（光学专业论文）基于dsp技术的便携式天然气管道泄漏激光遥感探测仪.pdf

摘受 摘要 天然气是工业生产和人民生活中一种重要的原料和清洁能源，在发电、工业、 民用燃料、化工原料等方面具有重要的应用。天然气在输运过程中泄漏是不可避 免的，它不仅造成重大损失，而且可能会造成重大的安全事故，因此快速高效地 检测管道泄漏具有重要的应用价值。 近年来以近红外二极管激光吸收光谱为基础的光学传感器在技术上已经成 熟，同时二极管激光探测系统还具有灵敏度高、体积小、重量轻和便于维护等特 点。基于近红； 1 - - - - 极管激光吸收光谱技术的天然气管道泄漏检测技术已为世界各 国所关注。 本论文中我们建立起了基于d s p 的数据采集处理的天然气管道泄漏激光遥 感探测仪。在论文中我们系统的分析了基于d s p 的数据采集处理的天然气管道 泄漏激光遥感探测仪的技术要求，设计出了基于d s p 的信号采集和处理电路并 设计相关的处理软件，同时设计出了d s p 与液晶显示器的接口方案。此系统实 现了对探测信号的采集和滤波以及对波形进行相关运算并得出最终结果且将结 果显示在液晶上。 在建立该套系统后，我们对进行了整机性能测试和分析，实验结果表明，该 系统运行可靠，性能指标达到国际先进水平。 关键词：天然气：波长调制；d s p 摘要 t h er e m o t es e n s eo fm e t h a n el e a k a g eo fn a t u r eg a su s i n ga t u n a b l ed i o d el a s e r b a s e do nd s p t a nt u d i r e c t e db yp r o f g a ox i a o m i n g a b s t r a c t n a t u r a lg a si sak i n do fi m p o r t a n tm a t e r i a la n dc l e a n n e s se n e r g ys o u r c ef o r i n d u s t r ya n do u rl i f e ，a n dh a sa l li m p o r t a n ta p p l i c a t i o na saf u e lo fp o w e rg e n e r a t i o n ， i n d u s t r ya n dl i f e f o rt h el o n gt r a n s p o r tp i p e l i n e s ，t h el e a k a g eo ft h en a t u r a lg a si s u n a v o i d a b l e ，i tb r i n ge c o n o m i cl o s sa n dc a u s el a r g es e c u r i t ya c c i d e n t t h e r e f o r e ，t h e p i p e l i n el e a kd e t e c t o rw i t hs m a r ta n df a s tr e s p o n dh a si m p o r t a n ta p p l i c a t i o nv a l u e r e c e n t ，t h et e c h n o l o g yo fo p t i c a ls e n s o rb a s e do nn i rt u n a b l ed i o d el a s e r a b s o r p t i o ns p e c t r o s c o p yh a sm a t u r e t h ed e t e c t o r sb a s e do nd i o d el a s e rh a v eh i g h s e n s i t i v i t y , c o m p a c t ，l i g h ta n de a s et om a i n t e n a n c e s ot h ep i p e l i n el e a ks e n s o ro f n a t u r a lg a sb a s e dn e a ri n f r a r e dd i o d el a s e ra b s o r p t i o ns p e c t r o s c o p yh a sb e e nf o c u s e d b ym a n ya d v a n c e dc o u n t r i e s i nt h i sp a p e lw ee s t a b li s h e dt h er e m o t es e n s eo fm e t h a n el e a k a g eo fn a t u r