李 偉 劉齊飛 馬景蘭 萬京生

(北京石油化工學(xué)院電氣工程系)

作為國家重要能源產(chǎn)業(yè)，石油和天然氣主要通過管道來運輸，因此，提高管道使用壽命和安全可靠性，確保管道的安全運行，已經(jīng)成為世界各國普遍關(guān)注的問題。為了預(yù)防管道泄漏事故，廣泛地使用管道機器人技術(shù)定期對管道進行缺陷檢測[1，2]。通過對使用年限長、接近檢測周期或事故多發(fā)期的在役管道進行無損檢測，可掌握管內(nèi)受損部位與腐蝕程度，并依據(jù)有關(guān)安全規(guī)范，對具有嚴重缺陷的管道予以及時維修，從而避免泄漏事故的發(fā)生，延長管道的使用壽命。因此，管道檢測是保護管道安全的一種既經(jīng)濟又有效的方法。

管道智能檢測的目的就是要檢測管道的受損狀況，及時發(fā)現(xiàn)隱患，確保在役管道的安全運行。檢測裝置中的定位系統(tǒng)主要用來確定管道受損位置，使檢測裝置系統(tǒng)進入管道后，具有準確識別受損部位的能力。因此，定位系統(tǒng)設(shè)計是檢測系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)之一。

管道定位方法一般有內(nèi)定位和外定位兩種：內(nèi)定位是指檢測裝置自身設(shè)置定位標記，它可通過里程輪來實現(xiàn)；外定位是指在被測管道所經(jīng)過的地段，按一定間隔設(shè)置定位系統(tǒng)，接收器接收定位用低頻電磁波信號，從而確定每一特征點的相對位置。目前，管道智能檢測一般采用內(nèi)、外定位相結(jié)合的方式進行檢測定位。此外，檢測裝置在管道的行進過程中可能會發(fā)生偏轉(zhuǎn)，從而影響定位精度，因此定位系統(tǒng)還需對裝置轉(zhuǎn)角進行測量，從而對里程輪內(nèi)定位數(shù)據(jù)進行修正，以提高定位效果。

1 管道定位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)方案簡介

管道定位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是管道無損檢測系統(tǒng)中的重要組成部分。利用超聲檢測或漏磁檢測方法對管道巡檢完畢后，通過對檢測數(shù)據(jù)進行離線分析，輔以管道定位數(shù)據(jù)，即可準確找出產(chǎn)生嚴重缺陷的管道位置，便于對管道進行維護和搶修。

由于通用串行總線(Universal Serial Bus，USB)接口具有傳輸速率高、安裝方便及易于擴展等優(yōu)點，已逐漸成為現(xiàn)代數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌l(fā)展趨勢之一[3，4]?；赨SB存儲技術(shù)的管道定位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)如圖1所示，該系統(tǒng)主要完成管道內(nèi)定位、管道外定位和大容量數(shù)據(jù)存儲功能。

圖1 基于USB技術(shù)的管道定位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成

超低頻電磁波信號經(jīng)信號接收與調(diào)理電路后送往PIC單片機的AD模塊進行測量，實現(xiàn)裝置的外定位功能。編碼器用于測量裝置轉(zhuǎn)角，經(jīng)鑒相電路后得到單片機可以識別的正、反裝信號送入單片機進行計數(shù)處理，對定位數(shù)據(jù)進行矯正。里程輪則用于測量裝置的行走里程，實現(xiàn)裝置內(nèi)定位功能，里程輪中霍爾傳感器輸出信號經(jīng)簡單濾波電路處理后送往單片機。為實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的大容量存儲，用單片機自帶的USB模塊連接USB存儲設(shè)備，完成存儲功能。LCD和LED顯示模塊用來在實驗過程中進行必要的狀態(tài)顯示。

2 系統(tǒng)硬件組成

系統(tǒng)硬件由磁場信號檢測電路、編碼器鑒相電路、霍爾傳感器信號檢測電路、LCD顯示、LED狀態(tài)指示電路及USB存儲設(shè)備連接電路等組成。

2.1 磁場信號檢測

磁場信號檢測電路用來實現(xiàn)檢測裝置的外定位功能。除了可配合內(nèi)定位功能對定位數(shù)據(jù)進行修正以減少累計誤差外，也可使地面操作人員確定檢測裝置在管道中的行進位置，便于在裝置出現(xiàn)故障時迅速將其取出。具體實施方法為：在地面上沿管道行進方向每隔若干米放置超低頻(一般取22Hz)電磁波信號發(fā)射器，在檢測過程中，由檢測裝置內(nèi)置的天線接收地面發(fā)射器發(fā)射過來的信號。由于信號要穿過土壤和管道金屬層，故接收天線上的接收信號比較微弱，通常為毫伏數(shù)量級，因此，在送入微處理器進行A/D采樣之前，需要通過儀表放大器AD620構(gòu)成的放大電路進行兩級放大，再轉(zhuǎn)換成微處理器可以接收的電壓信號后進行A/D采樣。此外，由于空間上存在50Hz的電磁場，所以接收天線接收到電磁場信號后還需進行陷波處理，以濾除工頻干擾信號。具體實現(xiàn)電路如圖2所示。

