（测试计量技术及仪器专业论文）管道破坏监测系统研究.pdf

中文摘要 伴随着管道运输网络在我国的迅猛发展，管道泄漏成为一个墨益严重豹问 题，恧各釉泄漏原因中又以“管道第三方破坏 最为常见。为保护油豳管网的安 全运行，有效地监测此类破坏非常重要，在这种背景下，项目组开展了与大港油 豳的合作研究。 本研究项毽起始于实验室自主研发的一种声学传感器，经过调硪，项尽组提 出了一套对“管道第三方破坏进行监测的方案。方案的原理是：伴随着管道第 三方破坏，会在管道内产生“特殊声信号”，这些声信号会通过管道中的介质向 远处传播。如果能实时提取出管道中酶搿特殊声信号”，就相当予鉴测到了破坏 行为。这样的“监测系统”有望在管道未泄漏时即发出报警，相比现有绝大部分 管道泄漏检测系统( 针对泄漏现象检测，而不是针对破坏行为检测) ，是一种创 毅思路。 本文所做的工作是设计并实现上述“监测系统的硬件平台( 包括电路和相 应的驱动程序) 。基于数字信号处理技术和语音识别的思想，硬件平台采用了 d s p + c p l d 构成下位祝，p c 构成上位机的总体架构。由下位机完成对声学传感 器信号的高速采集和实时处理，由上位桃负责讯息记录和总体控制。 完成本文中的工作意味着“监测系统”的核心功能已经实现，硬件和软件框 絮已经架设完毕，后续工作就是对局部电路、算法和用户界面的改进程测试了。 关键词：管道第三方破坏d s p 电路c 语言硬件编程 自启动串口通讯 a b s t i a c a st h er a p i dd e v e l o p m e n to fp i p e l i n et r a n s p o r t a t i o nn e t w o r k si nc h i n a ，t h el e a k a g e o fp i p e l i n eh a sb e c o m eam o r ea n dm o r es e r i o u sp r o b l e m a n da m o n gt h ec a u s e so f l e a k a g e ，i t st h e t h i r dp a r t yd a m a g eo np i p e l i n e ”t h a tm o s t l yh a p p e n s t os e c u r et h e s a f er u n n i n go fp i p e l i n en e t w o r ki no i l f i e l d ，m o n i t o r i n gt h i sk i n do fd a m a g e e f f e c t i v e l yh a sb e e nc r u c i a l 。i nt h i ss i t u a t i o n ，o u rg r o u ps t a r t e dr e s e a r c hi nc o o p e r a t i o n w i t hd a g a n go i lf i e l d t h i sr e s e a r c hp r o j e c ts t a r t e dw i t has e l f - d e v e l o p e da u d i os e n s o r ，a f t e ri n v e s t i g a t i o n ， o u rg r o u ps u g g e s t e da no v e r a l lp l a nt om o n i t o r t h i r dp a r t yd a m a g eo np i p e l i n e ” t h ef u n d a m e n t a lo f t h i sp l a ni s ：a st h eh a p p e n i n go f t h i r dp a r t yd a m a g eo np i p e l i n e , t h e r ew o u l db es o m e “s p e c i a la u d i os i g n a l s ”a p p e a r i n gw i t h i np i p e l i n e ，a n dt h e s e a u d i os i g n a l sc o u l dt r a n s m i tf a ra w a yv i am e d i u mi np i p e l i n e 。i ft h e “s p e c i a la u d i o s i g n a l s ”i np i p e l i n ec o u l db ed e t e c t e d ，i te q u a l st h ed e t e c t i o no fd a m a g eb e h a v i o r s t h i s m o n i t o r i n gs y s t e m h a st h ep o s s i b i l i t yo fs e n d i n go u ta l a r mb e f o r et h el e a k a g e o fp i p e l i n e , c o m p a r i n gt om o s