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(yùn)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(yùn)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(jī)器人技術(shù)定期對管道進(jìn)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(jìn)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(yán)重缺陷的管道予以及時(shí)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(hù)管道安全的一種既經(jīng)濟(jì)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(shí)發(fā)現(xiàn)隱患，確保在役管道的安全運(yùn)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(jìn)入管道后，具有準(zhǔn)確識別受損部位的能力。因此，定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(biāo)記，它可通過里程輪來實(shí)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(diǎn)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(jìn)行檢測定位。此外，檢測裝置在管道的行進(jìn)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(jìn)行測量，從而對里程輪內(nèi)定位數(shù)據(jù)進(jìn)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(jìn)行離線分析，輔以管道定位數(shù)據(jù)，即可準(zhǔn)確找出產(chǎn)生嚴(yán)重缺陷的管道位置，便于對管道進(jìn)行維護(hù)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(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)，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(jī)的AD模塊進(jìn)行測量，實(shí)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(jī)可以識別的正、反裝信號送入單片機(jī)進(jìn)行計(jì)數(shù)處理，對定位數(shù)據(jù)進(jìn)行矯正。里程輪則用于測量裝置的行走里程，實(shí)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(jī)。為實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的大容量存儲，用單片機(jī)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(shí)驗(yàn)過程中進(jìn)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(shí)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(jìn)行修正以減少累計(jì)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(jìn)位置，便于在裝置出現(xiàn)故障時(shí)迅速將其取出。具體實(shí)施方法為：在地面上沿管道行進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)行陷波處理，以濾除工頻干擾信號。具體實(shí)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(shí)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(jìn)時(shí)不可避免地會發(fā)生偏轉(zhuǎn)，導(dǎo)致由里程輪計(jì)數(shù)反映出的檢測裝置行進(jìn)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(jìn)行修正，因此需要對裝置旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)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(gè)脈沖信號。使用時(shí)，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(shí)，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(jī)外部中斷口進(jìn)行正、反兩向的計(jì)數(shù)，根據(jù)計(jì)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(shí)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(shí)U5C打開，dsPIC30F6012A對UpCnt計(jì)數(shù)；反轉(zhuǎn)時(shí)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(jī)對計(jì)數(shù)脈沖DownCnt計(jì)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(shí)現(xiàn)里程測量。檢測裝置在行進(jìn)過程中，沿里程輪圓周方向固定的多個(gè)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(jī)通過對該脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，即可測量出裝置的行走里程。

由于里程輪在行進(jìn)過程中會出現(xiàn)打滑現(xiàn)象。為了避免單個(gè)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(gè)里程輪進(jìn)行測量計(jì)數(shù)，同時(shí)在軟件中實(shí)時(shí)對3個(gè)里程輪計(jì)數(shù)進(jìn)行判斷，及時(shí)剔除掉由于打滑而引起的錯(cuò)誤計(jì)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(shí)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(shí)際行進(jìn)速度，并考慮裝置在檢測過程中的運(yùn)行時(shí)間，經(jīng)計(jì)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(shí)現(xiàn)USB數(shù)據(jù)通信，簡化了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)中USB模塊工作在主機(jī)模式，由于單片機(jī)以低于VBUS 的電壓運(yùn)行，而且無法提供足夠的電流，因此必須提供單獨(dú)的電源。此外，在總線上串聯(lián)PTC熱敏保險(xiǎn)絲限制總線上的供電電流。

圖4 USB存儲模塊電路

在實(shí)驗(yàn)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(jìn)行離線分析，系統(tǒng)提供了兩個(gè)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(jī)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(jī)。

系統(tǒng)采用帶USB功能的16位閃存單片機(jī)PIC24FJ256GB106實(shí)現(xiàn)定位數(shù)據(jù)采集，此單片機(jī)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(shí)現(xiàn)外設(shè)功能，使硬件設(shè)計(jì)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(jì)數(shù)的實(shí)時(shí)采集與軟件矯正、數(shù)據(jù)的USB存儲功能的實(shí)現(xiàn)。控制系統(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(jì)數(shù)的實(shí)時(shí)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(shí)現(xiàn)磁場信號AD采樣、外部中斷進(jìn)行里程輪和編碼器計(jì)數(shù)及定時(shí)中斷控制數(shù)據(jù)緩存等功能。筆者主要就實(shí)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(jìn)行融合，還需要存儲時(shí)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(shí)際工作過程中，需要實(shí)時(shí)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(jìn)行操作，尤其是在需要進(jìn)一步提高采樣頻率時(shí)，不利于提高工作存儲效率。為此，可定義兩個(gè)512Byte的數(shù)組，其中一個(gè)數(shù)組用于實(shí)時(shí)存儲采集數(shù)據(jù)；而另一個(gè)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(shí)器控制切換兩個(gè)數(shù)組的功能，保證數(shù)據(jù)總是可以實(shí)時(shí)存放于其中一個(gè)數(shù)組，且能完成將另一個(gè)數(shù)組中采集的數(shù)據(jù)定時(shí)、批量地傳輸給USB存儲設(shè)備。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

采用筆者設(shè)計(jì)的定位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室的模擬管道中進(jìn)行了若干次實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過程中，將發(fā)射天線放置于管道外2.5m處，驅(qū)動電機(jī)以1m/s的速度驅(qū)動檢測裝置在管道內(nèi)行進(jìn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后用USB轉(zhuǎn)接線將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)取出，在PC機(jī)上用軟件進(jìn)行離線分析。圖5為部分外定位實(shí)驗(yàn)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?？梢钥闯觯翰杉降拇艌鲂盘柍实湫偷碾p峰分布，與理論計(jì)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(diǎn)與實(shí)際的外定位點(diǎn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié)束語

基于USB存儲技術(shù)設(shè)計(jì)的定位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，利用PIC24FJ256系列單片機(jī)豐富的外部中斷、高分辨率的AD采樣模塊和實(shí)用的外設(shè)引腳選擇功能，實(shí)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(jì)，實(shí)現(xiàn)了采樣數(shù)據(jù)的有效存儲。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該采集系統(tǒng)的采樣頻率可達(dá)500Hz、定位精度可達(dá)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(jì)簡單的特點(diǎn)，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(jī)系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)[D].上海：華東師范大學(xué)，2004.

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

[5] 陳聰.運(yùn)動磁偶極子感應(yīng)電場的理論和試驗(yàn)研究[J].華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)，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(biāo)定位和參數(shù)估計(jì)的兩種新方法[J].電子學(xué)報(bào)，2003，31(1)：154～157.