ARM核微處理器的便攜式管道泄漏檢測儀分析

1、【W(wǎng)ord版本下載可任意編輯】 ARM核微處理器的便攜式管道泄漏檢測儀分析 目前輸油管道泄漏監(jiān)測定位的主要方法可分為兩大類，一類是檢測輸油管線的管壁狀況，如管內(nèi)探測球等，另一類則依賴于監(jiān)測輸油管內(nèi)流體的狀態(tài)，如壓力、流量的變化，常用的方法有壓力梯度法、負壓力波法、流量平衡法、相關法等。隨著計算機、通信和儀表技術的快速發(fā)展，監(jiān)測輸油管道內(nèi)流體的狀態(tài)變得越來越容易實現(xiàn)，逐漸成為輸油管道監(jiān)測的主流方法。由于這些依賴監(jiān)測輸油管內(nèi)流體的狀態(tài)的方法各有其優(yōu)缺點，所以目前輸油管道的泄漏監(jiān)測往往是采用多種方法聯(lián)合判斷。近幾年來，隨著高性能、低功耗處理器ARM的出現(xiàn)，信號采集存儲系統(tǒng)的功耗和體積不斷減少，滿足了

2、便攜式的要求，使得掌上儀器的開發(fā)成為可能。本文利用ARM核微處理器LPC2214研制的相關檢漏儀，采用了負壓波法和聲波法判斷相結(jié)合的方法，依據(jù)相關函數(shù)檢測原理，它不僅可以用于石油檢漏，也可以用于煤氣、城市自來水、天然氣等管道的泄漏檢測。 相關檢漏原理 1 負壓波檢測 當泄漏發(fā)生時，泄漏處因流體物質(zhì)損失而引起局部流體密度減小，產(chǎn)生瞬時壓力降低和速度差，當以泄漏前的壓力作為參考標準時，泄漏時產(chǎn)生的減壓波就稱為負壓波。該波以一定速度自泄漏點向兩端傳播，經(jīng)過若干時間后分別傳到上下游。上下游壓力傳感器捕捉到特定的瞬態(tài)壓力降的波形就可以開展泄漏判斷，根據(jù)上下游壓力傳感器接收到此壓力信號的時間差和負壓波的傳

3、播速度就可以定出泄漏點。 負壓波法檢測泄漏依賴泄漏點產(chǎn)生突然的壓力降，通常大的管道泄漏都具有這一特征，然而對于緩慢發(fā)生的泄漏或已經(jīng)發(fā)生的泄漏，負壓波法一般不能檢測出，這是其局限性。 2 聲波檢測 當管道內(nèi)液體泄漏時，由于管道內(nèi)外的壓力差，使得泄漏的流體在通過泄漏點到達管道外部時形成渦流，這個渦流就產(chǎn)生了振蕩變化的聲波。這個聲波可以傳播擴散返回泄漏點并在管道內(nèi)建立聲場。聲波法是將泄漏時產(chǎn)生的噪聲作為信號源。聲波沿管道向兩端傳播，通過設置好的傳感器拾取該聲波，經(jīng)處理后確定泄漏是否發(fā)生并開展定位?？梢杂行У目朔搲悍ǖ娜毕?。 為了獲得泄漏引發(fā)的壓力波和聲波傳播到上下游傳感器的時間差，需要準確地捕捉到

4、泄漏壓力波信號序列的對應特征點。由于現(xiàn)場的干擾、輸油泵的振動等因素，采集到的壓力波信號序列附加了大量噪聲，如何從噪聲中準確地提取出信號的特征點是定位的關鍵。本儀器采用相關函數(shù)分析法，相關函數(shù)檢漏法就是利用傳感器拾取漏點發(fā)出的負壓波或聲波，對負壓波或聲波信號開展互相關分析。沒有泄漏時，相關函數(shù)的值在零附近；發(fā)生泄漏后，相關函數(shù)的值將發(fā)生顯著變化；另外，當管道泄漏點的位置不同時，兩個信號的延遲時間就有區(qū)別，信號的相關函數(shù)的值就會改變。因此，根據(jù)信號的相關函數(shù)信息，就可以對管道的泄漏狀況開展檢測并開展定位。 漏點定位算法 管道檢漏技術的工作原理，如圖1所示。 圖1 相關函數(shù)檢漏法的工作原理 檢測時，

5、將傳感器分別置于管道部位露出的管道兩端。把埋于幾米深的地下管道的微弱泄漏引起的負壓波信號、聲波信號轉(zhuǎn)換成電信號。通過電纜送到與傳感器阻抗相匹配的放大器輸入級，經(jīng)前置放大，通過帶通濾波器開展預處理，通過定義高通(或低通)頻率值來限制記錄噪聲信號的頻率范圍，從而抑制干擾信號。信號經(jīng)過電壓放大，經(jīng)數(shù)據(jù)采集板開展采樣和量化，然后由ARM微處理器開展處理，得出時間差，進而計算出泄漏點。 假設管道在Q點發(fā)生泄漏，產(chǎn)生一個以Q點為泄漏源的負壓波和聲波信號，該負壓波、聲波信號將以一定的波速V向管道兩端傳播，安裝在管道A、B兩端的傳感器分別在和(t+)到這個信號(這里假設泄漏點距離兩個傳感器的距離LaLb)，由

6、于同時也有外部噪聲的影響，設A、B兩端的傳感器測得的信號樣本函數(shù)分別為A（t），B（t）因而它們可以表示為: A(t)=f(t)+NA(t) B(t)=f(t+)+NB(t) 其中，f(t)和f(t+)是A、B兩處的源信號，NA(t)和NB(t)分別為A、B兩處的背景噪聲。對A(t)和B(t)開展相關運算，即: 為了處理數(shù)據(jù)方便，一般認為泄漏信號與噪聲信號相互獨立不相關，噪聲信號NA(t)和NB(t)完全不相關，則: 當相關函數(shù)RAB()到達峰值時，所對應的值正好與兩個傳感器檢測到的信號的時間差相一致。由數(shù)學知識可知，相關函數(shù)RAB()=+0處取得極大值的必要條件是RAB()在0處的導數(shù)RAB