eg a su s i n g at u n a b l ed i o d el a s e rb a s e do nd s ew ea n a l y s i st h er e q u i r e m e n t so fd a t ap r o c e s so f n a t u r a lg a sp i p e l i n el e a kb a s eo nd s p , a n dd e s i g n e das e to fc i r c u i t st og a t h e ra n d p r o c e s ss i g n a l ，a n dp r o g r a m m e dr e l a t e ds o f t w a r e a tt h es a m et i m ew ed e s i g n e da s c h e m et oi n t e r f a c el c dw i t hd s et h i ss y s t e mr e a l i z e dt h ea c q u i s i t i o na n df i l t e r i n g o fd e t e c t i o ns i g n a l 。t h e nt h es y s t e mc o m p u t e dt h es i g n a la n dg o tt h ef i n a lr e s u l tt o d i s p l a yi to n et h el c d a tt h el a s t ，w et e s t e dt h i ss y s t e mi nm a n yc i r c u m s t a n c e sa n da n a l y z e dt h er e s u l t s t h er e s u l t s s h o wt h es y s t e mi so p e r a t i n gr e l i a b l e i t sp e r f o r m a n c ep a r a m e t e r sh a v er e a c h e d a d v a n c e dl e v e lo ft h ew o r l d k e y w o r d ： n a t u r a lg a s ，w a v e l e n g t hm o d u l a t i o n ，d s p v 学位论文承诺 本人早交的学位论文，是在导师的指导下，独立进行研究1 作所取得的成果，所有 数据、图片资料真实可靠。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研 究成果不包含他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究j 】j 作做出贡献的其他个人 和集体，均已在文中以明确的方式标明。本学位论文的知识产权门属丁培养单位。 本人签名：逆! 圈日期：鲨塑壶：fq 第一章天然气管道泄漏激光遥感探测仪发展现状 第一章天然气管道泄漏激光遥感探测仪发展现状 1 1 中国天然气工业发展现状 天然气作为一种洁净、高效的清洁能源，在世界能源结构中已经占到2 5 ， 随着人们环保意识的增强和环保要求的日益严格，天然气这种洁净能源在能源消 费结构中所占的份额将不断扩大，前景十分广阔。 目前中国能源消费以煤为主，占7 2 ，而天然气产量在世界排第1 5 位，目前 中国的天然气产量仅有约3 1 0 亿立方米，天然气仅占中国能源生产的2 5 ，所占 比例远低于世界平均水平( 2 5 ) ，也低于亚洲平均水平( 8 8 ) ，与世界相比具有 很大的差距。目前世界人均消费天然气4 0 3 立方米年，而中国仅为2 5 立方米 年。天然气在发电、工业、民用燃料和化工原料等领域的使用已占相当高的比重， 对促进社会进步、经济发展和人们生活质量的提高正在发挥着越来越重要的作 用。在中国天然气消费中，主要用于化工、油气阳开采和发电等领域，所占比例 占到8 7 以上，其中化肥生产就占了3 8 3 。居民用气在天然气消费结构中所占 比例不至t 1 1 t 1 1 。 目前我国天然气工业的产量还比较低，天然气利用基本上是“以产定用”。主 要利用地区是天然气产地的邻近城镇及工业区。世界上天然气主要用于发电、工 业、居民燃料和化工原料，而我国的天然气利用以化肥工业为主。随着中国经济 的高速发展和环保的要求，对清洁能源的需求不断增大，天然气存在巨大的发展 空问，天然气勘探、开发、运输、销售等产业发展前景十分广阔。长期发展缓慢 的中国天然气工业将进入个迅速增长的阶段，扩大天然气作为替代能源的使用 将有助于解决空气污染问题，减少温室气体排放。中国政府希望至1 j 2 0 2 0 年，天然 气消费量将至少占商品能源需求总量的1 0 。