基于A(yíng)RM核微處理器的便攜式管道泄漏檢測儀(圖)
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中國電子科技集團第38研究所 張宏財目前輸油管道泄漏監測定位的主要方法可分為兩大類(lèi)，一類(lèi)是檢測輸油管線(xiàn)的管壁狀況，如管內探測球等，另一類(lèi)則依賴(lài)于監測輸油管內流體的狀態(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(guān)法等。隨著(zhù)計算機、通信和儀表技術(shù)的快速發(fā)展，監測輸油管道內流體的狀態(tài)變得越來(lái)越容易實(shí)現，逐漸成為輸油管道監測的主流方法。由于這些依賴(lài)監測輸油管內流體的狀態(tài)的方法各有其優(yōu)缺點(diǎn)，所以目前輸油管道的泄漏監測往往是采用多種方法聯(lián)合判斷。近幾年來(lái)，隨著(zhù)高性能、低功耗處理器ARM的出現，信號采集存儲系統的功耗和體積不斷減少，滿(mǎn)足了便攜式的要求，使得掌上儀器的開(kāi)發(fā)成為可能。本文利用ARM核微處理器LPC2214研制的相關(guān)檢漏儀，采用了負壓波法和聲波法判斷相結合的方法，依據相關(guān)函數檢測原理，它不僅可以用于石油檢漏，也可以用于煤氣、城市自來(lái)水、天然氣等管道的泄漏檢測。
相關(guān)檢漏原理
1 負壓波檢測
當泄漏發(fā)生時(shí)，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(shí)壓力降低和速度差，當以泄漏前的壓力作為參考標準時(shí)，泄漏時(shí)產(chǎn)生的減壓波就稱(chēng)為負壓波。該波以一定速度自泄漏點(diǎn)向兩端傳播，經(jīng)過(guò)若干時(shí)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進(jìn)行泄漏判斷，根據上下游壓力傳感器接收到此壓力信號的時(shí)間差和負壓波的傳播速度就可以定出泄漏點(diǎn)。
負壓波法檢測泄漏依賴(lài)泄漏點(diǎn)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
當管道內液體泄漏時(shí)，由于管道內外的壓力差，使得泄漏的流體在通過(guò)泄漏點(diǎn)到達管道外部時(shí)形成渦流，這個(gè)渦流就產(chǎn)生了振蕩變化的聲波。這個(gè)聲波可以傳播擴散返回泄漏點(diǎn)并在管道內建立聲場(chǎng)。聲波法是將泄漏時(shí)產(chǎn)生的噪聲作為信號源。聲波沿管道向兩端傳播，通過(guò)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)生并進(jìn)行定位?？梢杂行У目朔搲悍ǖ娜毕?。
為了精確獲得泄漏引發(fā)的壓力波和聲波傳播到上下游傳感器的時(shí)間差，需要準確地捕捉到泄漏壓力波信號序列的對應特征點(diǎn)。由于現場(chǎng)的干擾、輸油泵的振動(dòng)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(diǎn)是定位的關(guān)鍵。本儀器采用相關(guān)函數分析法，相關(guān)函數檢漏法就是利用傳感器拾取漏點(diǎn)發(fā)出的負壓波或聲波，對負壓波或聲波信號進(jìn)行互相關(guān)分析。沒(méi)有泄漏時(shí)，相關(guān)函數的值在零附近；發(fā)生泄漏后，相關(guān)函數的值將發(fā)生顯著(zhù)變化；另外，當管道泄漏點(diǎn)的位置不同時(shí)，兩個(gè)信號的延遲時(shí)間就有區別，信號的相關(guān)函數的值就會(huì )改變。因此，根據信號的相關(guān)函數信息，就可以對管道的泄漏狀況進(jìn)行檢測并進(jìn)行定位。
漏點(diǎn)定位算法
圖1 相關(guān)函數檢漏法的工作原理
