基于ARM核微處理器的便攜式管道泄漏檢測儀(圖)
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中國電子科技集團(tuán)第38研究所 張宏財目前輸油管道泄漏監(jiān)測定位的主要方法可分為兩大類，一類是檢測輸油管線的管壁狀況，如管內(nèi)探測球等，另一類則依賴于監(jiān)測輸油管內(nèi)流體的狀態(tài)，如壓力、流量的變化，常用的方法有壓力梯度法、負(fù)壓力波法、流量平衡法、相關(guān)法等。隨著計算機(jī)、通信和儀表技術(shù)的快速發(fā)展，監(jiān)測輸油管道內(nèi)流體的狀態(tài)變得越來越容易實現(xiàn)，逐漸成為輸油管道監(jiān)測的主流方法。由于這些依賴監(jiān)測輸油管內(nèi)流體的狀態(tài)的方法各有其優(yōu)缺點(diǎn)，所以目前輸油管道的泄漏監(jiān)測往往是采用多種方法聯(lián)合判斷。近幾年來，隨著高性能、低功耗處理器ARM的出現(xiàn)，信號采集存儲系統(tǒng)的功耗和體積不斷減少，滿足了便攜式的要求，使得掌上儀器的開發(fā)成為可能。本文利用ARM核微處理器LPC2214研制的相關(guān)檢漏儀，采用了負(fù)壓波法和聲波法判斷相結(jié)合的方法，依據(jù)相關(guān)函數(shù)檢測原理，它不僅可以用于石油檢漏，也可以用于煤氣、城市自來水、天然氣等管道的泄漏檢測。
相關(guān)檢漏原理
1 負(fù)壓波檢測
當(dāng)泄漏發(fā)生時，泄漏處因流體物質(zhì)損失而引起局部流體密度減小，產(chǎn)生瞬時壓力降低和速度差，當(dāng)以泄漏前的壓力作為參考標(biāo)準(zhǔn)時，泄漏時產(chǎn)生的減壓波就稱為負(fù)壓波。該波以一定速度自泄漏點(diǎn)向兩端傳播，經(jīng)過若干時間后分別傳到上下游。上下游壓力傳感器捕捉到特定的瞬態(tài)壓力降的波形就可以進(jìn)行泄漏判斷，根據(jù)上下游壓力傳感器接收到此壓力信號的時間差和負(fù)壓波的傳播速度就可以定出泄漏點(diǎn)。
負(fù)壓波法檢測泄漏依賴泄漏點(diǎn)產(chǎn)生突然的壓力降，通常大的管道泄漏都具有這一特征，然而對于緩慢發(fā)生的泄漏或已經(jīng)發(fā)生的泄漏，負(fù)壓波法一般不能檢測出，這是其局限性。
2 聲波檢測
當(dāng)管道內(nèi)液體泄漏時，由于管道內(nèi)外的壓力差，使得泄漏的流體在通過泄漏點(diǎn)到達(dá)管道外部時形成渦流，這個渦流就產(chǎn)生了振蕩變化的聲波。這個聲波可以傳播擴(kuò)散返回泄漏點(diǎn)并在管道內(nèi)建立聲場。聲波法是將泄漏時產(chǎn)生的噪聲作為信號源。聲波沿管道向兩端傳播，通過設(shè)置好的傳感器拾取該聲波，經(jīng)處理后確定泄漏是否發(fā)生并進(jìn)行定位?？梢杂行У目朔?fù)壓法的缺陷。
為了精確獲得泄漏引發(fā)的壓力波和聲波傳播到上下游傳感器的時間差，需要準(zhǔn)確地捕捉到泄漏壓力波信號序列的對應(yīng)特征點(diǎn)。由于現(xiàn)場的干擾、輸油泵的振動等因素，采集到的壓力波信號序列附加了大量噪聲，如何從噪聲中準(zhǔn)確地提取出信號的特征點(diǎn)是定位的關(guān)鍵。本儀器采用相關(guān)函數(shù)分析法，相關(guān)函數(shù)檢漏法就是利用傳感器拾取漏點(diǎn)發(fā)出的負(fù)壓波或聲波，對負(fù)壓波或聲波信號進(jìn)行互相關(guān)分析。沒有泄漏時，相關(guān)函數(shù)的值在零附近；發(fā)生泄漏后，相關(guān)函數(shù)的值將發(fā)生顯著變化；另外，當(dāng)管道泄漏點(diǎn)的位置不同時，兩個信號的延遲時間就有區(qū)別，信號的相關(guān)函數(shù)的值就會改變。因此，根據(jù)信號的相關(guān)函數(shù)信息，就可以對管道的泄漏狀況進(jìn)行檢測并進(jìn)行定位。
漏點(diǎn)定位算法
圖1 相關(guān)函數(shù)檢漏法的工作原理
