袁會(huì)京

（中石油管道大慶輸油氣分公司生產(chǎn)科，黑龍江 大慶 163000）

1 引言

我國擁有長達(dá)數(shù)萬公里的輸油管線，隨著國內(nèi)石油制品需求的日益增長和國際市場石油價(jià)格的不斷上漲，不法分子的黑手不斷伸向輸油管線，通過盜竊國家原油而牟取暴利。由于我國長達(dá)數(shù)萬公里的輸油管線所處的地域復(fù)雜多樣，常規(guī)的人防手段難以扼制狡猾的盜油犯罪分子，必須藉助現(xiàn)代高科技手段，建立起準(zhǔn)確靈敏的輸油管線防盜預(yù)警系統(tǒng)，才能從根本上提高整個(gè)輸油管道的安全防范能力，有效地制止盜油犯罪，減少國有資產(chǎn)的損失，使管道公司在與盜油犯罪的斗爭中立于不敗之地。本文主要介紹信號(hào)處理模塊的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

2 系統(tǒng)組成

整個(gè)智能輸油管道防盜系統(tǒng)由分布于各布控點(diǎn)的分站系統(tǒng)和位于調(diào)度中心的主站系統(tǒng)組成，見圖1。

主站系統(tǒng)由工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、專主站用控制軟件、無線傳輸模塊組成。主站控制軟件采用主從式的控制方式控制整個(gè)預(yù)警系統(tǒng)，使整個(gè)系統(tǒng)能夠有序地工作。

分站系統(tǒng)由微功耗的出站壓力傳感器、濾波放大器、信號(hào)處理模塊、無線傳輸模塊、供電系統(tǒng)、設(shè)備保護(hù)系統(tǒng)等幾個(gè)部分組成。壓力傳感器獲取來自各分站管線的出站壓力信號(hào)；濾波放大器將壓力傳感器的輸出的弱小信號(hào)進(jìn)行濾波放大；信號(hào)處理模塊高速采集放大器的輸出信號(hào)，然后進(jìn)行各種信號(hào)處理工作，并將有效的信號(hào)以約定的協(xié)議格式通過串口輸出到無線傳輸模塊；無線傳輸模塊將數(shù)據(jù)發(fā)回到總站；供電系統(tǒng)負(fù)責(zé)提供整個(gè)分站系統(tǒng)所需要的能量，并有UPS電源隨時(shí)給蓄電池充電，保證能量的長時(shí)間供應(yīng)；設(shè)備保護(hù)系統(tǒng)是保護(hù)整個(gè)分站系統(tǒng)，讓分站設(shè)備不容易被破壞。

3 分站控制處理控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

基于DSP的信號(hào)處理模塊由模數(shù)轉(zhuǎn)換器（A/D）、數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）、外部程序存儲(chǔ)器（FLASH），外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（SDRAM），復(fù)位電路，無線通訊控制模塊（UART），電源管理模塊（POWER），邏輯控制模塊（Logic Control）組成。

A/D模塊將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成DSP處理器可以處理的數(shù)字信號(hào)。FLASH存儲(chǔ)器用來存儲(chǔ)固化的數(shù)字信號(hào)處理程序。外部的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器解決了DSP的片上存儲(chǔ)器空間的局限。

復(fù)位電路控制整個(gè)電路的復(fù)位時(shí)序，保證系統(tǒng)中的DSP，A/D轉(zhuǎn)換器，無線傳輸控制模塊的正確復(fù)位。邏輯控制模塊接收DSP的控制信號(hào)，經(jīng)過邏輯編碼制后輸出對(duì)系統(tǒng)中的A/D，外部存儲(chǔ)器，無線傳輸控制模塊的控制信號(hào)。電源管理模塊為整個(gè)系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電源，為A/D轉(zhuǎn)換器提供精確的電壓基準(zhǔn)。整個(gè)系統(tǒng)的核心處理器是DSP，它控制A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時(shí)序，接收A/D轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字信號(hào)，然后經(jīng)過分析處理，判斷是否是有效的信號(hào)，然后將這個(gè)判斷通過無線傳輸模塊送回主站。

3.1 JTAG仿真口

由于高速DSP具有高度并行的結(jié)構(gòu)、快速的指令周期、高密度的封裝等特點(diǎn)，采用傳統(tǒng)的電路仿真方法很難實(shí)現(xiàn)可靠的仿真。TMS320C54X系列的DSP采用一種先進(jìn)的掃描仿真器對(duì)用戶板進(jìn)行硬件仿真。掃描仿真器不采用插入仿真的方法，而是通過DSP芯片上提供的幾個(gè)仿真引腳實(shí)現(xiàn)仿真功能。掃描仿真消除了傳統(tǒng)的電路仿真存在的問題，例如，仿真電纜過長會(huì)引起信號(hào)的失真，仿真插頭會(huì)引起可靠性差等問題。用戶程序可在目標(biāo)系統(tǒng)的片內(nèi)或片外存儲(chǔ)器運(yùn)行，而不會(huì)因?yàn)榉抡嫫饕腩~外的等待狀態(tài)。DSP芯片內(nèi)部通過移位寄存器掃描鏈接實(shí)現(xiàn)掃描仿真，這個(gè)掃描鏈被外部的串口訪問。采用掃描仿真，即使芯片已經(jīng)焊在電路板上，也可以進(jìn)行仿真調(diào)試，這對(duì)DSP系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和調(diào)試帶來極大的方便。

