给予超声波阀门泄露检测方法

I 摘 要 在工业生产中大量用到连接以及控制管道中气体运动的是各种各样的阀门 由于 各种原因 泄漏事故经常发生 这造成极大的能源浪费和经济损失 为保障工业生产 能安全进行且将泄漏事故造成的危害降到最小 需要研究一种实时泄漏检测技术 本课题目的在于开发一种实时阀门泄漏检测系统 该系统利用气体泄漏产生超声 波的原理 通过检测这种声波的强度来判别是否存在阀门泄漏 并利用数字信号处理 技术对气体泄漏所产生的超声波强度信号进行FIR滤波和傅立叶变换等处理 通过对泄 漏点的超声波频谱的分析来判别阀门泄漏等级 从而实现高精度数字式检测 同时 该系统具有无线通信功能 满足监控人员实时监测工业现场的需求 这对现场工人的 检修工作具有重要的指导作用 关键词 泄漏超声波 数字信号处理 频谱分析 无线通信 II Abstract With the development of modern industry millions of valves are used to link pipelines For all kinds of reasons valve leakages often take place The accidents cause great loss at both energy sources and economy In order to minimize the losses caused by leakage it is necessary to study leakage real time detecting technology This subject aims at developing a real time valve leakage detecting system which can check out whether there is leakage or not depending on ultrasonic leakage detecting theory This system takes advantage of the digital signal processing technology to process the ultrasonic signal generated by valve leakage making use of methods such as FIR FFT Through ultrasonic spectrum analysis we can determine the valve leakage levels in order to achieve high precision digital test At the same time the system has a wireless communication function which will not only meet the needs of real time monitoring in industrial field This function plays an important guiding role to the maintenance workers Keywords leakage ultrasound digital signal processing spectrum analysis wireless communication III 目录 1 绪论 1 1 1 课题研究背景及意义 1 1 2 阀门泄漏检测技术的现状 1 1 3 阀门泄漏检测技术的发展方向 3 1 4 本文研究内容及章节安排 3 2 超声波检测的原理 5 2 1 利用超声波检测阀门泄漏的基本原理 5 2 2 阀门泄漏的模型 6 2 3 泄漏量与声压级的理论分析 6 2 4 本章小结 8 3 硬件组成和设计 9 3 1 硬件架构 9 3 2 关键器件的选择 9 3 3 无线电路设计 14 3 4 本章小结 21 4 DSP 软件设计 22 4 1 初始化程序设计 22 4 2 数据接收子程序设计 23 4 3 FIR 滤波器 25 4 4 FFT 和泄漏量定级 28 4 5 数据发送子程序设计 30 4 6 本章小结 30 5 无线通信软件设计 31 5 1 Zigbee 简介 31 5 2 Zigbee 协议栈工作流程 31 5 3 无线通信程序设计 33 5 4 本章小结 35 6 总结与展望 36 6 1 总结 36 6 2 展望 37 参考文献 38 致谢 40 基于 DSP 技术的阀门泄漏检测和远程无线监视系统的研究 1 1 绪论 1 1 课题研究背景及意义 目前 工业生产中大量使用储存和输送气体的管道 而连接并控制这些管道中气 体运动的是各种各样的阀门 例如对石油化工等工业中各种管道 储油罐 储气罐上 的卸压阀 隔离阀和旁通阀以及工厂中蒸汽管道中的疏水阀等 阀门是石化工业自动 控制系统及安全防护系统中的核心执行元件 被称为石化工业的 咽喉 阀门的性能 和状态不仅会影响到石化工业生产质量和安全 而且对企业的能源效率有较大影响 据美国 Accutech 公司的调查研究 一个大型的炼油厂或化工厂大约有 2500 个卸压 阀 这是一种保护设备和人员的关键安全装置 正常情况下呈关闭状态 一旦在流程 