tp i p e l i n el e a k a g ed e t e c t i n gs y s t e m sw h i c ht a r g e tt h e p h e n o m e n o no fl e a k a g e ，n o td a m a g eb e h a v i o r s ，t h i si sac r e a t i v ei d e a t h ew o r ko ft h i sp a p e ri sd e s i g n i n ga n dr e a l i z i n gt h eh a r d w a r ep l a t f o r mo ft h ea b o v e “m o n i t o r i n gs y s t e m ，i n c l u d i n g c i r c u i ta n dr e l a t e dp r o g r a m s b a s e do nd s p t e c h n o l o g ya n dt h ei d e ao fa u d i oi d e n t i f i c a t i o n , t h eh a r d w a r ep l a t f o r ma d o p t sa s t r u c t u r ew h i c hf e a t u r e sf o rd s p + c p l df o r m e dl o w - p o s i t i o nc o m p u t e ra n dp c f o r m e dh i g h p o s i t i o nc o m p u t e r t h el o w p o s i t i o nc o m p u t e rf i n i s h e sh i g h s p e e dd a t a a c q u i s i t i o no fa u d i os e n s o ra n dr e a l t i m ep r o c e s s i n g ，w h i l et h eh i g h - p o s i t i o n c o m p u t e ri si nc h a r g eo fm e s s a g er e c o r d i n ga n do v e r a l lc o n t r 0 1 t h ec o m p l e t i o no fw o r k sm e n t i o n e di nt h i sp a p e rm e a n st h ec o r ef u n c t i o n so ft h i s m o n i t o r i n gs y s t e m ”h a sb e e na c h i e v e d t h es t r u c t u r eo f h a r d w a r ea n ds o t t w a r eh a s b e e ns e tu p t h ef o l l o w i n gw o r k sw i l lb ei m p r o v i n ga n dt e s t i n gs o m ep a r t so ft h e c i r c u i t , a l g o r i t h ma n du s e ri n t e r f a c e ， k e yw o r d s ：t h i r dp a r t yd a m a g eo np i p e l i n e ，d s pc i r c u i t , cl a n g u a g e ，h a r d w a r e p r o g r a m m i n g , b o a t l o a d ，s e r i e sp o r tc o m m u n i c a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取褥的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他入已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫鲞盘堂或其他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彳壬何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 在以牟 签字蠢期： 2 移刁年? 胄刃医 j jf 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解基鲞蠢堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞基堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阕。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密焉适用本授权说明 签爪字 j 月刃网 导烬签名： 多京。