我国天然气的利用方向应以发展 “以气发电”、“以气代油”、“城市气化”为主。 我国将以西气东输工程建设为契机，统筹考虑东中西部、海上和陆上天然气 资源，积极实施“走出去”战略，引进国外天然气资源，进步完善我国天然气管 网发展规划，加快干线管道、储气库、增压站和相关支线的建设，构建覆盖全国 的五横两纵天然气基干管网，逐步形成西气东输、北气南下、就近外供、海气登 陆的供气格局，最终形成以轮南至上海、长庆至北京为主干线的西气东输、陕京 线和陕京二线，以及川渝、京津冀鲁晋、长江三角洲、西北、两湖地区为主的地 9 基于d s p 的便携式天然气管道泄漏激光遥感探测仪 区性天然气管网，最终全国天然气资源多元化、供应网络化和市场规模化【2 j 。西 气东输、川气东送以及引进俄罗斯天然气等世纪工程显示了天然气这一具有优 质、洁净和环保等特点的重要能源，正受到我国政府前所未有的高度重视。 中国天然气在西气东输和川气东送沿线的十几个省份先后成立了四十六家 拥有天然气专营权的合资公司，投资超过5 0 个天然气管网项目，而这一数字将随 中国燃气市场的迅猛扩张而不断递增。西气东输工程的顺利实施提高了我国天然 气管网建设水平，为形成全国天然气管网奠定了基础。正是由于我国天然气分布 不平衡，最大效能满足当前我国经济发展的需要，为此天然气管道运输主干网为 今后相当长时间内国家能源发展战略。2 0 0 2 年我国开始了西气东输工程的启动和 建设，形成以四川气区环型运输管网、气田向周边放射型输送管网、西气东输长 输管网为代表的供气格局、运输产业逐渐成为天然气发展的重要纽带和桥梁。 中国天然气分布特点：一是结合行政区划和经济地理条件，中国划分为东部 区、中部区、西部区、南方区、西藏区和海域区六个含油气大区。二是陆上天然 气资源量的10 分布在20 00 米深度以上，埋深大于3500 米的天然气资 源为58 39 。而陆上地理条件较恶劣的黄土塬、山地和沙漠区天然气资源 量占总资源量的64 。三是气层气主要分布在中部区，占50 1 ；溶解气 主要分布在东部区，占68 2 。四是已探明的气藏规模以小型为主，而大中 型气田储量占绝对优势，储量以低丰度为主。五是公司分布不平衡，在中国天然 气探明储量和可采储量中，中国石油占有绝对优势。 由于我国天然气分布不平衡，天然气资源主要集中在西部，而消费市场集中 在东部，为了解决这种不平衡分布问题，所以必须进行大规模天然气运输，建设 天然气管道运输主干网为今后相当长时间内国家能源发展战略。中国政府计划构 建覆盖全国的五横两纵的天然气基于管网，逐步形成西气东输、北气南下、就近 外供、海气登陆的供气格局，最终形成以轮南至上海、长庆至北京为主干线的西 气东输、陕京线和陕京二线，以及川渝、京津冀鲁晋、长江三角洲、西北、两湖 地区为主的地区性天然气管网，最终全国天然气资源多元化、供应网络化和市场 规模化。这些长输管线很大一部分将穿过地理条件较恶劣的黄土塬、山地和沙漠 区，对这些地带的管线进行日常维护十分困难，管道的泄漏不仅造成重大的经济 损失，而且可能会带来严重的安全事故，对我国的能源安全将是一个严重的威胁。 与大多数国家相比，中国的天然气基础设施损耗严重( 中国为2 而其他国家 1 0 第一章天然气管道泄漏激光遥感探测仪发展现状 不到l ) ，中国的天然气管道基础设施尚处于发展的初级阶段，要在全国范围 内建成广泛的天然气管网还有很长一段路要走。目前，海南一香港的海底管道、 利用现代技术建造的陕西一北京管道以及海上一上海的海底管道已经建成。对中 国而言，这三条管线仅是在全国范围引进国际先进管道技术的开端。为了实现四 川省的管网更新，中国从2 0 0 2 年开始修建重庆一武汉的管线，从鄂尔多斯盆地向 北京输气的管线也处在计划阶段。目前中国的其它管线均是短距离、窄口径的管 线。除了西气东送管线，中国4 0 的主干管道位于四川省和重庆市，环绕瓮地形 成了一个环型网络。其它管线大部分分布在东北和华北地区。相比之下，在西部 即将投产的地区仅有四条较短的管线：鄯善一乌鲁木齐、塔中轮南、彩南一克 拉玛依、涩北葛尔木。 中国现存的管线大部分是上世纪六十年代和七十年代建成的。这些管线已 超出设计使用年限，需要大量维护工作，导致了高额运输成本。1 9 9 4 年以来世 界银行一直在资助四川省进行老化管网更新的工程。 中国天然气工业应用领域主要在以下方面，这些领域的企业将是天然气管道 泄漏探测仪的潜在客户。 ( 1 ) 发电用气：发电部门有助于稳固天然气新兴市场，也有利于推动天然气管 道的建设。尽管从环境的角度考虑，应首先更换燃料的并不是发电部门， 但在开发商投巨资进行市场开发和基础设施建设前，发电用气是最简易的 确保需求的方法。电力产业为天然气基础设施发展奠定了市场基础，这对 今后民用和小型工业用气的发展产生了积极的影响，这两部分改用天然气 在环境保护方面会更有成效。 ( 2 ) 化工用气：目前，化工用气主要集中于化肥生产。尽管中国生产的天然气 有4 4 用于化工生产，但在全部化工生产原料中，天然气只占6 7 。在 中国，煤仍在化工领域扮演举足轻重的作用。中国利用天然气生产的首要 产品是合成氨，其次是少量的甲醇和乙炔。合成氨主要用于化肥生产， 比其他化学生产所用的天然气要多。中国国内1 7 的合成氨是以天然气为 原料生产的，而世界平均的比例是8 0 。2 0 0 0 年底，中国合成氨年生产 能力达到近3 6 0 0 万吨，需要9 0 亿立方米天然气。2 0 1 0 年，合成氨年生 产能力将增力n 5 0 0 力吨，所增产量将全部采用天然气为原料，这样，天然 气边际需求约增力1 1 4 0 1 5 0 亿立方米。若烧煤、烧石油的装置改烧天然气 基于d s p 的便携式天然气管道泄漏激光遥感探测仪 亦可创造额外的天然气需求。这样做的好处是降低资金成本、缩短建设周 期。如果天然气价格具有吸引力、供给有保障，天然气的需求将有望增加。 然而随着中国经济逐渐市场化，将会有更多的因素刺激生产者将稀缺的天 然气用于化肥生产之外的诸多生产加工过程。改革者会发现进口化肥可能 更便宜，而将有限的国内天然气用在能产生最大经济效益的地方。甲 醇和乙炔：中国甲醇的生产和消费增长迅速。1 9 9 0 2 0 0 0 年，产量增加至 原来的四倍以上，从6 4 万吨增加到近2 8 0 万吨。至l j 2 0 1 0 年，产量预计再 次翻倍至4 2 0 万吨。目前，甲醇生产中8 2 是用煤和原油作原料，只有1 8 用天然气作原料。市场暂时受挫，但未来十年中会有较大发展。中国j 下在 天然气生产地积极建造甲醇生产厂。目前，乙炔生产出现一种新的原料碳 化钙。但碳化钙的大量使用会导致高耗电量、低效率和环境恶化。以天然 气为原料的乙炔生产工业正处在初级阶段，若给予适当的政策会有较大发 展。 ( 3 ) 工业用气：中国预测显示，至l j 2 0 1 0 年工业和交通运输天然气需求量将占 到天然气总产量的1 5 ，超过2 3 0 亿立方米。从地区角度看，中国工业天 然气消费量最大的是东北和环渤海湾地区。 ( 4 ) 居民用气：居民用气包括家庭和公共事业单位的使用。公共事业单位包括 各种服务部门如幼儿园、宾馆、医院。目前，煤和罐装液化石油气( l p g ) 在国内居民用气中扮演重要角色。管道天然气较为稀少，仅有2 5 个城市 供应，占天然气消费总量的7 2 。城市居民对天然气有很大的潜在需求， 尽管较高的成本可能使实际需求大打折扣。 1 2 天然气管道维护及泄漏检测技术发展现状口- 4 1 我国天然气工业已经进入了迅速增长阶段，形成了西气东送管线、陕京线、 忠武线、陕京二线等运输大动脉，俄罗斯天然气将由东西两线进入中国。这些 长输管线和城市管网的安全是我国能源安全的一个重要的组成部分，因此高性 能的天然气管道泄漏检测技术对确保管道运行安全具有十分重要的应用价值。 天然气在生产、加工、运输和储存等过程中泄漏是难以避免的，数万公旱长的 管线上有成千上万的泄漏源，其漏失的天然气量大约占输气总量的1o ，这 些泄漏的天然气不仅直接造成经济损失，而且也是易燃易爆之源。如何快速而 第一章天然气管道泄漏激光遥感探测仪发展现状 准确地探测出管道泄漏，对减少人员伤亡和财产经济损失具有十分重要的应用 价值。 目前天然气管道泄漏的检测方法有很多种，火焰电离探测、声测试、电化 学传感、红外辐射吸收、卫星遥感等方法是目前应用较多的几种方法，但都很 难做到快速准确确定泄漏源的位置，特别当泄漏造成大面积覆盖情况下，这些 点源探测技术不能有效地给出泄漏源的信息。 随着我国国民经济的发展，天然气作为一种清洁能源已经引起我国政府的 高度关注。我国天然气工业已经进入了迅速增长阶段，形成了西气东送管线、 陕京线、忠武线、陕京二线等运输大动脉，俄罗斯天然气将由东西两线进入中 国。这些长输管线和城市管网的安全是我国能源安全的一个重要的组成部分， 因此天然气管道泄漏检测技术对确保管道运行安全具有十分重要的应用价值。 中国东部和四川等地许多管道运行已接近或超过2 0 年，由于当时建设的技术、 经济条件限制，设计、施工水平、材料缺陷、多年运行的损伤等原因，管道安 全存在不少隐患，逐步进入后期事故多发阶段。正是由于这些原因，我国的天 然气管道的事故率要比发达国家要高很多倍，因此天然气公司必将加大对这些 管线的维护和检测，以减少因管道泄漏而引起的损失和重大事故的发生。 目前天然气管道泄漏的检测方法有很多种，范围覆盖从使用训练的狗检测到 基于超光谱成像的先进卫星技术，这些不同的方法可以分成非光学和光学的方 法，如图1 1 所示，非光学方法主要包括：声监测、气体取样、土壤检测、流量 检测以及基于动态模型的软件方法，不同的探测方法有着各自的优缺点和适用范 围。 声监测技术散利用声发射传感器j e 下 m 漏的7 l 体在流始管道上的小孔时 ，m 生声占信号的原理束探洲 | | i 漏。