管道和反应罐或储罐中发生可能导致危险的压力 通过卸压阀可以释放压力 一般 卸压阀均通过机械弹簧力控制卸压 因此要求卸压阀的最大容许工作压力与系统压力 之间有一个余量 一般制造厂推荐的是系统压力不应大于最大容许的工作压力的 90 当操作压力趋近卸压阀的释放压力点 阀门开始泄漏或渗出气体或液体 如果 密封面处于良好状态 排放和产品的损耗有限 起到了释放压力的作用 不过随着时 间的推移 有一部分卸压阀会把有害的气体或液体泄漏到大气中 或释放到废气或废 液收集系统中 通常会发生燃烧 由于这些阀门一般装在人员不宜到达或难以触及的 地方 如储罐或反应罐的顶部 往往要使用特殊的装置和安全措施进行现场检查 通常的方法是定期将卸压阀拆下 取回车间 用专门的设备检测和试验 在没有发生 任何泄漏事件时 规定 5 年对卸压阀检查一次 在例行的检查中约有 30 的卸压阀有 某些程度的泄漏 超过了规定的允许值 其中约有 10 泄漏严重 成为产品泄漏和污 染的主要来源 难以及时发现气体泄漏 会造成一个大型炼油厂或化工厂每年大约有 500 万磅 相当于 2270 吨 的产品因为未经检测的卸压阀泄漏而损失 并污染了环境 如果能 够采取有效措施 及时发现和修复泄漏 那么经由阀门泄漏所造成的生产损耗和排放 大约有 80 至 90 完全可以避免 从这个意义上讲 阀门泄漏的检测 最大的挑战是 如何在卸压阀开始发生泄漏之时尽可能早地发现它 所以清醒认识和认真解决管道和 塔罐 压力容器中存在的阀门泄漏问题 对有可能发生泄漏的部位进行监测 已成为 当前管道安全工作的重要内容 因此 准确地判断阀门产生泄漏的位置并及时修补 对于提高企业的生产效率和节约能源具有重大的意义 1 2 阀门泄漏检测技术的现状 国外一些较发达国家从60年代末开始对管道泄漏故障进行了研究 80年代末进入 实用商品阶段 而我国对管道泄漏技术的研究起步较晚 在消化吸收国外技术的基础 基于 DSP 技术的阀门泄漏检测和远程无线监视系统的研究 2 上也有几家单位进行了现场试验 但由于整套技术不够完善 目前还不能进入生产运 行阶段 1 对于阀门泄漏的研究 国外也就是最近几年才开始研究 我国现在研究这方 面的单位也不是很多 所以 这方面的研究还有更长的路要走 容器及管道的泄漏检测方法很多 但是检测方法之间在技术手段方面差别较大 最简单的是人工巡视法 较为复杂的有软硬件相结合的方法 从检测参数的角度可分 为直接检漏法和间接检漏法 直接检漏法是利用安装在管道外边的检测器直接测出漏 到管外的输送液体或其挥发气体 从而达到检漏目的 直接检漏法包括煤气检漏法 油膜检漏法和电缆检漏法等 间接检漏法包括流量差法 运行压力法 密封加压法和 超声波法等 早期的泄漏检测通常使用硬件检测方法 如磁力探伤法 管内探测球法 分段试 压法等 由于计算机技术在各领域的应用以及现代控制理论的发展 近年来逐渐发展 起了以软件为主软硬件相结合的检漏新方法 如负压力波法 基于参数估计的方法 互相关法 故障模型滤波器法 超声波放射性同位素法等 泄漏检测主要采用以下几种方法 压力分布法 负压波检测法 温度检测法 声 波法等 1 压力分布法 在管道沿线的各个截断阀处分别设置压力传感器作为无线检测系统的输入 并同 时采集压力信号汇总后构成该管道整体压力的分布图 最后依据压力曲线的变化特征 确定泄漏程度和泄漏位置 但是由于自然环境的变化以及系统的扩大 会出现异常的 曲线变化而使得出现误操作情况 对于大型系统需要的传感器及附属装置都很多 这 无形中增加了检测系统的成本 而且对于准确判断也增加了困难 2 负压波检测法 应用于快速检测 可迅速检测出突发性的大量泄漏 2 在发生泄漏时 泄漏处立即 产生因流体物质损失而引起局部流体密度减小出现的瞬时压力降低和速度差 这个顺 时的压力下降作用在流体介质上就作为减压波源通过管道和气体介质向泄漏点的上下 游以声速传播 当以泄漏前的压力作为参考标准时 泄漏时的减压波就称为负压波 设置在泄漏点两端的传感器拾取压力波的梯度特征和压力变化率的时间差 利用信号 相关处理方法就可以确定泄漏程度和位置 3 温度检测法 主要用在流体的温度比环境温度显著高或显著低的地方 可以用表面安装的温度 传感器作为无线检测系统的输入 例如蒸汽的检漏就可以利用排出的蒸汽会使温度上 升较多 或致冷液体会使温度显著下降处 均可用管夹头固定表面安装的热电阻或热 电偶 测量可能发生泄漏的卸压阀和隔离阀的温度 从而推断泄漏的程度 这种方法 既可用于液相物体 也可用于气相物体的检漏 利用泄漏气体的频谱特性来进行气体泄漏检测也是值得研究的一个领域 当管道 基于 DSP 技术的阀门泄漏检测和远程无线监视系统的研究 3 气体泄漏时 由于管道内外的压力差 使得泄漏的流体在通过泄漏点达到管道外部时 形成涡流 这个涡流就产生了振荡变化的压力或声波 通过阀门泄漏的超声频谱分析 发现一般泄漏产生的声波频率在 10kHz 100kHz 之间 可以将泄漏时产生的声波作为信 号源 由传感器拾取该信号 以确定泄漏的程度和流量 最近几年来 基于超声波的 无损检测技术有了快速发展 已经开始渗入到工业领域中的各个部门 而作为超声波 检漏技术已经成为管道小孔检漏技术中的重要组成部分之一 因此 利用超声波的特 性来实现检测是当今泄漏检测中的一个亮点 1 3 阀门泄漏检测技术的发展方向 传统的检测方法简单易行 但也存在很多的缺点 