圖2 磁場信號檢測電路

2.2 編碼器鑒相模塊

由于實際的埋地管道是焊接而成的，且為螺線式焊縫，檢測裝置在管道中行進時不可避免地會發(fā)生偏轉(zhuǎn)，導(dǎo)致由里程輪計數(shù)反映出的檢測裝置行進距離出現(xiàn)偏差。為了提高內(nèi)定位精度，有必要對內(nèi)定位進行修正，因此需要對裝置旋轉(zhuǎn)角度進行測量。

系統(tǒng)中采用E6B2-CWZ6C增量型旋轉(zhuǎn)編碼器測量偏轉(zhuǎn)角度，該編碼器旋轉(zhuǎn)一周可以產(chǎn)生2 000個脈沖信號。使用時，將旋轉(zhuǎn)編碼器安裝在裝置軸向位置，并在編碼器軸伸出端固定一擺動塊，保證檢測裝置發(fā)生偏轉(zhuǎn)時，擺動塊始終豎直向下。編碼器輸出信號經(jīng)鑒相電路后送往單片機外部中斷口進行正、反兩向的計數(shù)，根據(jù)計數(shù)值可得到偏轉(zhuǎn)角度。該部分硬件電路如圖3所示，OUTA和OUTB分別為編碼器的A、B相輸出信號。正轉(zhuǎn)時OUTA超前OUTB 1/4周期，D觸發(fā)器的輸出Q0為0，將與非門U5D封鎖，其輸出DownCnt始終為高電平，此時U5C打開，dsPIC30F6012A對UpCnt計數(shù)；反轉(zhuǎn)時OUTA滯后OUTB 1/4周期，與非門U5C封鎖，UpCnt始終為高電平，與非門U5D打開，單片機對計數(shù)脈沖DownCnt計數(shù)。

圖3 編碼器鑒相電路

2.3 霍爾傳感器信號檢測

系統(tǒng)采用在里程輪上安裝霍爾傳感器的方法實現(xiàn)里程測量。檢測裝置在行進過程中，沿里程輪圓周方向固定的多個永久磁鐵會不斷對安裝在輪轂上的霍爾傳感器產(chǎn)生磁場作用，從而使霍爾傳感器輸出脈沖信號。單片機通過對該脈沖進行計數(shù)，即可測量出裝置的行走里程。

由于里程輪在行進過程中會出現(xiàn)打滑現(xiàn)象。為了避免單個里程輪打滑而使測量結(jié)果出現(xiàn)較大誤差的情況并提高系統(tǒng)的定位精度，系統(tǒng)對3個里程輪進行測量計數(shù)，同時在軟件中實時對3個里程輪計數(shù)進行判斷，及時剔除掉由于打滑而引起的錯誤計數(shù)。

2.4 USB存儲模塊

檢測裝置中定位系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集部分需要采集3種數(shù)據(jù)信號：磁場信號、里程信號和偏轉(zhuǎn)角度信號。由于系統(tǒng)中發(fā)射器發(fā)射的磁場信號為22Hz，為了真實地還原接收到的磁場信號，采樣頻率取500Hz。結(jié)合檢測裝置在管道中的實際行進速度，并考慮裝置在檢測過程中的運行時間，經(jīng)計算，采用8GByte的USB存儲設(shè)備可以充分滿足系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲要求。

USB存儲模塊電路如圖4所示。由于選用的16位微處理器PIC24FJ256GB106本身自帶USB接口，因此，無需采用外部接口電路即可很方便地實現(xiàn)USB數(shù)據(jù)通信，簡化了系統(tǒng)的硬件設(shè)計。本設(shè)計中USB模塊工作在主機模式，由于單片機以低于VBUS 的電壓運行，而且無法提供足夠的電流，因此必須提供單獨的電源。此外，在總線上串聯(lián)PTC熱敏保險絲限制總線上的供電電流。

圖4 USB存儲模塊電路

在實驗過程中，檢測完畢后，為了將USB存儲設(shè)備中的數(shù)據(jù)方便地取出(無須拆開檢測裝置)，從而對數(shù)據(jù)進行離線分析，系統(tǒng)提供了兩個USB接口，其中一路直接接USB存儲設(shè)備，另一路則通過USB轉(zhuǎn)接線引出到檢測裝置之外，在檢測結(jié)束以后，可以將USB存儲設(shè)備與微處理器的連接斷開，使其通過轉(zhuǎn)接線與PC機相連，從而快速且方便地將存儲在USB設(shè)備中的數(shù)據(jù)傳至PC機。

系統(tǒng)采用帶USB功能的16位閃存單片機PIC24FJ256GB106實現(xiàn)定位數(shù)據(jù)采集，此單片機還具有引腳復(fù)用功能，即通過軟件配置可以讓大部分普通IO口實現(xiàn)外設(shè)功能，使硬件設(shè)計更加簡便。