檢測時，將傳感器分別置于管道部位露出的管道兩端。把埋于幾米深的地下管道的微弱泄漏引起的負(fù)壓波信號、聲波信號轉(zhuǎn)換成電信號。通過電纜送到與傳感器阻抗相匹配的放大器輸入級，經(jīng)前置放大，通過帶通濾波器進(jìn)行預(yù)處理，通過定義高通(或低通)頻率值來限制記錄噪聲信號的頻率范圍，從而抑制干擾信號。信號經(jīng)過電壓放大，經(jīng)數(shù)據(jù)采集板進(jìn)行采樣和量化，然后由ARM微處理器進(jìn)行處理，得出時間差，進(jìn)而計算出泄漏點(diǎn)。
假設(shè)管道在Q點(diǎn)發(fā)生泄漏，產(chǎn)生一個以Q點(diǎn)為泄漏源的負(fù)壓波和聲波信號，該負(fù)壓波、聲波信號將以一定的波速V向管道兩端傳播，安裝在管道A、B兩端的傳感器分別在和(t+)到這個信號(這里假設(shè)泄漏點(diǎn)距離兩個傳感器的距離La>Lb)，由于同時也有外部噪聲的影響，設(shè)A、B兩端的傳感器測得的信號樣本函數(shù)分別為A（t），B（t）因而它們可以表示為:
A(t)=f(t)+NA(t)
B(t)=f(t+τ)+NB(t)
其中，f(t)和f(t+τ)是A、B兩處的源信號，NA(t)和NB(t)分別為A、B兩處的背景噪聲。對A(t)和B(t)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，即:
了處理數(shù)據(jù)方便，一般認(rèn)為泄漏信號與噪聲信號相互獨(dú)立不相關(guān)，噪聲信號NA(t)和NB(t)完全不相關(guān)，則:
當(dāng)相關(guān)函數(shù)RAB(τ)達(dá)到峰值時，所對應(yīng)的τ值正好與兩個傳感器檢測到的信號的時間差相一致。由數(shù)學(xué)知識可知，相關(guān)函數(shù)R'AB(τ)=τ+τ0處取得極大值的必要條件是RAB(τ)在τ0處的導(dǎo)數(shù)RAB(τ)=0，由此求出τ0，再測出兩個傳感器之間的實際長度L和負(fù)壓波、聲波在該管道的傳播速度V，泄漏點(diǎn)Q的位置就可以確定，即：
LA=(L+S×V)/2
或
LB=(L-S×V)/2
ARM檢測儀的構(gòu)成
本文所研制的檢漏儀是基于ARM核嵌入式微處理器的新一代嵌入式系統(tǒng)。ARM微處理器功耗低、成本低、性能強(qiáng)；支持ARM/THUMB雙指令集；配有豐富的標(biāo)準(zhǔn)軟件開發(fā)工具和調(diào)試環(huán)境。而且ARM核也以其高性能、小體積、低功耗、緊湊代碼密度和多供應(yīng)源的出色結(jié)合而著名，是目前公認(rèn)的最領(lǐng)先的32位嵌入式RISC微處理器核。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2 ARM嵌入式系統(tǒng)框圖
系統(tǒng)設(shè)計分析如下:
①數(shù)據(jù)采集由一片CPLD(復(fù)雜可編程邏輯器件)來產(chǎn)生控制時序，控制邏輯主要包括:多路選擇地址C0～C2、采樣保持S/H、啟動A/D、雙端口寫入允許WR、寫入地址以及一幀數(shù)據(jù)滿后的中斷請求IRQ等信號，主要時序關(guān)系如圖3所示。
圖3 數(shù)據(jù)采集時序圖
②采用Philips公司的LPC2214的微處理器，用它來對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、顯示操作。LPC2214是基于ARM7 TDMI核的RISC微處理器，ARM7TDMI為低功耗、高性能的16/32位核，最適合對價格及功耗敏感的場合。LPC2214在ARM7TDMI核的基礎(chǔ)上擴(kuò)展了一系列通用外圍器件：112個通用I/O口，4個串行口，2個32位定時器，9個外部中斷，通過片內(nèi)PLL可實現(xiàn)高達(dá)60MHz的操作頻率。
③采集電路與ARMCPU用8KB雙端口RAM和中斷方式交換采集數(shù)據(jù)，RAM內(nèi)可設(shè)兩個緩沖區(qū)交替工作，雙端口RAM可直接與ARM嵌入式系統(tǒng)的擴(kuò)展總線連接。
④設(shè)計中選擇TI公司的TLC5540高速模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，其具有8位分辨率，內(nèi)置采樣和保持電路，該芯片采用一種改進(jìn)的半閃結(jié)構(gòu)、CMOS工藝制造，因而大大減少了器件中比較器的數(shù)量，而且在高速轉(zhuǎn)換的同時，能夠保持低功耗，轉(zhuǎn)換速率可達(dá)40MB/s。