3.2 A/D轉(zhuǎn)換電路

通過預(yù)處理的信號(hào)仍然是模擬信號(hào)，而DSP芯片只能對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，因此在DSP的外圍電路中，A/D轉(zhuǎn)換器是十分重要的器件。A/D芯片的選取直接關(guān)系到信號(hào)測量的精度和數(shù)據(jù)容量的大小，因此A/D轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)主要是選擇和應(yīng)用A/D芯片?；诓煌膽?yīng)用，可以選用不同的性能指標(biāo)和價(jià)位的芯片。

3.3 復(fù)位電路設(shè)計(jì)

DSP的硬件復(fù)位方式有上電復(fù)位和手動(dòng)復(fù)位兩種方式。TMS320VC5402 DSP的復(fù)位輸入信號(hào) 是硬件復(fù)位信號(hào)的輸入管腳。在管腳輸入低電平，復(fù)位邏輯將控制DSP的內(nèi)部邏輯初始化，并喚醒DSP初始化軟件的執(zhí)行。為使芯片初始化正常，復(fù)位信號(hào)必須至少保持5個(gè)外部時(shí)鐘。然而，在上電后，系統(tǒng)的晶體振蕩器往往需要幾百毫秒的穩(wěn)定期，因此，復(fù)位電路最好能產(chǎn)生大于200ms的低脈沖。利用RC電路的延遲特性給出復(fù)位所需的低電平時(shí)間，復(fù)位時(shí)間主要由R和C的乘積決定。

RS處的電壓V=VCC（1-e-t/ι）ι=RC

設(shè)V1＝1.0V為低電平與高電平的分界點(diǎn)，則

t=-RC1n（1-V1/VCC）

選擇 R＝100KΩ，C＝10μF，可得 t＝223ms，從而滿足復(fù)位需要。

3.4 DSP 系統(tǒng)用電源電路

3.4.1 電源轉(zhuǎn)換電路

電源是DSP芯片能夠正常工作的保證，TMS320VC5402為低功耗、雙電源供電。其外圍電路工作電壓為3.3伏，而內(nèi)核工作電壓為1.8V，因此必須進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換，以得到合適的電源電壓。同時(shí)，為了降低整個(gè)系統(tǒng)的功耗，整個(gè)電路系統(tǒng)都采用3.3V低功耗的器件。

3.4.2DSP電源地線跳躍

DSP芯片為高速邏輯電路芯片，從電磁兼容性角度考慮，設(shè)計(jì)上對(duì)電源的要求非常高，要盡量去掉電源噪聲和干擾。在數(shù)字信號(hào)完整性問題中，一個(gè)很重要的組成部分就是噪聲電流問題，也稱為地線跳躍問題。

對(duì)于DSP這種高速芯片來說，必須在電路設(shè)計(jì)上采取一定的辦法來抑制這種干擾。在電子電路設(shè)計(jì)中采用去耦技術(shù)能阻止噪聲能量從一個(gè)電路傳到另外一個(gè)電路。在電路中使用去耦電容可以補(bǔ)償邏輯器件工作時(shí)產(chǎn)生的△I噪聲電流，防止造成電源波動(dòng)。

3.5 FLASH存儲(chǔ)器和DSP的接口電路

將FLASH存儲(chǔ)器的16位數(shù)據(jù)線和DSP并行接口的16位數(shù)據(jù)總線相連接，存儲(chǔ)器的地址總線和DSP的地址總線的低19位相連，F(xiàn)LASH的CE#和DSP的PS腳相連，F(xiàn)LASH的OE#與DSP的R/W引腳相連，而FLASH的WE#與DSP的R/W信號(hào)經(jīng)過反向器之后相連。

3.6 信號(hào)檢測、分析的工作流程

A/D將濾波放大器輸出的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，數(shù)據(jù)通過DMA送到DSP的在片（On-Chip）存儲(chǔ)器里，DSP讀取存儲(chǔ)器里的數(shù)據(jù)進(jìn)行各種計(jì)算，若計(jì)算后需要發(fā)送數(shù)據(jù)，則將需要發(fā)送的數(shù)據(jù)按約定協(xié)議通過串口控制模塊輸出到無線傳輸模塊，由無線傳輸模塊發(fā)回主站。電源管理模塊為整個(gè)信號(hào)處理模塊提供穩(wěn)定可靠的電源；邏輯控制模塊便于DSP管理各個(gè)模塊；復(fù)位模塊可以在整個(gè)信號(hào)處理模塊出現(xiàn)異常時(shí)自動(dòng)給出一個(gè)復(fù)位信號(hào)，重啟整個(gè)分站系統(tǒng)。

4 結(jié)語

本系統(tǒng)利用高速低功耗的DSP（數(shù)字信號(hào)處理器）進(jìn)行壓力信號(hào)的分析處理，可以以更低的功耗、更快的速度完成復(fù)雜的數(shù)學(xué)計(jì)算，并且其強(qiáng)大的運(yùn)算能力使系統(tǒng)在處理算法、功能擴(kuò)展上有很好的發(fā)展?jié)摿?，這從硬件上保證了系統(tǒng)升級(jí)能力強(qiáng)大。通過實(shí)驗(yàn)可以看到，現(xiàn)有的預(yù)警判斷方法是行之有效的，但是，對(duì)于可能遇到的新的問題我們還需要對(duì)信號(hào)處理算法、目標(biāo)識(shí)別算法、以及主站程序功能等要進(jìn)行進(jìn)一步改進(jìn)，以適應(yīng)新的應(yīng)用的要求。

[1]孫俊若,胡貴池.越野輸油管道防漏盜監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].儀表技術(shù)與傳感器.2003年.10期:21～25.

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