基于GPS授時及時鐘細分的管線破壞定位

3.3時鐘細分
GPS時間信息與秒脈沖同步，每秒發(fā)一個脈沖，若接收時刻處于兩相鄰秒脈沖之間時，僅讀取GPS UTC時間會產(chǎn)生較大誤差，為使定位更加精確，對時鐘進行了細分。C8051F020單片機16位定時器有高字節(jié)和低字節(jié)兩個寄存器，計數(shù)最大可以達65536，經(jīng)編程使每個機器周期為20μs，定時時間可以到1.31s，足以完成在每秒中斷內的時間定時。賦值高字節(jié)數(shù)據(jù)給變量timerH，低字節(jié)數(shù)據(jù)給變量timerL，經(jīng)過處理換算為十進制數(shù)值即為計數(shù)個數(shù)，再乘以20μs可以得到準確的秒內定時時間，賦值給一個存儲定時時間的數(shù)據(jù)結構timerTime，精度可達到20μs。圖4為時鐘同步與細分時序圖，C8051F020程序流程圖如圖5所示。

圖4 時鐘同步與細分時序圖

圖5 核心處理單元程序流程圖

時鐘細分的工作過程為： C8051F020采用中斷方式接收GPS的UTC時間信息，每秒由GPS接收器的PPS產(chǎn)生INT0中斷，響應中斷后，在INT0 中斷服務程序中，定時器先清零后啟動，以便進行時鐘細分，同時通過UART0接收GPS時間幀信息。當下一個PPS觸發(fā)INT0時，同樣定時器先清零后啟動，存儲時間數(shù)據(jù)結構更新。這樣INT0中斷周而復始，每秒中斷一次；外部INT1由專用DSP芯片的P11端口觸發(fā)，且被設為最高優(yōu)先級，如果外部INT1中斷被觸發(fā)，表示聲音識別單元已經(jīng)將破壞聲波識別成功，主程序立即轉向INT1中斷服務程序，讀定時器的高字節(jié)和低字節(jié)寄存器的數(shù)據(jù)，CPU經(jīng)過處理將時間信息與GPS時間幀合并制成時間標簽。

3.4實驗結果
破壞信息報文包含年，月，日，時，分，秒，精度20 s的微秒時間信息以及破壞方式特征編碼等，例如如圖6所示：20060423 085026.82366 06，表示在2006年4月23日8時50分26秒823660微秒時刻，DSC接收到來自站點13573100603的破壞方式編碼為06信息報文。

圖6接收的報文信息

如果DSC接收到管線上下游各監(jiān)測站點的報文信息，解碼提取聲波信號傳播至各站點的時刻后，經(jīng)程序簡單處理，對破壞方式進行識別，并由公式(6)可以對破壞點進行精確定位，理論誤差小于1m。

4結論
運用GPS授時為基準的時鐘同步細分技術，準確獲得破壞特征聲波信號傳播至各監(jiān)控站點的時刻，通過時間標簽的換算可以分別確定破壞點特征信號向上游和下游傳播的速度，然后再利用時間標簽的差值和各監(jiān)控站點之間的距離即可確定管道破壞的精確位置。實驗中取得了良好效果。在管道安全受到威脅或造成破壞之前，提前發(fā)出警報，并快速準確地判定事發(fā)地點，使被動巡線轉變?yōu)橹鲃硬⒂心繕说爻鰮?，可有效遏制鉆孔盜竊現(xiàn)象，節(jié)約大量的人力、物力和財力，為國家財產(chǎn)安全和環(huán)境保護提供一種新的有效的技術保障。

本文的主要創(chuàng)新點：(1) 給出聲波沿管線不同方向傳播的速度測定方法，推導出實際破壞點定位的計算公式；(2) 將GPS授時及時鐘細分技術用于輸送管線各監(jiān)控站點的時鐘同步，提高破壞點定位精度，實現(xiàn)了對傳輸管線破壞精確定位的預警監(jiān)測。