3 系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)軟件部分的主要功能為磁場信號的AD采樣、里程輪計數(shù)的實時采集與軟件矯正、數(shù)據(jù)的USB存儲功能的實現(xiàn)?？刂葡到y(tǒng)軟件包括主程序和中斷服務(wù)程序兩部分：主程序主要由系統(tǒng)初始化、數(shù)據(jù)存儲控制、里程輪計數(shù)的實時矯正以及LCD和LED狀態(tài)顯示等程序組成；中斷程序則主要實現(xiàn)磁場信號AD采樣、外部中斷進行里程輪和編碼器計數(shù)及定時中斷控制數(shù)據(jù)緩存等功能。筆者主要就實現(xiàn)USB數(shù)據(jù)存儲功能做簡單介紹。

定位系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集部分除了要存儲磁場數(shù)據(jù)、里程數(shù)據(jù)和轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)以外，為了與檢測系統(tǒng)中采集到的反應(yīng)管道壁厚的數(shù)據(jù)進行融合，還需要存儲時間信息。因此，定義USB存儲數(shù)據(jù)格式見表1。

表1 USB數(shù)據(jù)存儲格式定義

在系統(tǒng)實際工作過程中，需要實時采集相關(guān)定位數(shù)據(jù)信息，并將其通過USB數(shù)據(jù)傳輸?shù)経SB存儲設(shè)備中。如果每次獲得測量數(shù)據(jù)后立即將其存放到U盤中，需要頻繁對U盤中的文件進行操作，尤其是在需要進一步提高采樣頻率時，不利于提高工作存儲效率。為此，可定義兩個512Byte的數(shù)組，其中一個數(shù)組用于實時存儲采集數(shù)據(jù)；而另一個數(shù)組則用于將數(shù)據(jù)傳輸?shù)経SB存儲設(shè)備中。程序通過定時器控制切換兩個數(shù)組的功能，保證數(shù)據(jù)總是可以實時存放于其中一個數(shù)組，且能完成將另一個數(shù)組中采集的數(shù)據(jù)定時、批量地傳輸給USB存儲設(shè)備。

4 實驗結(jié)果分析

采用筆者設(shè)計的定位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在實驗室的模擬管道中進行了若干次實驗。實驗過程中，將發(fā)射天線放置于管道外2.5m處，驅(qū)動電機以1m/s的速度驅(qū)動檢測裝置在管道內(nèi)行進。實驗結(jié)束后用USB轉(zhuǎn)接線將實驗數(shù)據(jù)取出，在PC機上用軟件進行離線分析。圖5為部分外定位實驗數(shù)據(jù)結(jié)果，該波形為未經(jīng)軟件濾波處理的原始磁場信號波形。可以看出：采集到的磁場信號呈典型的雙峰分布，與理論計算的磁偶極子在空間上的磁場分布完全吻合[5～7]。根據(jù)該波形解析出的外定位點與實際的外定位點之間的誤差僅為0.1m，滿足系統(tǒng)外定位要求。

圖5 部分外定位實驗結(jié)果

5 結(jié)束語

基于USB存儲技術(shù)設(shè)計的定位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，利用PIC24FJ256系列單片機豐富的外部中斷、高分辨率的AD采樣模塊和實用的外設(shè)引腳選擇功能，實現(xiàn)了磁場、里程和轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)的采樣；并利用其自帶的USB模塊、簡化了系統(tǒng)硬件設(shè)計，實現(xiàn)了采樣數(shù)據(jù)的有效存儲。實驗結(jié)果表明：該采集系統(tǒng)的采樣頻率可達500Hz、定位精度可達0.1m，存儲方案完全滿足檢測裝置大容量數(shù)據(jù)存儲的要求。該定位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有采樣頻率快、定位精度高、系統(tǒng)硬件設(shè)計簡單的特點，可廣泛應(yīng)用于管道檢測系統(tǒng)中。

[1] Moraleda J. A Robotic System for Internal Inspect Ion of Water Pipelines[J].IEEE Robotics & Automation Magazine，1999，3(6)：30～41 .

[2] 李忠虎，郭卓芳.供水管道泄漏檢測與定位技術(shù)應(yīng)用研究[J].化工自動化及儀表，2011，38(4)：388～391.

[3] 肖潮瓊.嵌入式USB主機系統(tǒng)研究與實現(xiàn)[D].上海：華東師范大學(xué)，2004.

[4] 高鑫.嵌入式USB主機系統(tǒng)的設(shè)計研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2005.

[5] 陳聰.運動磁偶極子感應(yīng)電場的理論和試驗研究[J].華中科技大學(xué)學(xué)報，2010，38(10)：116～118.

[6] 任來平，趙俊生，侯世喜.磁偶極子磁場空間分布模式[J].海洋測繪，2002，22(2)：20～23.

[7] 唐勁飛，龔沈光，王金根.磁偶極子模型下目標定位和參數(shù)估計的兩種新方法[J].電子學(xué)報，2003，31(1)：154～157.