如压力分布法和互相关分析法 等误报率较高且只能在中泄漏和大泄漏方面可靠应用 又如特性阻抗检测法和压力点 分析法有反应速度较慢等缺点 由于计算机技术在各领域的应用以及现代控制理论的 发展 近年来逐渐发展起了以软件为主软硬件相结合的检漏新方法 这种方法很大程 度地提高了检漏的准确性和反应速度 现代软硬件相结合的检漏技术中 最具代表性的即超声波检漏 超声波检漏以其 可靠性高和反应速度快在小孔泄漏检测中得到广泛的应用 超声波检漏技术发源于上 世纪六十年代 近几年来 随着科学技术的迅速发展 基于超声波的探伤技术 检漏 技术有了快速发展 在工业领域的各个部门得到广泛应用 而超声波检漏技术已经成 为管道小孔泄漏检测中的最重要方法之一 在压力容器以及管道检测泄漏上 不需要 安装和接触附加设施 而且超声测泄漏的灵敏度非常高 因此超声检测是气体泄漏测 量的最有效和方便的方法 全球信息化的今天 科学技术领域以及社会生活离不开信号处理 通信图象处理 利用超声对泄漏进行检测的关键技术在于探测中目标的背景具有复杂的噪声 且泄漏 量也不同 为了能够更有效地检测泄漏 并能判断泄漏等级 这样就给信号检测设备 和信息处理技术提出了更高的要求 随着DSP Digital Signal Process 技术的发展 高速 DSP 芯片也先后推出使用 对于超声波检测而言 DSP技术使超声泄漏检测得到更好 的发展 使用DSP技术对采集到的信号进行处理也是当下泄漏检测的一种必然趋势 1 4 本文研究内容及章节安排 1 4 1 主要研究内容 课题的研究目的在于检测是否存在阀门的泄漏 并初步判断泄漏等级 对于采集 到的超声波信号 我们需要进行一系列的处理 图 1 1 为超声波信号处理流程图 传感器 泄漏超声波信号模拟信号处理数字信号处理无线通信模块 基于 DSP 技术的阀门泄漏检测和远程无线监视系统的研究 4 图图 1 11 1 超声波信号处理流程图超声波信号处理流程图 根据系统的功能要求和信号流程 我们的工作主要包括以下几个方面 1 高噪声中微弱信号的提取 利用超声对泄漏进行检测的关键技术在于探测的信号中具有复杂的噪声 探测距 离和反射强度也不同 为了从复杂背景噪声中提取不失真的信号波形 以提高输出信 噪比和检测概率 降低误警概率 首先设计了一种高速数据采集系统对超声波信号进 行数据采集 2 基于DSP技术的超声信号处理和分析 超声信号是模拟量 对它采集后要进行必要的处理运算 需要对采集的信号进行 FIR Finite Impulse Response 滤波 FFT fast Fourier transform 等 将泄漏信号转化成频 谱信息 这些运算都需要DSP来完成 DSP具有运算速度快 存储量大等特点 完全可 以满足信号的处理要求 3 阀门泄漏程度的定级 在检测到泄漏后 需要估计泄漏量 并对泄漏的程度进行一定的衡量 用以区分 泄漏的程度 也就是定级 信号经过DSP的处理后 我们能够通过频谱分析对泄漏程 度进行定级 这项工作可为检修人员提供了信息 有助于补漏工作的进行 4 无线通信模块设计 由DSP处理后的数据将通过无线终端向与中央控制室上位机相连的协调器发送数 据 报告信息 通过中央监控室实时监控阀门的状态 及时对发现泄漏的阀门采取措 施 将无线通信技术运用于现场检漏仪与监控中心主机的连接 本检漏系统又一个最 重要的技术特点 该技术特点能建立现场检漏人员与控制中心之间有效地连接 对于 快速检出漏点并安全及时的补漏有着重要的实际意义 1 4 2 章节安排 本文先对检漏系统总体设计进行概略性的介绍 然后分别对系统的各模块进行介 绍 重点介绍了系统的硬件设计和软件实现 本文共的共分为六个章节 除第一章绪论和最后一章总结外 其余四章将对该泄 漏检测系统进行详细的介绍 主要分为系统理论 硬件架构和软件实现三大部分 第二章主要介绍超声检测的原理 第三章我们将对本系统的硬件架构进行介绍和说明 第四章我们讲述如何利用DSP技术对信号进行处理和分析 并对泄漏程度定级 第五章介绍如何通过无线通信原理实现现场检漏检测系统与监控中心主机的连接 基于 DSP 技术的阀门泄漏检测和远程无线监视系统的研究 5 2 超声波检测的原理 声波是一种能够在介质中传播的弹性波 它可以分为次声波 可闻声波 超声波 以及特超声波 人耳所能听闻的声波在200 20kHz之间频率 超过20kHz人耳所不能听 闻的声波称为超声波 2 1 利用超声波检测阀门泄漏的基本原理 如果一个容器内充满气体 当其内部压强大于外部压强时 由于内外压差较大 一旦容器有漏孔 气体就会从漏孔冲出 当漏孔尺寸较小且雷诺数较高时 冲出气体 就会形成湍流 湍流在漏孔附近会产生一定频率的声波 声波振动的频率与漏孔尺寸 有关 漏孔较大时 人耳可听到漏气声 漏孔很小且声波频率大于20kHz时 人耳就听 不到了 但它们能在空气中传播 被称作空载超声波 超声波是高频短波信号 其强 度随着离开声源 漏孔 距离的增加而迅速衰减 如图2 1所示 因此超声波被认为是一 种方向性很强的信号 用此信号判断泄漏位置相当简单 图图 2 12 1 小孔泄漏产生超声波示意图小孔泄漏产生超声波示意图 因超声波检测方向性好 穿透能力强 能量高以及对人体无害等优点 得到了迅 速发展 超声波频谱分析是把频谱分析的理论和分析方法应用于超声检测的技术 一 般来说 简单的超声波原始信号能够提供的信息是有限的 