m实现与用户的交互，该单元实质上是构建 在m “g u i 图形库上的泄漏定位软件，负责提供信号处理、定位分析等功能。 2 1 样机整体分析 2 1 1 传感器分析 传感器是样机中非常重要的组成部分，传感器采集信号的正确与否将直接关 系到泄漏定位是否准确。原传感器硬件电路共由敏感元件、调理模块、采集模块、 数传模块和电源模块等5 部分组成。敏感元件采用a d i 公司的高性能加速度传 感器a d x l 2 0 2 ，利用该芯片实现泄漏信号到电信号的转换；调理模块将信号进 行放大与滤波；采集模块由m s p 4 3 0 单片机、a d 芯片l t c l 2 7 7 和4 m bf l a s h 组成，实现数据采集与存储；数传模块用于接收主机命令以及向主机传送数据； 电源模块为整个传感器供电。 前面所述的模块单元中，有些芯片采用士5 v 供电方式，有些需要+ 3 3 v 供电， 原传感器的电源模块为系统提供3 路电源。整个传感器采用单节锂电池供电，其 供电范围为3 0 4 2 v ，所以在原电源模块中需要利用d c 。d c 升压芯片将锂电池 北京工业太学工学硕士学位论文 电压提升。升压后的电源输出处理得并不纯净，造成电源的纹波较大，全部高于 1 0 0 m v ，如图2 2 所示。加速度芯片输出的信号经过调理模块后，噪声信号已经 高达3 0 0 m v ，导致泄漏信号淹没在噪声信号中，传感器无法采集到有用的泄漏 信号。此外，传感器的增益为固定值，在实际应用中也很不方便。原传感器中敏 感元件的中心频率为1 0 k h z ，而采样率只有5 k h z ，这也造成了有用信号的损失。 上述这些不足之处均需要在以后的设计中得到改正。 e 专 疆 馨 mm 采样点 a 、 教 b ) 图2 2 电源纹波 a ) + 5 v 电源纹波b ) - 5 v 电源纹波c ) + 3 v 电源纹波 f i g 2 2p o w e r p p l e a ) m p p l eo f + 5 v b ) r j p p l eo f - 5 vc ) r i p p l e o f + 3 v 2 1 2 主机单元分析 c ) 主机单元采用双c p u 协同工作模式。两款c p u 分别采用韩国三星公司的 s 3 c 4 4 8 0 x 和美国t i 公司的t m s 3 2 0 c 5 5 0 1 。t m s 3 2 0 c 5 5 0 1 的主要功能是辅助 s 3 c 4 4 b o x 进行计算，d s p 实际上是a r m 的协处理器。为了便于用户与主机交 互，选取了6 4 0 4 8 0 的液晶屏幕和触摸屏作为主机显示和输入设备。 s 3 c 4 4 8 0 x 是三星公司专门为手持终端设备设计的一款低功耗，高性能的微 处理器。s 3 c 4 4 b o x 内置8 k b 的缓存，最高主频可达6 6 m h z 。这款处理器集成了 大量片上外设，方便了用户的应用。本系统中使用8 m bf l a s h 作为系统程序存 储器，1 6 m bs d r a m 作为系统内存。s 3 c 4 4 b o x 的2 个u a r t 口分别设计成调试 接口和通信接口。a d 转换通道被用来采集触摸屏电压。这些片上集成外设的存 在是这款处理器被选用的重要原因。 r i m s 3 2 0 v c 5 5 0 1d s p 是t i 公司生产的一款1 6 位字长的定点d s p 。这款处理器 第2 苹样机总体分析 的工作主频最高可达3 0 0 m h z 。它支持8 位并行主机接口h p i ( h o s t p o r ci n t e r f a c e ) ， 可以通过h p i 与其他处理器进行通信，完成多c p u 协同工作。在本系统中， t m s 3 2 0 v c 5 5 0 1 和s 3 c 4 4 8 0 x 之间通过h p i 进行通信，实现双处理器协同处理。 此外，还通过e m i f 口为t m s 3 2 0 v c 5 5 0 1 扩展了8 m b 的外部s d 融气m 存储器，不仅 满足了当前的需要，还为将来的程序升级预留了空间。 