声告# t s p i 和s c i 通信接口，s p i 是一个高速同步串行通信接口，s c i 属于异 步串行接口支持标准的u a r t 异步通信模式。 c a n 总线通信模块，t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 上的c a n 总线接口模块是增强型 的c a n 接口，支持c a n 2 0 b 总线规范。 看门狗模块，看门狗主要用来检测软件和硬件的运行状态，当内部计数 器溢出时，将产生一个复位信号。 通用i o 口，在f 2 8 1 2 的引脚中有一部分是特殊功能引脚和g p i o 引脚 复用的，它们可以配置成与外设等功能相关的功能引脚也可以配置成通 用i ，o 口。 p l l 时钟模块，锁相环( p l l ) 模块主要用来控制d s p 内核的工作频率， 外部提供一个参考时钟输入，经过锁相环倍频或分频后提供给d s p 内 核。 多通道缓冲串口。 外部中断接口，f 2 8 1 2 支持多种外设中断，外设中断扩展模块最多支持 9 6 个独立的中断。 此外f 2 8 12 数字信号处理器还提供外部并行总线扩展接口以及3 个独立的 片选信号，可以方便的扩展外部存储器、a d c 等外部资源。同时t i 公司还为 d s p 开发提供一套完整的开发环境( c c s ) 以及相关的资料，可以很方便让用户进 行系统的设计和开发。 4 2 2 模数转换芯片 锁相放大器解调出一次、二次信号后必须通过模数转换器将模拟信号转换成 数字信号再由d s p 完成相关计算和处理。f 2 8 1 2 的片上本身就集成了一个1 2 位的a d c ，但是在实验过程中我们发现片上a d 的转换结果扰动较大，在信号 微弱的时候容易产生很大偏差。为了满足系统要求提高精度我们必须外扩了一个 外部a d c 。 为了满足系统采集信号的要求，我们希望a d c 芯片能够满足以下几方面要 第四章d s p 数据采集及处理单元的设计与测试 求： 双通道同步采样：系统要求采集两路信号( 一次谐波信号f 1 ，和二次谐 波信号f 2 ) ，在采集之后的处理中程序要求采集到的两路信号满足同相 位的要求。为了方便程序设计，我们选择使用具有同步采样功能的a d c 芯片。 采样速率：在本系统中锯齿波的频率为3 1h z 上升沿长度为2 6 7 m s 。为 了保证系统定标的准确性，要求在锯齿波的上升沿期间至少采集7 0 0 个 点，这样两路信号总共就应该至少有1 4 0 0 个点。为了保证系统的稳定 和准确我们希望采样速率至少应该有8 0 k b p s 转换精度：系统中输入的一次二次谐波信号的幅度范围是在一 l0 0 0 m v 一- - + l0 0 0 m y ，为了数据的可靠性我们要求得到信号的电压精度 大约是1 m v 。这样得到a d 芯片的有效位数至少在1 1 b i t ，同时考虑到 系统稳定和其他干扰的影响，我们需要的a d 芯片转换位数至少应该达 到1 4b i t 。 a d 与d s p 的接口：t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 提供了各种各样的并行或串行接口。 但是为了系统设计以及电路调试的方便，我们尽可能的选用并行接口芯 片。a d 芯片接口的电平标准也是需要注意的问题：t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 是 3 3 vc m o s 电平标准，它可以驱动5 v 电平的接口，但却不能接收5 v 的输入。为此我们选择a d c 芯片时，尽量选择3 3 v 电平标准的器件来 简化设计。 为了满足以上要求，我们采用a d s 8 3 6 4 作为为a d 芯片。 a d s 8 3 6 4 的主要参数如下【2 2 9 】： 一并行接口，转换位数1 6 ，实测1 4 位无失码。 - 采样速率能达到2 5 0 k b p s ( 输入时钟频率5 m h z ) 。 _ 6 个全差分输入通道，每组两个通道可以进行同时采样。 _ 片上有2 5 v 的基准电压源。 我们设计的a d c 与d s p 接口示意图如下： 4 9 * fd s p a x 然( * m m t 堪搛l i 倥 阁43d s p 与a d cf | 勺接丌原理图 a d s 8 3 6 4 需要外部提供时制，佶号作为转换时钟可以使用 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 芯片的片j 一外设e v a 提供p w m 信号。a d s 8 3 6 4 最高转换时钟 频率为5 m h z ，本系统巾将其设为4 m h z 并将占空比设为4 0 。 