远不能满足声波分析与特 征识别的需要 须对其进行一定的加工与处理 通过对域函数图谱的识别与分析 才 能获得更多的有用信息 以便更好的指导实际工作 因此超声波频谱分析技术是超声 波定量检测或自动检测不可缺少的工具 通过阀门泄漏超声频谱分析 发现一般泄漏产生的声波频率在 10kHz 100kHz 之 间 而能量主要分布于 10kHz 50kHz 之间 并且超声信号在 40 kHz 点的漏气超声波 能量都是比较大的 而且漏气声和本底噪声能量差值也最大 泄漏声与噪声的频谱分 布 3 如图 2 2 所示 因此 可以以 40kHz 作为阀门泄漏所产生超声信号的中心频率 通过检测中心频 率附近超声信号的强度 确定阀门是否存在漏点 基于 DSP 技术的阀门泄漏检测和远程无线监视系统的研究 6 图图2 22 2 泄漏声与噪声的频谱分布泄漏声与噪声的频谱分布 2 2 阀门泄漏的模型 阀门的泄漏相当于气体通过收缩孔从一个压力环境下到另外一个压力环境下 而 另外一个压力环境就是大气环境 在计算时 假定气体为理想气体 在孔中气流的速 度远大于气体与外界进行热交换的速度 气体流过孔时的能量损失远小于它具有的总 能量 可以忽略 因此 孔中的气体流动可视为等嫡流动 4 泄漏模型如图 2 3 所示 图图2 32 3 泄漏参考模型泄漏参考模型 相比之下 容器内的气体流速V0 0 则可以设容器内的气流参数为滞止参数 0 为测得容器内的表压力 实际绝对压力为 外界的气体参数为 1 1 0 1 0 1 一般保持不变 喷嘴出口截面为A 出口截面的气流参数为 0 0 此模型可以对泄漏的相关参变量给出算式 2 3 泄漏量与声压级的理论分析 泄漏超声本质上是湍流和冲击噪声 泄漏驻点压力P与泄漏孔口直径D决定了湍流 声的声压级L 著名学者马大猷教授推出如下公式 3 2 1 PadB PPP PP D D L 200 5 0 log10log2080 2 0 2 0 4 0 0 2 1 基于 DSP 技术的阀门泄漏检测和远程无线监视系统的研究 7 式中 L为在与喷注垂直的方向距离喷口1m处的声压级 单位为 D 喷口直径dB mm D0 1mm P0是环境大气绝对压力 P为泄漏孔驻压 由此可知 在与泄漏孔距离一定时 泄漏超声的声压级是随泄漏孔尺寸和系统压 力的变化而变化的 泄漏产生的超声波频带比较宽 一般在10kHz 100kHz范围内 在不同的频率点 超声波的能量是不同的 实际上 它的频谱峰值也是随泄漏孔的尺寸和压力的变化而 变化的 比如 在一定的泄漏孔径和压力下 如果泄漏超声波的频谱峰值是在38kHz点 的话 加大孔径以后它的频谱峰值可能出现在36kHz点 如果孔径不变 加大系统内外 压差 频谱峰值可能出现在43kHz点 但是在同一频率点 对于形状相同的泄漏孔 泄 漏所产生的超声波的声强随泄漏量的增大而增大 当泄漏孔的雷诺数用公式 2 2 表示时 在40kHz点声压与雷诺数之间的关系如图2 4所示 Re VD 2 2 其中 为气体密度 为粘度 V为流速 D为力学平均直径 图图2 42 4 声压与雷诺数关系图声压与雷诺数关系图 如图可2 4知 如果能检测出一个泄漏孔附近在一个频率点的声强 则可以推算出 该泄漏孔的雷诺数 对于该泄漏孔 由于它的力学平均直径是确定的 所以这时雷诺 数与气体泄漏量是成正比关系 5 但是对于不同的泄漏孔 我们并不知道它的力学平均 直径 因此只知道雷诺数还是不能求出泄漏量 在工业当中 对于管道气体 由于有 源源不断的气体补给 管道里面的气压一般都是恒定值 如果是在工业容器当中 由 于小孔泄漏的泄漏量非常微弱 容器当中的压力变化非常缓慢 可以认为在一段时期 内是恒定值 6 当系统内外压力一定时 对于不同的泄漏孔 它的泄漏流速都是一定的 7 可以用下列公式 2 3 来表示 1 基于 DSP 技术的阀门泄漏检测和远程无线监视系统的研究 8 2 1 0 528 1 0 2588 0 0 528 2 3 式中 V为气体流速 P为管内压力 P0为环境大气绝对压力 T1为绝对温度 P0 P R为气体常数 对空气 k 1 4 则K 2 646 8 2 1 当雷诺数 气体流速知道以后 我们就可以反求出该泄漏孔力学平均直径D 即可 得出泄漏量 通过以上分析得出 只要能检测出距离泄漏点一定距离的超声波在一个频率点的 强度 再给出泄漏系统内外压力 就可以估算出气体泄漏量 另外 因为 40kHz 的信 号是我们需要的有用超声信号 由采样定理 我们应该取 80kHz 以上的采样频率 才 能对信号的准确重建 而这种泄漏超声信号属于正弦信号 由抽样定理对正弦信号的 适用性问题可知 我们必须在正弦信号一个周期内采样 3 个点 才能保证对这个信号 的准确重建 因此我们应选用 160kHz 左右的采样频率 2 4 本章小结 本章主要介绍了本文的理论基础 超声波检测的原理 气体泄漏模型和泄漏量与 声压级的关系 小孔泄漏产生一定频率的超声波的原理 是本系统设计的根基 气体 泄漏模型和泄漏量与声压级的关系可以帮助我们分析气体的泄漏量与哪些因素有关系 是本系统为泄漏量定级的理论基础 基于 DSP 技术的阀门泄漏检测和远程无线监视系统的研究 9 3 硬件组成和设计 3 1 硬件架构 本课题的设计的超声波检漏系统主要实现以下三个基本功能 一是实现泄漏有无 的检测 二是实现泄漏超声波频谱分析和确定泄漏等级 三是实现现场泄漏系统和监 