董翠英，呂宏麗

DONG Cui-ying, LV Hong-li

（唐山學(xué)院 信息工程系，唐山 063000）

0 引言

在我國(guó)的城市給水系統(tǒng)中，每年因管道泄漏而造成的浪費(fèi)相當(dāng)驚人[1]，亟待研究管道泄漏檢測(cè)定位儀器。而管道泄漏數(shù)據(jù)直接影響到到管道泄漏定位的準(zhǔn)確性，所以管道泄漏數(shù)據(jù)信號(hào)采集非常重要。隨著現(xiàn)代信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展，互相關(guān)算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等信號(hào)處理方法應(yīng)用于管道泄漏檢測(cè)定位。本設(shè)計(jì)是管道泄漏相關(guān)檢測(cè)定位中的管道泄漏信號(hào)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

1 管道泄漏相關(guān)檢測(cè)原理

圖1 相關(guān)檢測(cè)定位原理

相關(guān)檢測(cè)定位原理[2,3]如圖1所示，供水管道泄漏引起的泄漏信號(hào)以速度v向兩側(cè)傳播，傳感器1、2距離漏點(diǎn)位置分別為L(zhǎng)1、L2，信號(hào)到達(dá)兩傳感器的時(shí)間差即時(shí)間延遲為D，兩傳感器之間的距離為L(zhǎng)相關(guān)儀根據(jù)兩路信號(hào)的相似性找到相關(guān)函數(shù)的峰值點(diǎn)，即可確定時(shí)延D，從而確定漏點(diǎn)位置。漏點(diǎn)距離傳感器1的距離L1為：

2 系統(tǒng)總的設(shè)計(jì)方案

漏水聲波在通過(guò)土壤向地面?zhèn)鞑ミ^(guò)程中，聲波的能量衰減，在地面可聽(tīng)到的漏水聲的頻率范圍一般在100Hz-700Hz，而金屬管材中形成的漏水聲頻率范圍為500Hz-3500Hz[4]，，所以管道泄漏數(shù)據(jù)采集時(shí)，采用測(cè)量振動(dòng)信號(hào)的加速度傳感器。相關(guān)檢測(cè)定位原理如圖1，需要同時(shí)進(jìn)行兩路信號(hào)數(shù)據(jù)采集。

由于此時(shí)采集的漏水信號(hào)比較微弱且含有一定的噪聲信號(hào)，需通過(guò)信號(hào)調(diào)理，經(jīng)AD芯片進(jìn)行模數(shù)，由單片機(jī)完成數(shù)字信號(hào)的存儲(chǔ)器存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的采集；由于傳感器的安放位置有一定的距離，采用RS-485總線完成數(shù)據(jù)傳輸、主控單片機(jī)實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)；為了保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，由DSP芯片來(lái)完成濾波、相關(guān)等復(fù)雜算法信號(hào)處理過(guò)程，故需要RS-485完成與DSP的數(shù)據(jù)通信?？傮w設(shè)計(jì)方案框圖如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

2.1 信號(hào)調(diào)理模塊設(shè)計(jì)

2.1.1 放大電路設(shè)計(jì)

泄漏信號(hào)采集中，由于信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍較大，泄漏情況不同，信號(hào)幅度相差很大，即使同一次采集，信號(hào)幅度受外界環(huán)境影響，也可能出現(xiàn)較大變化。采用固定增益放大器，容易出現(xiàn)信號(hào)放大不足或放大飽和的情況，故需采用增益可調(diào)的放大器，動(dòng)態(tài)增益為0-32dB。文中采用NE5532低噪聲運(yùn)算放大器，電路如圖3所示，調(diào)節(jié)電阻R4可以改變放大倍數(shù)，利用Multisim仿真軟件得其頻率如圖4所示。

圖3 NE5532放大電路

圖4 放大電路的頻率特性圖

2.1.2 濾波電路設(shè)計(jì)

泄漏信號(hào)的高頻成分截止到3500Hz，而噪聲的頻帶就寬得多，故需要設(shè)計(jì)低通濾波器抑制有用信號(hào)帶外噪聲。橢圓濾波器（Elliptic filter），是在通帶和阻帶內(nèi)具有等波紋的一種濾波器，在階數(shù)相同的條件下比其他類(lèi)型的濾波器有著最小的通帶和阻帶波動(dòng)。所以，文中采用凌力爾特公司生產(chǎn)的LTC1068開(kāi)關(guān)電容濾波器，設(shè)計(jì)橢圓型的濾波器的截止頻率為3500Hz，通帶增益為0dB，電路原理圖如圖5所示。使用凌力爾特專(zhuān)用的FliterCAD濾波器設(shè)計(jì)軟件得到的頻率特性圖如圖6所示。