为了便于系统资源和硬件设备的管理，系统中移植了嵌入式操作系统 u c l i n u x 。它是目前一款非常流行的嵌入式操作系统，并且还是一款完全免费的 操作系统，这样可以大大降低产品的开发成本。u c l i 肌x 集成了l i n u x 稳定性，强 大的网路功能，支持多种文件系统等优点。本系统利用u c l i n u x 管理众多的硬件 驱动程序，包括触摸屏、串口和h p i 口等驱动程序。由u c l i n u x 为上层应用程序提 供驱动程序接口，应用程序即可实现对硬件设备的控制，便于上层应用程序的开 发与升级。 主机中a 蹦主板选用2 片8 m 的s d r a m 作为系统内存。s d ra m 在系统中主 要是用于临时数据的存储与读取。它在整个系统运行时使用最为频繁。该主板在 设计时采用了两层电路板，对于高频电路来说，两层电路板抗干扰性较差，并且 主板上f l a s h 、s d r a m 与a r m 之间的数据总线和地址总线走线过长，如图2 3 所示，造成了系统运行时的不稳定，有时系统会出现死机情况。所以，a i 洲主 板的稳定性有待进一步提高。 图2 3a r m 主板数据和地址总线 f i g 2 3d a t ab u sa n da d d r e s sb u so f a r mb o a r d 2 1 3 泄漏定位单元分析 泄漏定位单元主要由基于m i i l i g u i 开发的图形界面和d s p 核心算法共同组 成。m i n i g u i 是一个自由软件项目，它的目标是为基于l i n u x 的实时嵌入式系统 北京工业大学工学硕士学位论文 提供一个轻量级的用户界面。m i i l i g u i 中定义了组轻量级的窗口和图形设备接 口，用户可以利用这些接口创建窗口、菜单和按钮等常见g u i 元素。目前， m i n i g u i 经过修改已经成功地移植到l i n u x 环境中，并利用m i i l i g u i 函数库开发 出了样机的用户界面。操作人员可以通过点击图形界面实现对样机进行操作。样 机的核心泄漏定位算法主要采用相关算法，并且还提供了滤波、f f t 变换等基本 的信号处理功能。 在后续的实验中发现，样机中采用的相关定位算法的定位准确率较低，并且 系统的数据处理速度也较慢，每次定位运算时间至少在1 5 秒以上。样机系统的 用户界面美观性较差，功能也不完善。这些不足之处都将在本课题中得到改进。 2 2 总体任务 通过上面对样机各个单元的分析，提出了样机尚存在的一些不足之处。本课 题今后的主要工作内容就是针对这些不足之处进行改进甚至重新设计，主要工作 内容包括： ( 1 ) 传感器原传感器在设计时，电源模块方案存在严重缺陷，导致了整个 传感器无法采集到有效的泄漏信号。在后续的电路设计中，将放弃这种设计方案， 整个传感器采用单端供电方式。这里主要工作内容将涉及到传感器芯片的重新选 型、模块电路的设计以及传感器程序的编写。 ( 2 ) 主机在原系统中，为了保证操作系统和应用程序运行时有足够的内存 空间，设计者为a r m 外扩了1 6 m bs d r a m 作为系统内存。该1 6 m b 内存实际 上由两片s d r a m 芯片共同组成，它们分别连接在a r m 外存空间的b a n k 6 、 b a n k 7 上，形成了一个统一内存空间。采用两片s d r a m 不仅增加了设计的成 本，而且每片s d r m 均要与数据总线和地址总线进行连接，导致总线过长，降 低了系统的稳定性。本系统将对s d r 怂d 重新选型，从电路原理设计和p c b 布 线两方面对a 砌订主板进行改进，以提高系统的稳定性。 ( 3 ) 定位算法目前，国内外在管道泄漏定位方面进行了大量的研究，所使 用的定位原理大体上可以分为两类。一类是幅值( 能量) 衰减【2 5 1 的方法。其原理 是声发射泄漏信号在管道传播时，其幅值( 能量) 随传播距离的增大而减小。另 一类是基于时差的方法【2 6 1 。其原理是同一声发射信号到达不同位置的传感器时要 产生时间差，根据时间差可求出信号源的位置。这两种方法都有研究，但大多数 都是利用互相关的方法。