控中心主机远程通信 泄漏所产生的超声波信号是非常微弱的 而且在很多工业场合环境噪声非常大 因此需要对信号进行放大和滤波处理 超声波探头检测到的信号经过转变由声波信号转 换为电平信号 经过放大和滤波处理以后其频率能够达到20kHz以上 处理后的信号经 过离散化以后 在DSP中进行信号的分析并将有效信息通过无线通信模块发送至上位 机 因此 系统分为模拟和数字两部分 模拟部分主要为信号放大电路 包括前置放 大电路 带通滤波电路和第二次放大电路 数字部分主要由DSP芯片和无线模块组成 传感器信号经过放大滤波以后交由DSP处理并通过无线模块发送出去 超声波检漏系统结构框图如图3 1所示 图图 3 13 1 超声波检漏系统结构框图超声波检漏系统结构框图 3 2 关键器件的选择 3 2 1 超声波传感器的选择 实现超声波检测是我们检测系统的的首要环节 是能够准确估计泄漏等级的前提 因此就要求超声波传感器对原始被测信号进行可靠有效的捕捉 传感器是将被测的某 一物理量按照一定的规律转换成与其对应的另一种物理量的装置 目前我们对传感器 一般理解为非电量到电量的转换 超声波传感器是把超声波信号转换为电平信号 或 将电平信号转变为超声信号的一种器件 从这个意义上讲 它也是一种可逆超声换能 监视中心 模拟信号处理电路 数据采集处理 TM320VC54XP 模块 数据处理分析 CC2430 收发模块 无线通信 超声波信号示波器 波形观察 上位机 频谱分析 程 序设计 下载 基于 DSP 技术的阀门泄漏检测和远程无线监视系统的研究 10 器 目前 超声波传感器多为压电换能器 压电换能器的核心元件为压电陶瓷 当电压作用于压电陶瓷时 就会随电压和频 率的变化产生机械变形 另一方面 当振动压电陶瓷时 则会产生一个电荷 利用这 一原理 当给由两片压电陶瓷或一片压电陶瓷和一个金属片构成的振动器 即所谓的 双压电晶片元件 施加一个电信号时 就会因弯曲振动发射出超声波 相反 当向双 压电晶片元件施加超声振动时 就会产生一个电信号 基于以上作用 便可以将压电 陶瓷用作超声波传感器 图图 3 23 2 超声波传感器的构造图超声波传感器的构造图 如超声波传感器示意图3 2所示 一个复合式振动器被灵活地固定在底座上 该复 合式振动器是谐振器以及 由一个金属片和一个压电陶瓷片组成的双压电晶片元件振 动器的一个结合体 谐振器呈喇叭形 目的是能有效地辐射由于振动而产生的超声波 并且可以有效地使超声波聚集在振动器的中央部位 11 根据我们检测系统的准确性 实时性等要求 我们所希望超声波换能器应该满足 以下一些要求 频率响应应满足指定要求 接收灵敏度高 动态范围宽 声到电的转换是线性的 辐射声场的集合图案尽可能符合指定要求 根据以要求 上本课题采用上海尼赛拉传感器有限公司的R40 10型超声波传感器 作为的超声探头 如图3 3所示 它基于压电换能的超声波接收原理 当空气中传来的 超声波被超声探头的喇叭形谐振器汇聚后 驱动振子产生弯曲振动 从而在电极间输 出与此波动相对应的交变电信号 这样就把超声波信号转化为电信号 我们所采用的超声波传感器具有以下优点 小型 重量轻 高灵敏度和高声压 耗电量低 基于 DSP 技术的阀门泄漏检测和远程无线监视系统的研究 11 高可靠性 其具体外型和参数如下 A 9 9 0 3 B 7 0 0 3 C 7 0 0 5 D 7 5 0 3 E 5 0 0 5 F 0 7 0 1 图图 3 33 3 超声波传感器的外形超声波传感器的外形 主要技术参数如下 中心频率40 1k HZ 接收灵敏度大于 74dB 电容1100 25 PF 3 2 2 仪表滤波器的选用 传感器获得的气体泄漏所产生的超声信号极其微弱 根据设计的要求 要把该微 弱信号映射到 3 3v 3 3v 范围内 这就要求采用放大模块 传感器信号的放大电路 一般采用运放来实现 因为运放具有阻抗高 增益大的特点 比较常用的有反相放大 同相放大 差动放大等几种经典放大电路 但是当传感器与这些经典的运放组合时存 在以下问题 传感器输出阻抗一般不为0 会产生比较大的失调和漂移 因为传感器的输出相 对于后级电路而言可以看作电源 我们希望传感器的内阻越小越好 对于非理想放大器 同时满足以下三个条件是不可能的 增益平衡 输入阻抗 平衡 偏流平衡 12 传感器存在引线电阻和输出噪声 通常这会产生比较大的共模误差 普通运放 的共模抑制比不够高 基于以上考虑 本文在放大模块的设计中 采用了仪表放大器 下面就仪表放大 器的特点作一个简要的描述 仪表放大器简称IA Instrumentation Amplifier 专用于测量两个输入端之间的电位 差 并以设定的增益进行放大 其输入电阻高达109欧姆 共模抑制比达106分贝 根 据这些特性 来看看仪用放大器是如何解决以上到的普通放大器存在的问题的 基于 DSP 技术的阀门泄漏检测和远程无线监视系统的研究 12 首先 由于IA的极高的输入电阻 所以传感器的输出阻抗可以忽略 第二 由于 IA的对称结构 可以实现增益平衡 输入阻抗平衡和偏流平衡 13 第三 IA的共模抑 制比很高 可以解决共模误差的问题 第四 由于IA测量的是两个输入端之间的电位 差 而不是直接测量两个输入端 所以即使两个输入端电压很高也不会烧坏放大电路 本设计中我们采用的AD公司的AD627B 从图3 4可以看出 其第一级为同相放大 