为了获得两路信号的同步采样，我们选择c h a o 和c h a l 作为模拟信号输 入引脚。c h a 0 和c h a l 共用一个采样保持信号h o l d a ( a 通道的保持信号) ， h o l d a 引脚连接到t m $ 3 2 0 f 2 8 1 2 的通用i o 口g p i o a l 4 上，通过对 g p i o a l 4 进行i ( 3 口输 操作即可以获得采样保持信号，所以一旦将h o l d a 引 脚使能那么c h a 0 通道和c h a l 通道就将各自输入的模拟信号聚样保持，出r | l i i 个通道的采样保持是同一信号所以两个通道获得的信号是同一时刻采集的从 而丈现了研步采样。a d 球| 纳片选信号c s 连接到d s p 芯片的x z c s 2 引脚上， 当c p u ；qh i ：z o n e 2 地址医域h 便使艟了a d s 8 3 6 4 。a d 芯片地址线a 0 、a 1 、 a 2 直接与d s p 的x a 0 、x a l 、x a 2 相连当( a o a 1 ，a 2 ) = ( 0 0 0 ) 选通c h a 0 通 过的结果寄存器当( a 0 ，a i a 2 ) = o ，0 0 ) 选通c h a i 通道的结果奇存器从而将 其映射剑d s p 的0 x 0 8 0 0 0 1 和0 x 0 8 0 0 0 0 存储单元。神实际程序运行中首先在 l 一个采集蒯明内使能h o l d a 信号，在紧接精的采集周期内读取0 x 0 8 0 0 0 1 和 0 x 0 8 0 0 0 0 地址单元的值，这样就得到了i 次采集到的信号。这样必须考虑信号 转换的时牲j 采集周期f f , jh , t f j , g , 须大于信；转换的时问。a d 8 8 3 6 4 需要2 0 个 时钟周期完成采样变换和处理，4 m 时钟下完成一次采样和变换需要5 u s 。考虑 到程序运h = , t f s j 我们将采样川碥设置为3 0 s ，这样存卜升沿期 i j r 以教 大约 訇厂彘。 第四章d s p 数据采集及处理单元的设计与测试 8 9 0 个左右的采样点，可以满足系统要求。 a d s 8 3 6 4 虽然采用5 v 模拟和数字供电，但内部有采用3 3 v 的缓冲，因此 能够与t m s 3 2 0 f 2 8 12 直接互连而无须电平转换。a d s 8 3 6 4 的模拟信号输入采 用差分输入，输入信号范围为0 - - - 5 v 。为了实现双极性输入，可使用运放电路来 进行电平搬移。推荐电路如下： b i p o l a ri n p u t b i p o l a rl m p i ，1 。 融r 2 t o v1 蓍c q 耗q 5 v2 瓢q 0 k n 篮5 v4 k n2 0 k q 图4 4 输入电压电平转换示意图 从而将模拟信号输入的范围设置在- 2 5 沙+ 2 5 v 。 ，4 2 3 外扩存储器 本系统的程序要使用到较多的存储空间，主要包括以下几方面： 谐波信号f 1 、f 2 以及信号滤波后的信号f 1 、f 2 以及调试时使用到一些数组。 虽然在实际运行中每个数组只有8 9 0 个点组成，但是为了实际调试时的需要 我们将每个数组大小定为2 0 0 0 ，数据类型为1 6 位整型。在实际调试时我们 还有观测系统的长时间运行时稳定性等方面情况，这样我们就必须有一个较 大的数组用于存储这些数值。 液晶显示用的点阵字库：为了实现液晶上面数字以及汉字的快速显示，在程 序实际运行中必须将f l a s h 中的液晶点阵字库转移到r a m 中。每个汉字 使用的是1 6 x 1 6 的点阵，存储它需要3 2 个字节，字母和数字是8 x 1 6 的点 阵，存储需要1 6 个字节。 基于d s p 的便携式天然气管道泄漏激光遥感探测仪 程序本身的大小：系统最后必须进行脱机运行，虽然从t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的 f l a s h 中运行程序已经得到优化，但是某些对时间要求比较苛刻的函数( 如 信号滤波，中断程序等) 最好还是应该在d s p 片内的r a m 运行。这样又大 大的占用了片内的r a m 资源。 从上面来看，t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 本身的r a m 空间不能满足系统需求，所以必 须外扩一个r a m 存储器，在此我们使用的是i s 6 1 l v 6 4 1 6 1 0 巾0 j ，它是3 3 v 供电的静态r a m 其空间大小为6 4 k x l 6 b i t ，数据访问时间为1 0 n s 。 