幻 签字日期：2 妒7 年月歹护日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 管道第三方破坏监测的意义 管道运输是与铁路、公路、航空、水运并驾齐驱的五大运输业之一，在国 民经济和国防正业发展中发挥着重要的作用。管道在输送液体、气体、浆质等 物品方面具有独特优势，自2 0 世纪7 0 年代以来世界管道工业发展很快，每年 有价值数百亿美元的石油、天然气和其它相关产品通过地下管道运输。随着我 星谣部油气舀、海上石油资源的拜发及“谣气东输工程的启动，管道运输业 在我国发展也非常快。在这种情况下，为了确保输送管道的安全运营，延长管 道的在役寿命，并最大限度地降低输送损失，对管道上发生的异常情况( 如管 道泄漏、开挖、人为，自然破坏等) 进行实时监测、定位和预警是必然的要求。 管道第三方破坏( t h i r dp a r t yd a m a g e ) 的概念是美国能源部在二十世纪九 + 年代开始提豳的，它包括：使逶铁静j 或销裁工兵在管道上人为钴孔、打孔； 重型机械设备挖坏管道；车辆对管道的意外冲击；管道表面或半表面的爆炸， 等等。有统计资料表明，近年来，管道第三方破坏已经成为所有管道破坏中最 多发生的因素，因此对于管道第三方破坏的监测显得特别重要和迫切。 本课题与大港油田合作开展，在现场了解到：人为的故意破坏( 打孔、切 割、钻孔) 是掰前主要的管道第三方破坏凝因。霹辕会上一些不法分子为谋取 暴利，频繁在埋地输油管道上钻孔盗油，此类行为不仅引发管道泄漏事故和安 全事故，丽且给謇家移企业造成了巨大经济损失。在这种背景下，油隧方垂遣 切需要一种不仅能发现泄漏现象，更能监测第三方破坏行为的“监测系统，力 争在破坏行为尚未造成管道泄漏时就发现它，这就是本课题研究的出发点。 1 2 管道检测在国内外的相关研究情况 管道检测鼹有很高的复杂性，如管道输送介质的多样性，管道所处环境的 多样性，泄漏形式的多样性等，因此没有一种通用豹方法能够解决管道靛蠢种 检测问题。当前众多的管道检测方法可以分为：直接检测法和间接检测法。 直接检测法包括：人工巡视法，管内直接检测法，和电缆检测法等。 人工巡视法是由工作人员沿线巡查管道，查看管道附近的士壤有无裸露和 异常情琵躲油浸、变色等) 。 第一章绪论 管内直接检测法是将管内探测球( 也叫探测机器人) 从被检测管道的一端 放入，使其携带管道检测装置治蔫管线内部顺流面下，基予磁逶、涡流、数字 图像处理等技术检测管壁的腐蚀情况、缺陷及泄漏状况。 电缆检测法是在管道外壁敷设一种特殊的线缆，如泄漏检测专用线缆、半 渗透检测管、检测光纤等，当澄漏物质渗入电缆后，会引起电缆特性的变化， 从而对泄漏位置进行定位。 间接检测法是工业现场最常用的检测方法，在油气储运界应用也最广泛， 随着电子技术、计算机技术和数字信号技术的发展，它的发展也最为迅速。墨 前这类方法已经从单一的物理参数检测发展到了多参数检测，从静态模型分析 方法发展到动态模型分析方法，从非实时检测发展到在线实时检测技术。主要 有如下几种：质量 。 第三、开发了在d s p 硬件子系统中运行的软件框架，相当于硬件驱动程序， 实现了信号的高速采集和初步的检测报警( 第4 章) 。 第疆、总结了研究取得的成果和经验，并为下一步研究提如了建议( 第5 章) 。 本文的特点是将“声波信号检测”概念与“语音识别”思想结合起来，选 择了高速d s p 芯片作为处理器，制成嵌入式电路系统，该电路系统体积小，功 耗低、运算能力强，可升级潜力犬，为野外管道主动防护监测现场提供了信号 采集和处理的关键部件。 该嵌入式电路系统的_ 开发涉及了先进的硬 睾( 如d s p 、c p l d 、四层电路 板设计) 和软件( c 语言、p r o t e l 、v c 十+ 、c c s 集成开发环境) 应用技术； 经现场实验验证，原理正确，工作可靠。 6 镕= ”系统总体谩* 第二章硬件系统总体设计 2 i 硬件系统的目标功能 硬件系统的目标功能如下图2 1 所示：传感器( s e n s o r a ，s e n s o r b ，s e n s o r c ) 安装在管道内部当第三方破坏( s h o c k ) 发生时声波( s o u n dw a v e ) 会 通过管道内的介质向远处传播，当传感器接收到声信号后立即由附近的“信号 处理子系统”进行信号处理，信号处理结果通过一定的传输阿络( c o m m u n i c a t i o n n e t w o r k ) 上传给监控中心( s u p e r v i s o r ) ，监控中心依据接收到的讯息进行破坏 定位报警和控制。 5 h o c k o r l e a k 图2 - 1 硬件系统目标功能示意图 第= r 件系总体设 上面提到的“信号处理子系统”是系统中承上启f 的关键部分也是本文 工作的重点，其位置和功能可通过下面的图2 - 2 和图2 - 3 来说明： 每个传感器( 一般l 临近传感器相隔几公里) 的附近部连接一个“信号处理 子系统”，如下图中蓝色方盒所示，它们负责：2 4 小时连续采集传感器信号， 实时进行信号处理，滤除大量的噪声信号，根据一定的算法判断破坏行为，是 后经通讯网络向监控中心报告讯息。 图2 - 2 信号处理子系统惶置示意图 岛2 - 3 信号处理了系统功能示意图 第二簿硬件系统总体设计 2 2 硬件系统的特殊要求 在设计硬件系统总体方案之前，还需要要明确应用现场对硬件系统的一些 特殊要求。