圖5 濾波器電路圖

圖6 濾波器頻率特性

2.2 AD電路設(shè)計(jì)

由傳感器輸出的管道泄漏信號(hào)，經(jīng)放大濾波處理之后，幅度已經(jīng)調(diào)整到合適的范圍了。為了提高系統(tǒng)的精確度，文中采用16bit的AD芯片ADS7825。ADS7825是Burr-Brown 公司生產(chǎn)的4通道16位CMOS A/D轉(zhuǎn)換器，精度高，轉(zhuǎn)換速率快。本設(shè)計(jì)采用ADS7825的并行輸出方式，在A/D轉(zhuǎn)換之后，分別把高8位和低8位送到單片機(jī)P1口。

2.3 存儲(chǔ)

由于單片機(jī)的內(nèi)部RAM只有256字節(jié)，不能滿(mǎn)足系統(tǒng)的要求，因此需要擴(kuò)展外部的RAM。本設(shè)計(jì)選用直插型62256（32K×8位），它具有容量大、功耗低、價(jià)格便宜、集成度高、速度快、設(shè)計(jì)和使用方便等特點(diǎn)[5]。

2.4 數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計(jì)

RS-232通信方式較適合點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的短距離數(shù)據(jù)通信[6]，而相關(guān)檢測(cè)要求同時(shí)傳輸兩傳感器采集的信號(hào)，且距離較遠(yuǎn)，因此采用RS-485通信方式。芯片的1和4腳分別于單片機(jī)的RXD和TXD連接，單片機(jī)的P3.3通過(guò)一反相器控制MAX485的接受與發(fā)送，芯片的6和7腳位平衡輸出端，兩引腳的電平相反。

2.5 電源電路設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的工程現(xiàn)場(chǎng)不方便甚至無(wú)法使用交流電源，只能選用電池作為電源。出于便攜方面和易于購(gòu)買(mǎi)的考慮，文中選用的總電源為無(wú)汞堿性9V電池，為使系統(tǒng)正常工作，需將電池電壓進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換電路的輸出需滿(mǎn)足各功能模塊對(duì)電源的要求。為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，選用穩(wěn)定性高、波紋小、可靠性高的線性穩(wěn)壓模塊LM7805和LM7905，把輸入的正負(fù)9V電壓轉(zhuǎn)為正負(fù)5V作為系統(tǒng)電源。

3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

兩路的單片機(jī)上電初始化后，都開(kāi)啟RS-485處于接收狀態(tài)等待主控單片機(jī)的指令，接收到采集數(shù)據(jù)的指令后，同時(shí)開(kāi)啟AD采集泄漏管道上的振動(dòng)信號(hào)，并完成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。采集、存儲(chǔ)完成后，在主控單片機(jī)的控制下通過(guò)RS-485進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件流程如圖7所示。

圖7 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)程序流程圖

4 結(jié)果與分析

利用信號(hào)發(fā)生器來(lái)模擬管道泄漏信號(hào)，峰峰值500mV頻率1000Hz，圖8表示信號(hào)調(diào)理模塊信號(hào)輸入輸出波形，示波器的CH2即圖中下行波形是輸入信號(hào)，示波器CH1即圖中上行波形表示輸出信號(hào)波形，由圖可知其峰峰值為4V，則實(shí)際放大倍數(shù)為8倍。對(duì)該模擬信號(hào)進(jìn)行采集及傳輸，最終將數(shù)據(jù)傳送給DSP。利用CCS軟件觀察DSP接收到的數(shù)據(jù)波形如圖9所示，驗(yàn)證了信號(hào)采集的正確性。文中設(shè)計(jì)的泄漏信號(hào)采集系統(tǒng)具有低噪聲、低功耗，可提高采集信號(hào)的信噪比，適應(yīng)泄漏檢測(cè)的戶(hù)外作業(yè)環(huán)境，是供水管道泄漏檢測(cè)定位儀系統(tǒng)中非常重要的組成部分，可稍加改動(dòng)應(yīng)用于多種管道如石油管道、天然氣管道等泄漏檢測(cè)中，具有廣闊市場(chǎng)前景。

圖8 信號(hào)調(diào)理模塊輸入輸出波形

圖9 DSP接收到數(shù)據(jù)采集波形

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