这种方法应用于定位时，没有考虑泄漏信号在管道内传 播的频散特性，造成了定位不准，精度低；也有一些考虑了声发射信号的多模态 频散现象，采用模态声发射的方法进行研究，这些研究也只是局限于理论机理的 范围，没有提出有效的、实用的定位工具。本实验室已经开发出基于时空变换 的模态声发射泄漏定位技术，通过从声发射信号中提取单一模态f ( 1 ，1 ) 导波进行 泄漏定位。孟涛【2 7 】已经利用v b 开发出基于该技术的泄漏定位软件，并取得较好 的定位结果。本课题将采用这一算法作为主机的核心算法，并且对该定位算法进 行适当的改进以及优化，提高整个系统的运行速度，这里涉及的工作内容主要是 d s p 程序设计。 ( 4 ) 泄漏定位软件在新版泄漏定位软件中，将重新设计界面背景图片，改 变原软件界面的布局，来提高界面的美观性。在功能上，提供采集、上传数据、 波形显示、滤波、f f t 、导出数据、保存、帮助、信息提示等基本功能，使用户 操作更加容易。 2 3 本章小结 本章首先介绍了样机的整体情况，简要说明了样机的工作原理。之后按划分 的功能单元，分别介绍了各部分的作用，并且分析了目前尚存在的问题。针对提 出的上述问题，明确了本课题需要改进和完善的工作内容。 第3 章智能加速度传感器的设计与研制 传感器是泄漏检测系统中用于接收管道泄漏信号的关键部件。它的：f 作过程 是利用敏感元件将管道泄漏信号转换为电信号，经过信争调理后再将其转化为数 字信号，并存储到数据存储器当中。当接收到主机的上传数据命令时，通过数传 输模块将数据上传到主机中。 3 1 传感器的总体方案 整个传感器的设计采用模块化设计方案，根据其功能可将其划分为5 个模 块。传感器的总体设计方案如图3 1 所示。 图3 - 1 传感器框图 f i g 3 - 1d i a 霉a m o fs e n s o r 在整个传感器中，敏感元件非常关键。敏感元件的选取仍然首先考虑加速度 芯片。这种芯片一般体积较小，外围电路简单，非常适合在本传感器中应用。管 道泄漏信号经过敏感元件转变为电信号，再通过调理模块，进行放大滤波处理。 由于传感器采集到的泄漏信号幅值与泄漏孔的距离，管道压力大小均有关，所以 原传感器调理电路设计时采用固定增益，存在着明显的不足之处。在新的调理模 块设计中，将实现增益可调。采集模块主要由模数转换电路和数据存储电路构成。 该模块负责将电信号转换为数字信号，并存储到f l a s h 当中。当接收到来自主 机的命令时，再通过数传输模块将数据上传给主机。采集模块是整个传感器的核 心，该模块中的c p u 负责处理来自主机的采集、上传数据等命令，监测整个传 感器的运行状态，并将传感器状态信息报告给主机。下面将从电源模块开始，分 感器的运行状态，并将传感器状态信息报告给主机。下面将从电源模块开始，分 别介绍各个模块的设计过程。 3 2 电源模块设计 为了保证传感器能够工作较长时间，并且传感器内部空间有限，所以采用单 节锂电池为传感器供电。单节锂电池的供电范围在3 o v 4 2 v 之间，电源模块将 其进行转换为系统提供需要的电压。而传感器的敏感元件、调理模块和数据传输 模块对电源的要求都比较严格。如果电源纹波比较大，将会导致模拟电路噪声增 大，数据传输模块通信距离缩短。因此电源模块设计的好坏，关系到整个传感器 的成败。 在传感器的电源模块中，不采用开关电源转换芯片。该电源模块只提供两种 电源+ 3 3 v 和3 o v o 2 v 可变电压输出。3 0 叫2 v 电压直接引自锂电池。锂电池 提供的电源纹波非常小，只有2 0 m v 左右，所以可以为系统直接供电。+ 3 3 v 电 压采用电源转换芯片转换提供。目前在市场上，+ 3 3 v 的电源转换芯片有很多种 类型，下表列出了3 种芯片的参数： 表3 1 电源转换芯片 1 a b l e3 一lc l l i p so f p o w e rc o n v e r s i o n 名称输入电压输出电流外接电路类型 m i c 3 9 1 0 0 3 3 2 2 5 v 以上可达l a简单 l d o i t l 7 6 3 1 8 v 以上 5 0 0 m a 一般 l d o i t c l 7 5 1 3 32 5 v 以上1 0 0 m a一般d c 仍c 通过对上面的芯片性能的比较，最终选择芯片m i c 3 9 l o o 3 3 。