i s 6 1 l v 6 4 1 6 1 0 t 与d s p 的接口示意图如下： ：逝倒 一一一 6 王7 砭 疆 硪 砸 到爱 晒鳓 二= i 图4 5 存储器的接口示意图 豳 由于i s 6 1 l v 6 4 1 6 采用3 3 v 供电，可以与d s p 的外部总线直接相连。存储 芯片的输入和输出使能与t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的z w e 以及x r d 相联，r a m 芯片的片 选信号连接到d s p 的死瑟丽瓦疏) _ ，从而将r a m 的空间映射到d s p 从 0 x 1 0 0 0 0 0 起始的6 4 k 空间中。 5 2 7i。玎弭西l：写西丽麓弪巧磊 0 1 2 3 4 5 6 7 8 a 、0 1 2 3 4 5000000000b珏砭珏墟娃疆 貉驷转貉咖粥般慨碰腿尬m趁船m!窆觞盯鲳船枷i堇眦m肌|童 辑耵砭可丽西器西面西可111 噬 曼l 惮 瞰睨 您 嗽墓| 慨耋| 第四章d s p 数据采集及处理单元的设计与测试 4 2 4 按键、采集触发以及报警 系统中某些参数( 如：报警阈值) 必须实时设置，所以系统中必须外加按键 来进行触发，在本设计中我们将通用i o 口g p i o a l 和g p i o a 2 设置为输入1 3 来接收按钮按下的电平信号。在此我们使用复位按钮，按钮按下时为高电平一般 为低电平。 在系统实际工作时，在锯齿波的信号的上升沿和下将沿都会出现吸收信号。 但是我们只需要采集上升沿获得信号，所以必须有一个采集触发信号来判断是否 进行采集，矩形波信号直接通过一个1 0 k 的电阻连接到d s p 的g p i o a 3 引脚上。 g p i o a 3 引脚设置为输入引脚，每次信号采集之前首先判断矩形波的电平高低： 如果为高则采集，为低就直接退出采集。 在实时进行数据采集和计算时，如果发现探测到的气体浓度大于阈值浓度， 就应该发出警报以提示用户。在此我们使用d s p 的一个通用i o 口g p i o a 4 作 为输出端1 3 ，以该端1 3 输出电平来控制蜂鸣器的开关。示意图如下： d 童o 图4 6 蜂鸣器驱动电路示意图 图中r 2 0 代表蜂鸣器，由于d s p 通用i o1 ：3 输出的电流还不够驱动蜂鸣的 正常电流，为了加大驱动电流使用了一个三极管。同时为了预防蜂鸣器可能的感 性特性而导致流回d s p 引脚的电流过大，所以可以在蜂鸣器两端跨接一个二极 管( - - 极管的方向如图所示) 来形成放电回路。 4 。2 5 液晶显示器 为了将处理的结果显示出来还必须扩展一块液晶显示器，我们使用的是 g 十d s p 的便携止天然1 臂m * * m 光温搏摊涮仅 s m g l 2 8 6 4 a 。它是1 2 8 x 6 4 的点阵式液晶，由两块液品控制器分别控制液晶的 a 右两部分。 液晶与d s p 之间的电路连接如下： ，、11 、 rz4 + 8 8 译码和 动 $ 馊， 秽1 图47 0 s p 与液晶接口示意图 由于s m g l 2 8 6 4 a 足用5 v 供屯，所以液晶的8 位数据线不能直接与d s p 的外部扩展数据总线相连。奉系统中采用s n 7 4 l v c c 4 2 4 5 来进行电平转换， s n 7 4 l v c c 4 2 4 5 是8 位的电平转换芯片，芯片有两个供电电源5 v 和33 v 分别 供给连接到液品控制器和d s p 外部总线的引脚。该芯片上的方向控制引脚( d i r ) 直接由d s p 的姗，矿引脚供给，当d s p 从液晶读取数据的时候，x r i w 为高 电平从而数据的传输方向是从液晶到d s p 。当d s p 往液晶写数据的时候，x r w 为低电平数据传输方向时从d s p 到液晶。 液晶的两块控制器的片选信号( c 墨和c 墨) 由d s p 芯片的x c s o a n d i 和 外部地址线( x a 0 ，x a i ，x a 2 ) | 平码来获得。所以对液晶控制器的指令写入、状 态读出都可以用d s p 对外部地址单元进行读写操作来完成，再配合使用d s p 的g p i o 口对液晶控制器的j 他控制引脚进行操作就可以竞成对液晶的控制在 对液晶进行控制以及数据写入操作之前，必须首先读取液晶的状态- 当状志正确 时就可以进行指令或数据写入操作，当状态不正确是就必须先将其先复位，等到 第$ d s p 数据采集”单，l 的救h 测试 液晶状态正确后才能进行下步操作。 由于液晶属于低速器件，与d s p 的速度相差较远。所以在接口的配置时 必须将d s p 输出的信号电平进行一定的延时以满足液晶的时序要求。 43 系统软件设计 d s p 系统程序的编写使用的是t l 提供的c c s 22 集成环境，使用的程序语 言为c 和汇编。 软件流程如f 网所日i i璺 l 蓉统韧始, i t i 启动中断 投据处理f 镕 十* 读h 照据 n * 按键响应 计数嚣更改l 崔否来鼻完、n o 一! ! 