经过在大港油田的现场考察，分析得出硬件系统需要满足以下要求： 第一、信号采集速度。硬件系统前端连接的是个声学传感器，它采集的 是管遴内酶声波信号，两且必须连续不闻断采集，信号量很大，于是需要硬件 系统的信号采集具有高速度。 第二、信号采集精度。管道内的噪声很多，特殊声信号樵比噪声可能很微 弱，于是需要硬件系统的数据采集具有高精度。 第三、数据运算速度。采集信号之后，需要实时地完成数据处理，所谓实 时，是要求在采样时间间隔内，巾夹处理芯片完成所有需要处理的数据处理任 务，并处于空闲状态( 或进程) ，等待下一个采样点的数据到来。考虑到今后可 能要运行复杂的算法，硬 睾系统的中央处理芯片必须有足够豹运算速度。 第四、通讯。硬件系统长期的目标是组成网络，即在系统中布置多个数据 采集点，每个点安置一个信号处理子系统，因此需要在信号处理子系统和监控 计算机之闻留有通讯端醴。 第五、嵌入式。信号处理子系统要在没有人现场管理的条件下工作，因此 它要奄上电謇窟动的功能。 第六、低功耗。硬件系统的工作状态是长时间连续运转，所以需要尽可能 降低功耗。 第七、可扩展。目前是硬件系统研究的初始阶段，信号处理子系统需要实 现的功能和实现方式很多还在摸索，所以电路要预留出足够的“资源”，例如存 储器穰接目，隽今后升级警出余地。 本论文设计的硬件总体方案，尤其是“d s p 硬件子系统的设计，综合考 虑了以上的特殊要求，做到了尽可能地兼顾。具体的，对上述婺求的解决方案， 在本耄后面和第3 章中均有论述。 9 第= | 忭系总体设计 分析 行初步分析是为了在硬件系统设计、实现过程中保持明确 m le d i tp r 0 2 0 软件对在大港油田采样的信号进行了一些定一 号处理的大致方向详细的信号分析是项日组其他同学的 从略。 巷油田实验采集的一段信号( 距离传感器1 4 公里远处用铁一 号) ，之所以选择它来分析，因为它最明显，最简单。图中， 横坐标是时间纵坐标是振幅( 用百分比的形式给出) 。可 声信号经远距离传播后仍然可以观察到。 二；二二二二i 图2 4 敲击管道产生的声信号的时域观察图 镕= $ # 系# * 图2 - 5 中显示的还是刚才那段信号但是变化了坐标系( c o o le d i tf r o2 软件自带的功能) ，横坐标还是时间( 与前一图的标尺也是样的) 纵坐标， 频率( 0 到9 6 0 0 0 h z ) ，信号的幅值通过颜色来表示，越“亮”的地方信号4 值越大。可以明显看出背景噪声集中在2 5 0 0 0 h z 以下的频段，而敲击可以， 生高频的信号( 当然也产生了2 5 0 0 0 h z 以下的响应) ，而且频谱线非常“细” 有利于精确地找到其产生的时刻，进而用于敲击点定位。可以设想如果在1 号处理时做一个“高通滤波”，就可以很大程度地去除噪声干扰。 - m 型：立曼l j ，上丛生! l j 口? 4i 图2 - 5 敲击管道产生的卢信号的频域观察图 镕一 堙件系统总体设 盲号，c o o l e d i tp r o2 0 软件打开了一个小窗口对信号 中横坐标是频率( 0 到9 6 0 0 0 h z ) ，纵坐标是振幅。小镯 曲线是敲击前某埘刻信号的频域展开，第二条线和撵 声信号波形消失之前两个时刻信号的频域展开，其中撵 间振幅最大的时刻，第二条线是从第一条线变到第三条 噪声集中在低频段( 2 5 0 0 0 h z 以下) 之外，还表明敲击 升，所以如果对高频段( 2 5 0 0 0 h z 以上) 的三条曲线 横线横线之间的距离就可以作为初步判断管道遭破坏 击，横线跳变一定很大偶然的轻微敲击，横线跳变就， 舞堂竖受坚蔓壁壁! 苎鬯塑! 苎塑塑 2 - 6 肓l _ 击管道产生的卢信号的频谱分析图 第二章硬件系统总体设计 下面图2 7 引用的是项目组成员艾长胜论文中的一些现场实验信号图，从 中可以看出，不同类型的破坏产生的信号波形是不同的，研究的目标之一就是 找出这些差异，通过设计算法和高性能的硬件系统，识别出不同的破坏。 至 出 留 至 幽 晋 钻孔信号时域图 锯信号时域图 a 叫 钻孔信号频谱图 锯信号频谱图 管道正常运行信号时域图 管道正常运行信号频谱图 图2 7 不同形式破坏产生的信号图 1 3 惭 一 膻 一 池一 斯叶1一。 第二章硬件系统总体设计 2 4 硬件系统的技术方案和开发方法 构思方案的时候，主要围绕两个技术概念：d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ， 数字信号处理) 和语音识别。 d s p 是以数字形式对信号进行采集、变换、滤波、估计、增强、压缩、识 别等处理，戮得到符合人们需要的信号形式。稳眈模拟信号缝理，d s p 有许多 优势，例如抗干扰能力强，算法设计灵活，等等。 实现嵌入式d s p 霹以基于很多种集成电路芯片，包括：单片杌、通用d s p 芯片、f p g a 、以及某些专用集成电路芯片。本课题选择了基于通用d s p 芯片 的方案，具体说就是们公司的t m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 a 芯片。选择通用d s p 芯片有 两个原因：第一、该款芯片的综合技术指标( 尤其是高速运算能力) 满是当前 和今后一段时间开发的需要。