7、()=0，由此求出0，再測出兩個傳感器之間的實際長度L和負壓波、聲波在該管道的傳播速度V，泄漏點Q的位置就可以確定，即： LA=(L+SV)/2 或 LB=(L-SV)/2 ARM檢測儀的構(gòu)成 本文所研制的檢漏儀是基于ARM核嵌入式微處理器的新一代嵌入式系統(tǒng)。ARM微處理器功耗低、成本低、性能強；支持ARM/THUMB雙指令集；配有豐富的標準軟件開發(fā)工具和調(diào)試環(huán)境。而且 ARM核也以其高性能、小體積、低功耗、緊湊代碼密度和多供給源的出色結(jié)合而著名，是目前公認的的32位嵌入式RISC微處理器核。系統(tǒng)構(gòu)造如圖2 所示。 圖2 ARM嵌入式系統(tǒng)框圖 系統(tǒng)設計分析如下: 數(shù)據(jù)采集由一片CPLD(復雜可

8、編程邏輯器件)來產(chǎn)生控制時序，控制邏輯主要包括:多路選擇地址C0C2、采樣保持S/H、啟動A/D、雙端口寫入允許WR、寫入地址以及一幀數(shù)據(jù)滿后的中斷請求IRQ等信號，主要時序關系如圖3所示。 圖3 數(shù)據(jù)采集時序圖 采用Philips公司的LPC2214的微處理器，用它來對采集到的數(shù)據(jù)開展處理、顯示操作。LPC2214是基于ARM7 TDMI核的RISC微處理器，ARM7TDMI為低功耗、高性能的16/32位核，適合對價格及功耗敏感的場合。LPC2214在ARM7TDMI核的根底上擴展了一系列通用外圍器件：112個通用I/O口，4個串行口，2個32位定時器，9個外部中斷，通過片內(nèi)PLL可實現(xiàn)高達

9、60MHz的操作頻率。 采集電路與ARMCPU用8KB雙端口RAM和中斷方式交換采集數(shù)據(jù)，RAM內(nèi)可設兩個緩沖區(qū)交替工作，雙端口RAM可直接與ARM嵌入式系統(tǒng)的擴展總線連接。 設計中選擇TI公司的TLC5540高速模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，其具有8位分辨率，內(nèi)置采樣和保持電路，該芯片采用一種改良的半閃構(gòu)造、CMOS工藝制造，因而大大減少了器件中比較器的數(shù)量，而且在高速轉(zhuǎn)換的同時，能夠保持低功耗，轉(zhuǎn)換速率可達40MB/s。 由于要移植嵌入式操作系統(tǒng)，所以要擴展2M的Flash(SST39VF160)和8M的RAM（IS61LV25616AL），嵌入式操作系統(tǒng)、應用程序的代碼和文件系統(tǒng)均存儲在Flash中。

10、采用普通I/O口來擴展外部鍵盤，形成44的矩陣鍵盤。分別對應0，1，2，3，4，5，6，7，8，9、.、左移、右移、前翻頁、后翻頁和確認鍵。實現(xiàn)對各測控模塊組態(tài)信息的設置以及顯示畫面的切換。 選用控制器為SED1335的單色STN圖形液晶，其點陣為320240，考慮到LCD控制器的工作電壓為5V，而主CPU的工作電壓為3.3V，因此采用74HCT164245對數(shù)據(jù)總線開展電平轉(zhuǎn)換。 軟件設計 1 操作系統(tǒng)選擇 支持32位ARM CPU的嵌入式操作系統(tǒng)有很多，現(xiàn)在市場上幾個著名的商業(yè)嵌入式操作系統(tǒng)主要有Vxwork、QNX、Windows CE等。Linux則以其的、源代碼公開的特殊魅力，在嵌入

11、式系統(tǒng)中得到廣泛的應用，嵌入式Linux具有以下特點： Linux開放的源碼，豐富的軟件資源。 功能強大的內(nèi)核，性能高效、穩(wěn)定，多任務易于裁減。 完善的網(wǎng)絡通信、圖形、文件管理機制。 支持大量的周邊硬件設備。 良好的開發(fā)環(huán)境，不斷發(fā)展的開發(fā)工具集。 價格低廉有效降低產(chǎn)品成本。 Clinux是一套非常的嵌入式自由軟件，是Linux 2.0/Linux 2.4版本的一個分支，它被設計用來應用微處理器領域。由于Clinux操作系統(tǒng)是源代碼公開的，其硬件相關部分可以通過定義一些函數(shù)移植到不同的硬件平臺，具有Linux的宿主機開發(fā)環(huán)境，有GNU的交叉編譯器的支持，有操作系統(tǒng)的源代碼，因此開發(fā)基于嵌入式系統(tǒng)的應用程序?qū)⒎浅７奖恪?2 軟件功能設計 軟件主要包括系統(tǒng)軟件和應用軟件兩部分，如圖4所示。 圖4 系統(tǒng)軟件構(gòu)造及組成圖 ARM Bootloader完成ARM的初始化、存儲器的設置以及嵌入式 cLinux的加載，控制權交給 cLinux操作系統(tǒng)，此后系統(tǒng)在cLinux的管理下運行應用程序；應用程序包括中斷處理、數(shù)值計算、鍵盤處理、泄漏點位置及參數(shù)顯示，顯示軟件完成320240點陣LCD模塊的