器 其特点是输入阻抗大 输出阻抗小 第二级为差动放大器 其特点是形成对称结 构 以实现高的共模抑制比 且合于高精度的应用 AD627是一种低功耗 高精度仪表放大器 它的增益通过一个外接电阻设置 增 益范围为5 1000 它的性能优于分离元件组成的仪表放大器 三运放结构 与一般三运 放放大器相比具有体积小 功耗低 精度高等优点 图图3 43 4 仪表放大器原理图仪表放大器原理图 AD627B的主要特点具体介绍如下 微功耗 85 A 最大耗散电流 电源电压范围宽 2 2V 18 V 优良的直流特性 输入失调电压低 125 V 最大失调 输入失调电压漂移小 最大失调 1 输入偏置电流低 10nA 最大偏置电流 共模抑制比高 83dB 当G 51时 噪声电压低 频带宽 80kHz 当G 5时 优良的交流特性 此外 AD627还具有操作简单的优点 其引脚图如图3 5所示 引脚1 8之间外接 电阻 设置增益 增益的计算公式如 3 1 基于 DSP 技术的阀门泄漏检测和远程无线监视系统的研究 13 5 200 3 1 图图3 53 5 仪表放大器外观图仪表放大器外观图 3 2 3 DSP 芯片的选择 经过模拟信号处理电路后的信号 通过示波器我们可以发现 已经可以判断出泄 漏的有无 但是从精确检测和泄漏定级的角度来说 是远远不够的 因此 我们需要 对信号进行进一步的处理 从而实现本系统的功能 DSP即数字信号处理器是一种具有特殊结构的微处理器 DSP内部采用程序总线和 数据总线分开的哈佛结构 具有专门的硬件乘法器 广泛采用流水线操作 提供特殊 的数字信号处理指令 指令周期短 运算效率高 可以用来快速实现各种数字信号处 理算法 15 DSP一般具有如下主要特点 在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法由于信号处理的很多算法的主要 运算量都集中在乘加运算所以DSP正是由于具有该特点才被认为是最适合于信 号处理算法实现的器件 程序和数据空间分开可以同时访问指令和数据 片内具有快速RAM通常可以通过独立的数据总线在两块芯片中同时访问 具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持 快速的中断处理和硬件IO接口支持 具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器 可以并行执行多个操作 支持流水线操作使取指译码取操作数和执行等操作可以重叠进行 TMS320VC540Cx DSP 芯片是 TI 公司于 1996 年推出的新一代定点数字信号处理 器 是 TMS320C5402 DSP 平台中最为成熟 应用最广泛的芯片之一 16 C54x 采用先 进的修正哈弗结构 片内共有 8 条总线 1 条程序存储器总线 3 条数据存储器总线和 4 条地址总线 CPU 片内存储器和在片外围电路硬件 加上高度专业化的指令系统 使 C54x 具有功耗小 高度并行等优点 C54x 以性能价格比最高而著称 可以满足众 多领域的实时处理要求 1 CPU 基于 DSP 技术的阀门泄漏检测和远程无线监视系统的研究 14 先进的多总线结构 包括 1 条程序存储器总线 3 条数据存储器总线和 4 条地址总 线 40 位算术逻辑单元 ALU 包括一个 40 位桶形移位寄存器和两个独立的 40 位累 加器 17 17 位并行乘法器 与一个 40 位专用加法器相连 可在非流水线单周期完成 乘法 累加 MAC 的运算 比较 选择和存储单元 CSSU 用于加法 比较 选择运算 2 存储器 192K 字可寻址存储空间 64K 程序存储器 64K 数据存储器 和 64K 字的 I O 空 间 片内 ROM 可配置为程序 数据存储器 3 外围电路 带有内部振荡器或用外部时钟源的片内锁相环 PLL 时钟发生器 时分多路 TMD 串行口 缓冲串行口 BSP 和多通道缓冲串行口 McBSP 8 16 位并行主机接口 HPI 综上分析 TMS320C5402 DSP 芯片具有运算效率高等优点 符合本系统的功能要 求因此选择该芯片作为数字处理芯片 3 2 4 无线芯片的选择 挪威的 Chipcon 公司率先推出了符合 ZigBee 技术标准的射频芯片 CC2430 CC2430 基于 Chipcon 公司的 SmartRF03 技术 采用 0 18um 制造工艺 Chipcon 公司还提供了相应的开发套件 此开发套件包括 CC2430 外围硬件模块和 Z Stack ZigBee 协议栈 还包括各种高性能的 ZigBee 软件工具 如网络设置器 协议 追踪调试工具等 并包括 CC2420 样片 Chipcon 公司还为用户提供了评估软件 Smart RF Studio 可以帮助开发者进行产品射频性能的评估和功能测试 CC2430 的应用相当广泛和成熟 是和初涉无线通信知识的学生 终端和洗协调器 均使用 CC2430 DSP 处理过的数据通过四个引脚发送到无线终端 再又终端将数据通 过无线通信发送给协调器 协调器与上位机串行连接 这样就达到了远程监视现场情 况的功能 3 3 硬件电路设计 3 3 1 电源设计 超声检漏系统供电包括以下三部分 模拟信号处理电路部分需要正负3 3V电源 和一个1 27V的参考电压 数字信号处理电路部分需要1 