第二、1 r i 公司专为该款芯片开发了运用于语音识 别的评估板，帮一整套硬件和软件范例，为我们开发硬件霸程序提供了极好的 靠参考”和“学习资源。这一点对于初学这项技术的入来说，非常重要。 语音识别是构思方案时的一个思路，意在使“管道第三方破坏监测系统 能类似“语音识别系统”一样识别管道内的特殊声波信号。当然，语音识别这 个概念有自融的定义，。涉及到复杂的理论( 如绪论中所述) ，本文并没有深入研 究那些蠹容。只是d s p 硬件子系统的设诗蓝本原本是针对“语音识舅l 赞，在 此拿过来用于“管道第三方破坏监测”。 要采用上面所述豹“技术方案进行开发，还必须对“开发方法进行深 入学习，即课题开始前的可行性论证。、 * = $ r 件系统总# & * d s p 硬件子系统的开发需要依次完成三部分：硬件电路，软件框架( 即硬 件驱动程序) 和算法程序。 硬件电路和硬件驱动程序的开发是一个有机的整体，需要借助“开发系统” 来调试。 开发系统实际是一个连接设备，如图2 - 8 所示其端连接电脑( 经u s b 接口) ，另一端连接目标电路板( 经j t a g 接口) 。通过开发系统，开发者可以 在电脑上编写程序，并随时编译、下载程序到目标电路中运行。 图2 - 8d s p 开发系统实物图 实验室还配各了一块评估板，如图2 - 9 所示，作为电路开发的参照和前期 程序调试平台。 j i r w c 一 嚣： c e t “一y c 5 5 0 9 拉乖立目 图2 - 9 实验评估扳 镕= $ 件系统总# * 算法程序是d s p 系统内真正进行信号处理的软件部分，硬件平台和软件框 架都是为实现算法创造一个环境。快速、灵活开发d s p 算法程序的工具是 m a t l a b s i m u l i n k 软件。 图2 - 1 0 是m a t l a b s i m u l i n k 软件界面。开发d s p 算法程序主要使用d s p b l o e k s e t 和r e a l t i m ew o r k s h o p 两个模块集其中，第一个模块集用于设计系 统框图并进行仿真，第二个模块集用于将设计好的算法从框图变成c 代码并导 入c c s ( d s p 集成开发环境) 。 图2 1 0m a t t a s i m u l i n k 软件界面 第= 章碗件系统总体设* 图2 - 1 1 中是一个简单的“高通滤波”系统框图，每个模块都是从左边的 d s p b l o c k s e t 模块集中“拖拽”过去的，然后连线最后给每个模块设置参数 就可以仿真了。 图2 - i i “高通滤波”仿真 图2 一1 2 就是仿真进行中的情况。可以通过设置示波器清晰地看到仿真效果 图2 1 2 通过窗口观察“高通滤波”仿真效果 第= 章r 件系# # 系统框图仿真通过之后，可以用r e a l t i m ew o r k s h o p 模块集快速生成针对 d s p 的目标代码，并下载到目标系统中进行验证。由于不用花费大量的时间写 代码，可以设汁更多的算法( 框图形式的) ，选代验证，效率很高! 图2 1 3 是r e a t i m e w o r k s h o p 模块集根据系统框图生成c 代码的过程。可 以看到m a t l a b 箭口最后一行的提示：“s u c c e s s f u lc o m p l e t i o no fr e a l - t i m e w o r k s h o pb u i l dp r o c e d u r e f o r m o d e l ：o v e r v i c w ”。此时算法已经由框图转化为c 语言程序代码了。 图2 一1 3 由系统框图生成c 代码 口： l i i 第= $ d s p 硬件 系的设”& 女现 第三章d s p 硬件子系统的设计及实现 d s p 硬件予系统的作用是：使传感器信号在可调控的情况下流入d s p 芯片 经过算法处理，再将处理结果传送给监控训算机( l 位机) 。 3 1电路原理及芯片选型 图3 - l 是d s p 硬件子系统的原理框图，包括：电源管理模块，数据采集模 块，j t a g 接口，扩展存储器s d r a m 固化程序用的f l a s h ，u a r t 模块， 逻辑译码用的c p l d ，以及核心运算用的d s p 。下面分别来介绍这些部分： 图3 1 d s p 碰件了系统原理框图 d s p 芯片的选择要从应用领域、速度要求、可靠性、开发难易程度和价格 等多方面综合考虑，本文选择的是t j 公司的t m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 a 它是t i 公司c 5 5 x x 系列d s p 中的一款，比上一代c 5 4 x x 器件速度更快功耗更低( 低30 9 6 左右) 。 第三章d s p 硬件子系统的设计及实现 主要技术指标如下： 夺运算速度：时钟频率可达2 0 0 i 哪z ( 时钟周期5 n s ) ，双乘法器，每秒可完成 4 0 0 百万次乘累加操作( m m a c s ) 。 