⑤由于要移植嵌入式操作系統(tǒng)，所以要擴(kuò)展2M的Flash(SST39VF160)和8M的RAM（IS61LV25616AL），嵌入式操作系統(tǒng)、應(yīng)用程序的代碼和文件系統(tǒng)均存儲在Flash中。
⑥采用普通I/O口來擴(kuò)展外部鍵盤，形成4×4的矩陣鍵盤。分別對應(yīng)“0，1，2，3，4，5，6，7，8，9”、“.”、左移、右移、前翻頁、后翻頁和確認(rèn)鍵。實現(xiàn)對各測控模塊組態(tài)信息的設(shè)置以及顯示畫面的切換。
⑦選用控制器為SED1335的單色STN圖形液晶，其點(diǎn)陣為320×240，考慮到LCD控制器的工作電壓為5V，而主CPU的工作電壓為3.3V，因此采用74HCT164245對數(shù)據(jù)總線進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。
軟件設(shè)計
1 操作系統(tǒng)選擇
支持32位ARM CPU的嵌入式操作系統(tǒng)有很多，現(xiàn)在市場上幾個著名的商業(yè)嵌入式操作系統(tǒng)主要有Vxwork、QNX、Windows CE等。Linux則以其免費(fèi)的、源代碼公開的特殊魅力，在嵌入式系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用，嵌入式Linux具有以下特點(diǎn)：
①Linux開放的源碼，豐富的軟件資源。
②功能強(qiáng)大的內(nèi)核，性能高效、穩(wěn)定，多任務(wù)易于裁減。
③完善的網(wǎng)絡(luò)通信、圖形、文件管理機(jī)制。
④支持大量的周邊硬件設(shè)備。
⑤良好的開發(fā)環(huán)境，不斷發(fā)展的開發(fā)工具集。
⑥價格低廉有效降低產(chǎn)品成本。
μClinux是一套非常優(yōu)秀的嵌入式自由軟件，是Linux 2.0/Linux 2.4版本的一個分支，它被設(shè)計用來應(yīng)用微處理器領(lǐng)域。由于μClinux操作系統(tǒng)是源代碼公開的，其硬件相關(guān)部分可以通過定義一些函數(shù)移植到不同的硬件平臺，具有Linux的宿主機(jī)開發(fā)環(huán)境，有GNU的交叉編譯器的支持，有操作系統(tǒng)的源代碼，因此開發(fā)基于嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用程序?qū)⒎浅７奖恪?
2 軟件功能設(shè)計
軟件主要包括系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件兩部分，如圖4所示。
圖4 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)及組成圖
ARM Bootloader完成ARM的初始化、存儲器的設(shè)置以及嵌入式 μcLinux的加載，最后控制權(quán)交給 μcLinux操作系統(tǒng)，此后系統(tǒng)在μcLinux的管理下運(yùn)行應(yīng)用程序；應(yīng)用程序包括中斷處理、數(shù)值計算、鍵盤處理、泄漏點(diǎn)位置及參數(shù)顯示，顯示軟件完成320×240點(diǎn)陣LCD模塊的驅(qū)動、漢字及圖表曲線的顯示等功能。由于μcLinux是多任務(wù)系統(tǒng)，上面幾個處理任務(wù)可以設(shè)計成獨(dú)立進(jìn)程，程序設(shè)計變得簡單。
結(jié)束語
該儀表設(shè)計主要采用了ARM微處理器、μcLinux操作系統(tǒng)以及數(shù)值信號處理方法，在嵌入式系統(tǒng)中實現(xiàn)了高精度的信號采集和快速的數(shù)值分析算法。該便攜式泄漏檢測定位儀在實際應(yīng)用中取得了良好效果，可以用于煤氣、城市自來水、天然氣等管道的泄漏檢測定位。
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