8V电压 无线通信模块需 3 3V 根据上述系统供电要求 我们的供电电路主要分为三部分 第一部分获得正 3 3 和 1 8V 电压 如图 3 6 我们采用一块电压为 9V 电池作为供电 基于 DSP 技术的阀门泄漏检测和远程无线监视系统的研究 15 模块的初始电源 为了保证供电电路的安全 避免电源接反时带来的损害 9V 电源信 号首先通过单向二极管 D1 并由电阻 R1 和发光二极管 D61 所组成的支路显示供电电 路是否接通电源 此后电平信号一方面经过电压转换芯片 TPS76333 后输出电压为 3 3V 供给模拟信号处理电路 另一方面经过电压转换芯片 TPS76318 后输出电压为 1 8V 供给 DSP 芯片 图图3 63 6 1 8V 1 8V 3 3V 3 3V供电电路图供电电路图 获得 3 3V电压 主要元件我们采用反相器ADM8828 输入来自TPS76333输出的 3 3V电压 经过反相器取反 可以得到 3 3V电压 如图3 7所示 短接5 6引脚该反向 器就可以正常工作 图图3 73 7 3 3V 3 3V供电电路图供电电路图 第三部分为仪表放大器提供 1 27V的参考电压 根据我们在模拟处理电路中所使 用到的仪表放大器的要求 我们为之提供 1 27V的参考电压VREF 如图3 8所示 我们 采用ADR127芯片 它的功能是将 3 3V的电平转换为 1 27V的电平 由引脚2接输入 引脚4接输出 图图3 83 8 1 27 1 27供电电路图供电电路图 基于 DSP 技术的阀门泄漏检测和远程无线监视系统的研究 16 电源设计中还采用了多级滤波和多级稳压的方法来消除瞬态干扰 提高直流输出 电压的稳定性以消除电源电压波动和浪涌冲击产生的干扰 3 3 2 前置信号调理电路 1 无源滤波器的设计 由于本系统中超声波传感器检测到的噪音包含有大量的环境噪声信号 这些信号 一般远大于我们所需要的微弱气体泄漏所产生的超声信号 如果在设计中直接对采集 到的信号进行放大 同时也放大了环境噪声 就使有用超声信号丢失 因此传感器接 收到的信号必须在放大之前进行滤波 需要注意的是 在这里我们不能使用有源滤波 器 原因是 有源滤波器由于使用了集成运放 而集成运放并不是理想的器件 其有 输入电压偏移 输入电流偏移 和温漂等因素 在传感器接收到的微弱超声信号可能 根本不能使集成运放工作在正常状态 另外由于集成运放工作时本身也会有噪音 这 样经过有源滤波器之后就又会在微弱的信号中混入器件噪音 而起不到所需要的作用 因此在这里我们使用无源滤波器 由于环境噪声频率属于低频噪声 所以需要设计高 通滤波器 其结构如图3 9所示 图图3 93 9 无源无源RCRC高通滤波器电路高通滤波器电路 2 前置信号处理电路实现 经过无源高通滤波后的信号 根据设计的要求 要经过一系列的处理 我们通过 前置放大电路实现 如图3 10所示 电路分为三级 图图3 103 10 前置模拟信号处理电路图前置模拟信号处理电路图 基于 DSP 技术的阀门泄漏检测和远程无线监视系统的研究 17 第一级选用专用高精度仪表放大器AD627 如前所述 AD627是由三个精密运放 集成的差分专用仪器运放 它具有低偏移 高增益 高共模抑制比的特点 特别适用 于放大传感器信号 由于传感器接收到的大量的低频噪声 如50Hz的工频噪声 强度远 大于他所接收到的超声信号 所以在传感器与AD627之间必须接一个无源的高通滤波 器 已经在3 4 1中详细介绍 第二级是一个压控有源带通滤波器 在这一级可以滤掉大部分的前面滤波器没有 滤掉的背景噪声和由器件或电路产生的噪声 这里采用AD公司的OP777 选择通带为 38kHz到42kHz 它是一个超精密的低噪声运放 它还具有极低电压和电流偏移 具有 很高的增益稳定性 第三级是一个同相放大电路 采用LM324芯片如图所示 其增益是由接在引脚2的 电阻R5和接在引脚1 2之间的电阻R6设置的 增益Gain R6 R5 设计中R6 390K R5 39K 则Gain 10 3 模拟信号后期处理电路设计 第三级输出信号通过如图3 11所示的两个10k的电阻 使函数值整体上移为正 之 后数值变为原来的1 2 使输入到DSP的AD采样信号变为0到3 3V DSP对输入信号的 要求较高 为了避免信号抖动引起的误差 我们采用LM324如图3 11连接 可起到电 压跟随作用 从而使信号更加稳定 图图3 113 11 模拟信号后期处理电路图模拟信号后期处理电路图 DSP处理器是对数字量进行处理的 因此 信号在进入DSP处理器之前 必须进行 数模转换 这里我们采用芯片AD7685 AD7685是一种16位逐次逼近的模拟到数字转 换器 ADC 供电电压为2 3 V 5 5 V 它包括一个低功耗 高速 16位无失真采样 器 一个内部转换时钟和一个多功能串行接口 该器件还包含一个低噪声 宽带宽 短延迟的采样保持电路 如图3 12所示 该芯片通过四个引脚和DSP芯片相连 其中 SDI接地 SCK接收DSP芯片时钟信号 SDO为数据串行发送端 CNV接收帧同步信号 基于 DSP 技术的阀门泄漏检测和远程无线监视系统的研究 18 图图3 123 12 A DA D转换电路图转换电路图 3 3 3 数字信号处理模块 根据本课题所研究系统实现的功能 我们可以选择芯片TMS320VC5402作为我们 的DSP处理器 