令片内存储资源：1 2 8 k x1 6 b i t 片内r a m ，3 2 k x1 6 b i t 片内r o m 片外可扩展存储资源：8 m x1 6 b i t 片内外设( 本文用到的) ：可编程数字锁相环时钟发生器，外部存储器接口 ( e m i f ) ，内部集成电路模块( 1 2 c ) ，多通道缓冲串口( m c b s p ) 。 供电电压：内核电压1 6 v ，i o 电压2 7 v 至3 6 v 令封装形式：1 4 4 脚l q f p ，1 7 9 脚b g a 电源管理采用的是t p s 7 3 h d 3 0 1 ，它是t i 公司为d s p 应用所推出的一款 电源管理芯片。选用它的首要原因是它可以输出2 种电压：3 3 v 和1 6 v ，分别 为d s p 的外设和内核供电。另外，它还具有低静态电流，低压差( 压差的定义 是：为保证稳定的输出电压所要求的大于该输出电压的输入电压值) 的特点， 工作稳定。发热是电源芯片面临的最大挑战，这款芯片的底部有一个金属散热 片，是1 1 的特殊设计，手册上的数据表明该芯片的工作温度范围是：- 4 0 到 1 2 5 ，且当温度过高时芯片有一个自动关断的机制。 数据采集使用的是t l v 3 2 0 a i c 2 3 ，它是t i 公司推出的一个高性能“编解码 器 ( c o d e c ) 。它可以工作于“d s p 数据传输模式”，直接与d s p 芯片的多通道 缓冲串口( m c b s p ) 构成连接，采用基于帧的数据传输。( 大多数实时数字信号 处理系统都采用基于帧的处理方式，以提高系统性能，这里每帧包含相邻的多 个或者一组信号采样) t l v 3 2 0 a i c 2 3 中包括a d 模块和d a 模块。在本文的应用中，a d 模块负责 将输入的传感器模拟信号转化为数字信号，d a 模块负责将数字信号转化为模 拟信号从耳机接口输出( 输出音频信号仅仅是电路调试时的一种手段，最终系 统并不需要这项功能) 。 c o d e c 对传感器模拟信号的采样率可以从8 k h z 到9 6 k h z 之间选择，采集到 的数据字长可以是：1 6 b i t s ，2 0 b i t s ，2 4 b i t s 或3 2 b i t s 。图3 2 所示为 t m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 a 与t l v 3 2 0 a i c 2 3 的连接示意图。 = d s p 硬件 i 统的设计& 实现 图3 - 2t m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 a 与t l v 3 8 0 a i c 2 3 连接示意图 图32 中t m s 3 2 0 v c s 5 0 9 a 上的c l k r o 、c l k r i 、f s x o 、f s r o 、d x o 、d r o 六个 脚属于多通道缓冲串口( m c b s p ) 。s c l 、s d a 两个引脚属于内部集成电路模块 i ) 。m c b s p 和i 两个外设的己怍顺序是：d s p 芯片首先通过i2 c 对c o d e c 进行 始化配置，然后通过m c b s p 与c o d e c 进行数据交换。 图3 - 3 是通过i2 c 总线连接不同器件的示意图。 囤3 - 3 通过l 连接不同器件 * = 章d s p 硬件f 系的r & 宴m 数字信号进入d s p 芯片后，将存放在m c b s p 的“数据接收寄存器”中然 后c p u 可对信号进行处理( 滤波、增强、识别等) ，经过处理后的信号可以再存 到“数据发送寄存器”中，等待输出。这种数据流示意于图3 - 4 中。 图3 4 数据流示意图 j t a h 接口是为调试d s p 程序以及观察d s p 芯片的输入输出而设的。它基于 边界扫描链测试是一个国际标准测试协议。t 雌3 2 0 v c 5 s 0 9 a 上有专门的引脚 用于该测试，那些引脚连接到1 4 针标准接头。 s h r a m 是d s p 芯片片外扩展的存储器，通过“外部存储嚣接口”( e x t e r n a l m e m o r yi n t e r f a c e ，e m i f ) 与d s p 芯片相连。s d r a m 的全称是s y n c h r o n o u s d y n a m i cr a m ，即“同步动态咖”，它实际就是电脑中使用的内存。它在系统 中是作为d s p 芯片内部r a m 的补充当运行较大程序时需要这部分资源。在 本文中，s d h , i 选择的是4 m x l 6 b i t 的h y n i xh y 5 7 v 6 4 1 6 2 0 h g 。 f l a s h 也是d s p 芯片片外扩展的存储器，通过“外部存储器接口”与d s p 芯片相连。它是一种可反复擦写，掉电后仍能保存数据的存储器件，用于“固 化代码”。系统上电后t m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 a 先执行片内r o m 中的的自启动 ( b o o t l o a d e r ) 进程奉文的进程内容是从f l a s h 中加载代码到片内r a m 中运 行。