这种芯片外接电 路简单，并且属于l d 0 【2 8 1 ( 低压降线性调节芯片) ，对于额定输出电压为3 6 v 的锂电池来说，完全满足要求。电源模块的原理图如图3 2 所示，为了减少数字 电路对模拟电路的干扰，在模拟电路和数字电路供电的电源线间用磁珠加以隔 图3 - 2 电源电路 f i g 3 2p o w e rs u p p l yc i r c l i i t - 1 3 - 离，并且在数字地和模拟地交界处用电感加 以隔离。v i n 为锂电池输入电压，同时也为 系统中某些可在宽电压范围内工作的芯片供： 电，经m i c 3 9 1 0 0 转换后v d d 为数字电系路 翟 供电，a v d d 为模拟电路供电，d 1 为电源的 指示灯。改进后的电源模块的纹波如图3 - 3 所示，大约在2 0 m v 左右，与前面图2 2 所示 原传感器中电源模块的纹波相比得到明显改 善。 3 3 敏感元件选型 k “址山“| j | j i 圳川j 山l “山山【l | i _ 川 7 n 1 叩_ f 1 1 w 1 7 叩唧l 邗m w r 哪 图3 3 电源纹波 f i g 3 3p o w e rr i p p l e 在国外的相关仪器产品中，传感器多为压电式加速度传感器。这种类型的传 感器的结构及制作工艺要求高，成本高。为了降低设计难度，并且保证较好的效 果，所以选用采高性能加速度芯片作为本传感器的敏感元件。纵观众多类型的加 速度芯片，如l i s 2 l 0 2 a o 、a d x l 2 0 2 e 、a d x l 0 5 、m m a l 2 0 0 d 和m ma1 2 0 1 p 等，基于芯片的供电范围、灵敏度、中心频率及外形尺寸等多方面考虑，最终仍 选定a d x l 2 0 2 e 作为敏感元件。a d x l 2 0 2 e 是基于单块集成电路的低成本、低 功耗、功能完善的双轴加速度传感器，量程为土2 9 。它可以输出与加速度成正比 的模拟电压，也可以直接输出数字信号，其数字信号的脉宽占空比与加速度成正 比，该数字信号可以直接传输给微处理器，而 不需要a d 转换或附加其它电路。a d x l 2 0 2 e 采用8 脚表贴封装，其引脚分布如图3 _ 4 所示。 其中第3 引脚和第8 引脚分别为地和电源，其 电源输入范围为3 v 一5 2 5 v ，电源模块供电可以 满足芯片要求；第4 引脚和第5 引脚分别为数 字信号输出的y 轴和x 轴；第6 引脚和第7 引 脚分别为模拟信号输出y 轴和x 轴。 b o t t o mv l e w 图3 - 4a d x l 2 0 2 e 引脚分布图 f i g 3 4a s s i 孕咖e mo f a d x l 2 0 2 e 由于本系统要求动态、实时的采集信号，因此采用a d x l 2 0 2 e 的数字输出 是达不到本系统所要求的采样频率，所以本系统采用了模拟输出。另外由于只采 集一个方向的声发射信号，所以只使用了双轴中的x 轴，即本系统所使用的模拟 信号由a d x l 2 0 2 的第7 引脚输出。在7 引脚内部有一个3 2 k q 电阻，可以通过 在该引脚外接电容，来设置加速度芯片的带宽。本系统中将加速度芯片带宽设定 为5 k h z ，具体电容值选取可以通过式3 1 计算得出。 c ( 毛力2 面面洒 妈。1 式中c ( x ，y ) a d x l 2 0 2 e 在x 轴和y 轴的外接电容： 凡。信号降低o 7 0 7 倍处的频率，即截止频率。 加速度芯片的具体设置如图3 5 。 3 4 调理模块设计 图3 5 加速度芯片设置 f i g 3 5s e 牡m go f a c c e l e r a t i o n 加速度芯片输出的模拟信号在进入采集模块前，首先要经过调理模块进行信 号调理。该模块的主要功能是对模拟信号进行放大与滤波处理。在放大电路和模 拟电路主要芯片选型上，主