趙巧絨 權(quán)宏偉
【摘要】不穩(wěn)定斜坡是凍土區(qū)管道面臨的巨大威脅,極有可能造成斜坡底部管道發(fā)生屈曲褶皺變形,因此急需結(jié)合實際情況應用合適技術(shù)對大型斜坡進行監(jiān)測。論文根據(jù)所測當?shù)貎鐾羺^(qū)實際情況,從高精度、低功耗、數(shù)據(jù)無線傳輸三方面出發(fā),討論了凍土區(qū)斜坡穩(wěn)定性安全監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設計方法。包括系統(tǒng)各功能模塊結(jié)構(gòu)設計,主控板電路設計及主控板及采集模塊的PCB板設計。
【關鍵詞】監(jiān)測系統(tǒng);主控板;結(jié)構(gòu)設計;數(shù)據(jù)采集
1.引言
在原油輸送過程中,管道經(jīng)由多年凍土區(qū),輸油管道中原油溫度會影響管道周圍多年凍土區(qū)土壤的溫度場,引起復雜的地質(zhì)災害問題,如凍脹、融沉、水土流失、邊坡失穩(wěn)等,對管道安全造成威脅,嚴重影響原油的運輸。其中,不穩(wěn)定斜坡是凍土區(qū)管道面臨的最大威脅,極有可能造成斜坡底部管道發(fā)生屈曲褶皺變形。論文通過對凍土區(qū)斜坡失穩(wěn)機理、形成過程及斜坡監(jiān)測技術(shù)的分析,討論了凍土區(qū)斜坡穩(wěn)定性安全監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設計。
管道的較大形變?nèi)菀滓鸸艿赖臄嗔押托孤叮瑫r由于凍土層微小的溫度都會影響到石油管道的安全傳輸,所以要求監(jiān)測系統(tǒng)具有±0.2℃的溫度測試精度,并具有長期穩(wěn)定性。在選擇元器件時不僅要求各個器件達到所需精度,還要分析元器件組合的總精度。另外,由于監(jiān)測儀器是在野外安裝使用,環(huán)境比較復雜,而溫度對于系統(tǒng)的工作又有很大的影響,元器件的工作溫度范圍需在-50℃~+50℃之間。但大多數(shù)元器件工作溫度在低于零下25度以上,所以需要對系統(tǒng)板進行保溫處理。保溫處理雖能在一定時間內(nèi)保證器件正常工作,但為了滿足系統(tǒng)低功耗及工作長期穩(wěn)定性,在選擇元器件時,需選擇溫度范圍較寬且溫度較低也能正常工作的器件。
2.系統(tǒng)各功能模塊結(jié)構(gòu)設計
2.1 主控板結(jié)構(gòu)設計
在滿足低功耗、高精度及高低溫適應的原則下,主控芯片選用Atmel公司ATmega128L芯片,時鐘芯片選用美國DALLAS公司推出的性能比較高的DS1302,數(shù)字溫度傳感器選較常用的DS18B20,存儲芯片選用Atmel公司推出的大容量串行數(shù)據(jù)Flash存儲器AT45db161,繼電器選擇常用的電流為5A小型MY2NJ。其各芯片布置如圖1所示,在主控板預留LCD1602的接口,在調(diào)試結(jié)束后可拔掉顯示屏以降低功耗。整個主控板模塊中DS1302確定數(shù)據(jù)的定時發(fā)送,AT45db161芯片將各個溫度傳感器收集的信息進行存儲。ATmega128L具有兩個可編程的串行UART,ATmega128L通過其中一個串行UART,以尋址的方式與數(shù)據(jù)采集模塊中的AT89C51進行通信,控制多個數(shù)據(jù)采集模塊中的一個進行溫度采集。另一個串行UART與GSM模塊進行通信,將采集的數(shù)據(jù)以短信形式發(fā)送至目標SIM卡。由于野外無供電條件,電源由12V的蓄電池及太陽能電池板構(gòu)成,為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的直流電壓。
2.2 數(shù)據(jù)采集模塊結(jié)構(gòu)設計