一7 陧盎l 氅i 镕柬 * 始 图48 软件流程图 整个程序从功能上看主要可以分为三个部分：主程序部分，中断程序，数据 处理程序。下面分别详细介绍各个部分。 431 主程序流程 主程序部分是整程序的框架，它提供了整个程序的结构，中断程序和数据 处理程序只是它的函数。 在程序的起始部分，定义了整个程序所要用到的变量、数组。并通过预定 义( 使用# p m g m a 、d a t as e c t i o n ) 和c m d 文件相结合为变量和数组提供固 定的存储空自】。由于片上内存的有限，存储空问的分配直接影响到系统的稳定和 效率。 基于d s p 的便携式天然气管道泄漏激光遥感探测仪 进入主程序后首先要做的是对系统进行初始化，按顺序主要分为以下几个 部分： 设置系统时钟频率：系统采用3 0 m 无源晶振来提供时钟，3 0 m 时钟信 号再通过p l l 进行倍频。我们将倍频系数设为2 5 ，最后得到的时钟频 率为7 5 m h z 。 设置中断向量表：启动程序中要使用的中断。 初始化外设状态：首先设置低速外设和高速外设的时钟，再根据需要使 能外设并设置相关参数。如本设计中使用到e v a 的p w m l 信号，所以 必须使能外部引脚为外设功能，之后再设置其寄存器获得所需要的频率 和和占空比。同时本系统中用到大量的g p i o 口，在此就必须将所用到 的每个引脚进行定义。 程序中用到大量的变量和标志用于程序流程的逻辑判断，在使用到这些 程序之前必须将其设为固定的值。 设置滤波参数：系统中要使用低通滤波器对采集获得的原始信号进行滤 波处理。t l 公司为f 2 8 1 2 芯片专门设计了一个函数库，包括常用的一些 数字信号处理算法。在此我们选用其中的f i r 滤波程序对其进行滤波， 首先使用函数库提供的程序生成所需的滤波系数，然后再根据说明配置 好相关数组。 启动p w m l 信号：系统中外扩的a d c 需要外部供给时钟，在此我们使 用e ，a 的p w m l 产生矩形波来为其提供时钟。 初始化液晶：首先将液晶复位使其进入可以进行控制和读写的状态。 触发a d c 采集：程序中的a d c 采样保持信号是在第一周期启动，然后 在第二个周期读取转换。在这样的模式下，第一次采集必须首先在外部 启动。 设置中断向量：本系统中只使用到一个中断：定时器o 中断。定时器中 断的主要功能下面将详细介绍，在此将定时中断的时间设为3 0 u s 。 数据处理程序：设置好初始化和中断后系统进入一个死循环中，在其中 不停的判断标志位，一旦符合情况就进行相关操作。详细流程将在下面 介绍。 第四章d s p 数据采集及处理单元的设计与测试 4 3 2 中断程序 为了实现系统的采集和处理功能，d s p 系统必须每隔一定时间与外部系统 交换信息和数据。中断程序就是专门负责d s p 系统与外部系统的交互工作，它 的主要功能如下： 采集和保存数据：本中断向量使用的是t i m e r 0 定时器中断，每3 0 1 上s 中断一次。在进入中断后马上进行数据采集，并将采集到的数据保存在 数组中。 信号滤波：采集到原始数据随即对其进行滤波并将滤波后的结果保存起 来，如上所述采用f i r 滤波，滤波的结果如下图所示：从中看出经过滤 波后信号的信噪比有了明显的提高。一次谐波的变化如下： 图4 9 ( a ) 一次谐波信号 二次谐波的变化如下： 2 0 04 0 06 0 0 r e c o r e dp o i - “ 图4 9 ( b ) 二次谐波信号 5 7 毒-参甾葺嚣毒 毒)扫鼍量羞 基于d s p 的便携式天然气管道泄漏激光遥感探测仪 对按键进行响应：系统中我们设置了一些按键用于在程序运行时改变系 统的一些参数。每次进入中断程序时，程序都会检测按键有没有被按下 并将状态记录下来。 进行逻辑判断：系统中设置了一些标志位用于判断程序流程，每次中断 程序的最后部分都要对这些标志位进行操作，为下次中断采集程序和数 据处理程序提供依据。 4 3 3 数据处理程序 当中断程序采集完一组完整的一次、二次谐波信号后，便送到数据处理程 序中进行处理和分析并显示最终的结果，它可以分为如下部分： 波形判断部分：在进行真正的信号处理之前必须首先判断采集到的信 号是不是吸收信号。对此程序将分别采集到的波形进行一些特征处理， 如果不满足这些特征将被判定为无效信号并将输出结果设为0 ，如果采 集波形满足特征要求那么将进入下面的数值计算部分。 数值计算部分：根据前面所述的谐波探测理论我们必须找到如下几个 数值：二次谐波的最大值( f 2 一m a x ) 、二次谐波的基线值( f 2 一c ) 、二 次谐波最大值位置对应的一次谐波值( f 1 ) 。获得这些值之后对其进行 线性运算得到结果r = f ( f 2 _ m a x ，f 2 _ c ，f 1 ) ，r 就是我们