为了方便连接和应用简单 我们采用EXP TMS20C54XX数字处理模块 主要由以下几个模块组成 CPU模块 时钟模块 复位模块 存储器模块 CPLD模块 扩展接口模块 电源模块 在本课题中 CPU模块我们选用TMS320VC5402芯片 其具体特性和功能在前一 节中介绍过 这里不再赘述 系统的时钟周期为100ns 在本模块上有复位按钮 片外 扩展1Mflash存储器 在实验中我们将程序烧在该芯片中 模块的电源输入为5V 板内 有电源转换模块可以将5V电压转换为3 3V和1 8V 分别供给DSP处理器和flash存储器 以及其他元件 该模块的另一特点是接口功能强大 这就很大程度方便了实验操作 EXP TMS20C54XX数字处理模块的接口分布如图3 13 基于 DSP 技术的阀门泄漏检测和远程无线监视系统的研究 19 图图3 133 13 EXP MS20C54XXEXP MS20C54XX数字处理模块接口图数字处理模块接口图 具体分布如表3 1所示 其中J1为DSP JTAG接口 符合IEEE Standard 1149 1 JTAG 标 准 P4为电源插口 从此接口给CPU板供电 5V 内正外负 我们实验室用的是YW 510系列开关稳压电源 其输入为AC100 240V 因此我们可以用家庭用电220V作为其 输入 其输出为DC 5V 作为开发板的电源输入 S1为复位按钮 按下系统复位 J3 为FLASH写保护跳线 选配置 1 2 短路 不允许擦除FLASH 2 3 短路 允许擦 除FLASH 在配置AM29LV320 FLASH芯片时有效 SW1为拨码开关 实验时具体根据 数据手册操作 表表3 13 1 EXP TMS320C5402EXP TMS320C5402开发板接口说明开发板接口说明 序号含义序号含义 1DSP JTAG接口 J16拨码开关 SW2 2电源插口 P48扩展接口 P3 3复位按钮 S19扩展接口 P2 4扩展接口 P110HPI设置J2 5FLASH写保护跳线 J311拨码开关SW1 在本系统设计中我们主要使用了扩展接口P2作为数据发送和接收的接口 接收数 据时 用其中的四个引脚与A D转换器相连 在3 4 4小节做过说明 扩展接口P2引脚的 分布图如图3 14所示 我们使用引脚21 BDRO作为数据串行接受脚 引脚23 BCLKX0 发送时钟信号 引脚25 BFSX0作为帧同步信号发送端 同样 数据发送给无线终端 CC2430是分别使用了引脚BDR1 BCLKX1 BFSX1和BDX1 功能基本和接受时相同 基于 DSP 技术的阀门泄漏检测和远程无线监视系统的研究 20 将在3 3 4小节中具体介绍 图图3 143 14 扩展接口扩展接口P2P2引脚分配图引脚分配图 3 3 4 无线通信系统硬件设计 为了保证现场检漏人员能及时的检出漏点并安全的补漏 就必须实现监控中心与 现场检漏地点的远程通信 本系统主要是通过与DSP相连的终端无线节点和与上位机 相连的协调器通信完成的 17 总体设计如图3 15所示 图图3 153 15 无线通信系统电路设计图无线通信系统电路设计图 CC2430的引脚图如图3 16所示 终端节点和DSP芯片连接时使用了四根线 分别 为P1 7 P1 6 P1 5 P1 4 分别和DSP的引脚BDR1 BDX1 BCLKX1 BFSX1连 接 作为输入数据 输出数据 时钟信号和片选信号的片选信号的通道 烧程序的时 候需要通过仿真器与电脑连接 这时用到P2 2 P2 1和RST这三个引脚 图3 15中的协 基于 DSP 技术的阀门泄漏检测和远程无线监视系统的研究 21 调器左上角的芯片即CC2430芯片 经过DSP处理后的数据发送至终端节点 终端节点 和协调器实现无线远程通信 将数据发至协调器 再由协调器将数据发送至上位机 图图3 163 16 无线通信系统电路设计图无线通信系统电路设计图 3 4 本章小结 本章主要介绍了本系统的硬件的架构 组件的选择和电路的设计 对于本系统而 言 合理的选材对于设计可以使性价比更高 因此本章中多加斟酌 至于电路的设计 我们本着得到精确检测 精确定级的原则 我们需对得到的信号进行一系列处理 经 过模拟信号调理电路 如图3 17 和数字信号处理电路 如图3 18 后的信号 可以作为我 们泄漏定级的依据 为了满足远程监控中心实时监控以尽量降低泄漏危害的目的 设 计了无线通信模块 硬件是软件的基础 本章重墨渲染 旨在将本系统的硬件平台 功能实现的基础介绍清楚 顺理成章 下一章将对本系统的软件部分进行介绍 基于 DSP 技术的阀门泄漏检测和远程无线监视系统的研究 22 图图3 173 17 模拟信号处理电路图模拟信号处理电路图 图图3 183 18 数字信号处理电路图数字信号处理电路图 基于 DSP 技术的阀门泄漏检测和远程无线监视系统的研究 23 4 DSP 软件设计 因为系统要完成泄漏等级的判定和数据的接受发送 故程序主要由信号采集子程 序 滤波子程序 FFT变换程序 数据发送子程序构成 实验时通过TI DSP EMULATOR仿真器将DSP和计算机进行连接 用来烧录程序和查看实验结果 本章将 对程序设计的总体思路以及核心程序设计进行说明程序设计流程如图4 1所示 因为采 取模块化设计 运用时只需调用子程序就可以使工程简明易懂 图图4 14 1 DSPDSP程序设计流程图程