數(shù)據(jù)采集模塊在選用各芯片時,同樣滿足以上所述的芯片選用原則。主控芯片選擇性能及價位比較合適的由美國STC公司推出的52內(nèi)核單片機,A/D轉(zhuǎn)換芯片選擇具有4通道單獨輸入的ADS8341。采集模塊各芯片布置如圖2所示。由于系統(tǒng)需要測量30個點的溫度,既需要40個溫度傳感器。一個ADS8341有4個通道,能夠連接4個溫度傳感器,圖2中包含3個ADS8341,能夠連接12個溫度傳感器。所以,在整個數(shù)據(jù)采集部分,要完成數(shù)據(jù)的正確采集需要有4個同類型的采集模塊。
圖1 主控板框圖
圖2 數(shù)據(jù)采集模塊框圖
2.3 數(shù)據(jù)遠程通信系統(tǒng)設計
數(shù)據(jù)遠程通信系統(tǒng)主要由GSM通信模塊、上位機系統(tǒng)、下位機系統(tǒng)等組成,如圖3所示。下位機系統(tǒng)將數(shù)據(jù)信息通過GSM模塊1以短信方式發(fā)出,經(jīng)過全球無線移動通信網(wǎng)絡(GSM網(wǎng)絡)將數(shù)據(jù)發(fā)送給GSM模塊2。上位機軟件將短信從GSM模塊2中讀取,并進行計算、分析及顯示。當需要對下位機系統(tǒng)進行設定時,上位機軟件通過GSM模塊2以短信形式將命令發(fā)出,經(jīng)過全球無線移動通信網(wǎng)絡將命令發(fā)送給GSM模塊1,下位機系統(tǒng)通過GSM通信模塊1接收來自上位機的命令。
圖3 數(shù)據(jù)遠程通信系統(tǒng)框圖
3.主控板電路設計
根據(jù)上面所確定的主控板系統(tǒng)結(jié)構(gòu),對主控板硬件電路進行設計。主控芯片ATmega128L是一款基于AVR RISC結(jié)構(gòu)的低功耗CMOS8位微控制器。具有片內(nèi)128KB的程序存儲器(Flash)、4KB的數(shù)據(jù)存儲器(SRAM)和4KB的EEPROM,有8個10位ADC通道、2個8位和2個16位硬件定時/計數(shù)器、8個PWM通道。與ATmega128A相比,ATmega128L具有較寬的供電電壓(2.7~5.0V),實際應用中,可選擇3.3V的供電電壓以降低系統(tǒng)功耗。
ATmega128L的時鐘源可以選取外部晶體振蕩器、外部RC振蕩器、內(nèi)部RC振蕩器等方式。其時鐘源的選擇可通過JTAG編程、ISP編程等方式對ATmega128L的內(nèi)部熔絲位來設定。為了降低系統(tǒng)主控板與采集板數(shù)據(jù)通信中的誤碼率,ATmega128L的晶體振蕩器頻率選用7.3728MHz,以產(chǎn)生精準的9600bps波特率。
4.主控板及采集模塊的PCB板設計
PCB板設計的成敗直接決定了系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性和可靠性,在設計PCB板時,需要考慮其電磁兼容性和散熱性。由于本系統(tǒng)所處的環(huán)境溫度較低,PCB板上元器件的發(fā)熱為有利因素,因此在設計PCB板時僅考慮其電磁兼容性。本系統(tǒng)的主控板和采集板采用了分離設計,因此各PCB基板上的元器件較少,為減低系統(tǒng)制作成本,選用常用的雙層板設計。系統(tǒng)PCB板實物圖如圖4所示,采集板通過4個插接槽與主控板相連。
圖4 系統(tǒng)實物圖
5.結(jié)論
通過對系統(tǒng)硬件需求分析,對系統(tǒng)的主控板模塊及采集模塊進行設計,同時對各個模塊中所需的元器件按系統(tǒng)所需性能及低功耗要求進行選擇,并對各個元器件功能、參數(shù)進行介紹。在硬件設計中不僅對各個元器件的電路連接進行詳細設計,同時考慮到供電問題,并對各模塊電源供電進行詳細設計,最后根據(jù)使用性將設計電路出PCB板。
參考文獻
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