自启动的定义是：紧随上电之后自动将代码从一个低速非易失性外源( 如 f l a s h ) 转移到内部或外部高速的程序存储器( 如r a m ) 中去执行。 自启动是嵌入式系统的一个重要功能，此外，将片外代码拷蚍到片内执行 还基于下面的事实：d s p 芯片的c p u 对各种存储嚣的访问速度基本上是：c p u 内部r a m 外部同步r a m 外部异步r a m ) f l a s h r o m ，对于已经被烧录在f l a s h 或r o m 中的程序代码虽然可以让c p u 直接从其中读取执行，但通常那不是一 个好办法，最好在系统启动后将f l a s h 或r o m 中的日标代码拷贝入r a m 中后再 第三章d s p 硬件子系统的设计及实现 执行以提高取指令速度。 本文选择的f l a s h 是a m 2 9 l v 8 0 0 b ，存储容量是5 1 2 k 1 6 b i t 。它的特点包 单电源运行：2 7 v 到3 6 v 读写操作，适于电池供电的应用场合。 高性能：存取速度高达7 0 n s 极低功耗( 5 1 v l i l z 下的典型值) ：自动休眠模式下的电流2 0 0 n a ，待机模式下 的电流2 0 0 h a ，7 m h 的读电流，1 5 m a 的擦写电流 灵活的块结构：b y t em o d e ，w o r dm o d e 支持整个芯片的擦写 块保护特性 u a r t 采用的是t l l 6 c 5 5 0 c ，它是个单通道，工业标准u a r t ，可实现串一 并、并一串数据转换。在需要节能的应用中，它可以工作在3 3 v 。所谓u a r t 是 u n i v e r s a la s y n c h r o n o u sr e c e i v e r t r a n s m i t t e r s 的缩写，即通用异步接收 发送器。它在系统中的作用是辅助实现r s 2 3 2 串口通讯。一方面，它将从d s p 芯片数据线传来的并行数据转换成串行数据，经由r s 2 3 2 串口传给主机。另一 方面，主机通过r s 2 3 2 串口传给d s p 芯片的数据，也需要经过它的串一并转换才 能被d s p 芯片的数据线接收。目前为止的实验中，经u a r t 传递的数据是8 - b i t 的a s c i i 码，显示在主机上就是字符( 报警信息) 。 c p l d 芯片使用的是x i l i n x 公司的x c 9 5 1 4 4 x l ，它的工作频率最高可达 1 7 8 m h z ，包含1 4 4 个宏单元，针到针的延迟只有5 n s ，可以采用3 3 v 电压供 电，满足本系统的需要。 c p l d 是复杂可编程逻辑器件( c o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ) 的缩 写，它在d s p 硬件子系统中起逻辑控制的作用，相当于d s p 芯片与外围器件 之间的一个“交通枢纽”。在嵌入式系统中使用一个c p l d 芯片有许多好处： 第一、使d s p 芯片与外围器件的连接布线更容易。 第二、为电路的调试，修改和升级提供方便。c p l d 是基于i s p ( i ns y s t e m p r o g r a m m a b i l i t y ，在线可编程) 技术的芯片，焊接在p c b 上之后， 可以通过计算机的并口和专用编程电缆对其进行多次编程，使其具 有所需的逻辑功能。 第三、可实现的逻辑丰富，减少分立元件的使用。 第四、c p l d 的时序严格，逻辑译码速度快，能配合d s p 芯片的高速要求。 本文目前对c p l d 芯片的使用主要包括：一、辅助d s p 芯片对f l a s h 的 控制，实现f l a s h 烧写和读取。二、辅助d s p 芯片对u a r t 的控制，实现r s 2 3 2 括令 夺令 第三章d s p 硬件子系统的设计及实现 串口通讯。下面图3 5 和3 - 6 显示的是c p l d 内部的逻辑。 c e lc e 、 a r e 逻辑与、d s p o e f l a s h a o e c p l d a w e w e 图3 5c p l d 辅助实现f l a s h 烧写和读取 c e 2 t s o e i 7 4 l v c 2 4 5 i 逻辑非 s d i r d s p ! ! i ! a w e j c p l d i l 一一 s c s l s w r a r e i u a r t s r d 逻辑非 m t os i n t g n d s m r 图3 6c p l d 辅助实现r s 2 3 2 串口通讯 至于c p l d 逻辑功能的编程实现是师弟梁洪峰完成的，这里不作论述。 第三章d s p 硬件子系统的设计及实现 3 2 四层电路板的绘制过程 以上介绍了“d s p 硬件子系统”的电路原理。接下来的工作就是绘制电路 原理图和p c b 图，最后拿去制板。本文使用p r o t e l 9 9 完成了绘图工作，其中电 路原理图的绘制比较简单，而p c b 图的绘制，由于采用了四层板设计，比较复 杂，所以下面主要介绍p c b 图的绘制过程。 绘制p c b 图的基本步骤是： 1 为原理图中的所有元件准备好封装图 2 将原理图中的元件与其对应的封装图绑定 3 进行并通过e r c ( 电气法则测试) 检测 4 生成网络表 5 将网络表导入p c b 图 6 在p c b 图上进行器件布局和布线 本文采用的是四层板设计，虽然四层板比常见的二层板成本高出许多，但 本文的设计必须采用二层板，原因概括如下： 第一、提高系统稳定性。d s p 系统是进行高速计算的系统，当电路进入高频 工作状态时，可能出现多种噪声干扰。四层电路板有专用的供电层 和接地层，可以增强系统的抗干扰度。资料表明，四层板方案对高 速d s p 系统几乎是必然的选择。加之本文电路系统的应用环境是野 外，环境噪声的影响很大，所以从现场角度考虑也应采用四层板。 第二、降低布线难度。从原理图上看，需要的布线量很大( 即使采用四层 板，最后的走线也达到3 5 9 1 条) ，假如使用两层板，整个线路布通 的难度太大，即使布通，在稳定性方面也将造成很多隐患。 下面图3 7 是四层p c b 的常用设置方案，在t o p 层和b o t t o m 层布线和焊接 器件，g n d 层负责接地，p o w e r 层负责提供系统电源。 第三章d s p 硬纷子系统的设计及安现 图3 7 四层p c b 设置方案 p o w e r 层和g n d 瑟都明作内层平瑟( i n t e r n a lp l a n e ) 。它们是用于电源和 地线的整块铜膜，可以是整块的电源或者是整块的地线，但当电源和地线不止 一个时( 如本系统) ，剡震要进行连电层分割。 内电层分割是在电路布线完成之后才进行的，方法很简单，通过d e s i g n 菜 单下的s p l i tp l a n e s 命令可以方便的进行。 在本设计中，p o w e r 层被分割成3 个网络：1 6 v ，3 3 v 和5 v ，供给不同需 要的器件。g n d 层被分割成2 个网络：g n d 和a g n d ，分别代表数字地和模拟地， 这蕊个鼷络在t o p 层通过一个电感连接，这样徽的楚为了减少电路模拟部分裙 数字部分的相互干扰。 绘图过程中，另一个主要的考虑是减少潜在的噪声源。这主要是依照前入 的一些经验行事，以下是本文采用的一些原则或技巧： 尽可能多地使用退藕电容耪旁路电容，著显使退藕电容尽霉麓遗靠近集 成电路的每一电源引脚。 先对时钟和高速信号进行布线，以确保它们的走线从起点到终点采用了 尽可能直接的路线。 信号线绝不应该在晶体，振荡器或任何时钟产生电路之下或周围走线。 令管脚闻的弓| 线弯折越少越好，最好采用全直线，如需要转折，可用4 5 度折线。 管脚阈豹萼| 线越短越好。 夺元件连接过程中用的过孔( v i a ) 越少越好。 各类信号走线不能形成环路。 对总线( 如数据总线、缝缝总线) 进行布线时，尽可能保持信号线平行 走线。 短线就意味着阻抗不延配，尽量把元件连在圭走线上，避免使麓短线 夺在布局时模拟器件应尽量远离高速数字器件，高速数字信号尽量远离模 第三章d s p 硬件子系统的设计及实现 拟部分，并且应保证它们不穿越模拟地平面。 还有一些为确保p c b 设计正确、合理的技巧，在此总结如下： 令在p c b 设计交付正式制板之前，先把它打印出来，检查一下安全间距以 保证没有潜在的短路情况。 不要把元件和走线恰好放满到p c b 边缘，要在p c b 周边预留出5 r m ( 2 0 0 m i l ) 的空间。 当p c b 设计打印出来之后，把实际元件放在图纸上，再检查安全距离。 因为仅仅是p r o t e l 封装里的元件轮廓不接触。并不能说明实际芯片也 不接触。( 实际本文的工作顺序是：先买回器件，放在图纸上检查，确 认无误后才去制板) 用p r o t e l 生成网络表之前，先进行电气法则测试e r c ( e l e c t r i c a lr u l e s c h e c k ) 。 不要假设p r o t e l 安装包里的库提供的焊盘、通孔、线宽的尺寸是正确 的，要反复检查。( 本文实际的工作方法是：先找到芯片的最新数据手 册，然后按照其上的尺寸用p r o t e l 的w i z a r d 创建封装，这样既简便又 保证不会出错。) 令进行d r c ( d e s i g nr u l e sc h e c k ) 设计规则检查。这里所做的主要是设 置安全距离( 同一个工作层面上两个图元之间的最小距离) 为5 m i l 。 第三章d s p 硬件子系统的设计及实现 3 3 电路调试过程 制成p c b 并购买器件后就进入电路调试过程了。 在此需要说明的是，电路调试过程是d s p 程序和电路系统的联合调试，也 就是说本文第四章所讲的“d s p 硬件子系统驱动程序”在此时已经开发出来了。 实验中，本文采取了边焊接边调试的模块化推进方法，根据应用顺序，逐 个模块焊接到p c b 上，然后通过一些现象来判断模块功能是否得以实现，如果 实现则继续下一模块的焊接和调试。 表3 1 列出了调试经历的过程，包括：模块应实现的功能，表明模块功能 已经实现的现象或指标，曾经在调试过程中出现的故障及故障排除。 表3 i 电路调试过程 模块序号应实现的功能表明成功的现象或指标出现过的故障及排除 系统上电后，l e d 指示由于焊接失误造成3 3 v 灯正常亮起，用万用表和1 6 v 两个网络短接， 测