檢測時(shí)，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、聲波信號轉換成電信號。通過(guò)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(guò)帶通濾波器進(jìn)行預處理，通過(guò)定義高通(或低通)頻率值來(lái)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(guò)電壓放大，經(jīng)數據采集板進(jìn)行采樣和量化，然后由ARM微處理器進(jìn)行處理，得出時(shí)間差，進(jìn)而計算出泄漏點(diǎn)。
假設管道在Q點(diǎn)發(fā)生泄漏，產(chǎn)生一個(gè)以Q點(diǎn)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(gè)信號(這里假設泄漏點(diǎn)距離兩個(gè)傳感器的距離La>Lb)，由于同時(shí)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+τ)+NB(t)
其中，f(t)和f(t+τ)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)進(jìn)行相關(guān)運算，即:
了處理數據方便，一般認為泄漏信號與噪聲信號相互獨立不相關(guān)，噪聲信號NA(t)和NB(t)完全不相關(guān)，則:
當相關(guān)函數RAB(τ)達到峰值時(shí)，所對應的τ值正好與兩個(gè)傳感器檢測到的信號的時(shí)間差相一致。由數學(xué)知識可知，相關(guān)函數R'AB(τ)=τ+τ0處取得極大值的必要條件是RAB(τ)在τ0處的導數RAB(τ)=0，由此求出τ0，再測出兩個(gè)傳感器之間的實(shí)際長(cháng)度L和負壓波、聲波在該管道的傳播速度V，泄漏點(diǎn)Q的位置就可以確定，即：
LA=(L+S×V)/2
或
LB=(L-S×V)/2
ARM檢測儀的構成
本文所研制的檢漏儀是基于A(yíng)RM核嵌入式微處理器的新一代嵌入式系統。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(kāi)發(fā)工具和調試環(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應源的出色結合而著(zhù)名，是目前公認的最領(lǐng)先的32位嵌入式RISC微處理器核。系統結構如圖2所示。
圖2 ARM嵌入式系統框圖
系統設計分析如下:
①數據采集由一片CPLD(復雜可編程邏輯器件)來(lái)產(chǎn)生控制時(shí)序，控制邏輯主要包括:多路選擇地址C0～C2、采樣保持S/H、啟動(dòng)A/D、雙端口寫(xiě)入允許WR、寫(xiě)入地址以及一幀數據滿(mǎn)后的中斷請求IRQ等信號，主要時(shí)序關(guān)系如圖3所示。
圖3 數據采集時(shí)序圖
②采用Philips公司的LPC2214的微處理器，用它來(lái)對采集到的數據進(jìn)行處理、顯示操作。LPC2214是基于A(yíng)RM7 TDMI核的RISC微處理器，ARM7TDMI為低功耗、高性能的16/32位核，最適合對價(jià)格及功耗敏感的場(chǎng)合。LPC2214在A(yíng)RM7TDMI核的基礎上擴展了一系列通用外圍器件：112個(gè)通用I/O口，4個(gè)串行口，2個(gè)32位定時(shí)器，9個(gè)外部中斷，通過(guò)片內PLL可實(shí)現高達60MHz的操作頻率。
③采集電路與ARMCPU用8KB雙端口RAM和中斷方式交換采集數據，RAM內可設兩個(gè)緩沖區交替工作，雙端口RAM可直接與ARM嵌入式系統的擴展總線(xiàn)連接。
④設計中選擇TI公司的TLC5540高速模數轉換芯片，其具有8位分辨率，內置采樣和保持電路，該芯片采用一種改進(jìn)的半閃結構、CMOS工藝制造，因而大大減少了器件中比較器的數量，而且在高速轉換的同時(shí)，能夠保持低功耗，轉換速率可達40MB/s。
⑤由于要移植嵌入式操作系統，所以要擴展2M的Flash(SST39VF160)和8M的RAM（IS61LV25616AL），嵌入式操作系統、應用程序的代碼和文件系統均存儲在Flash中。
⑥采用普通I/O口來(lái)擴展外部鍵盤(pán)，形成4×4的矩陣鍵盤(pán)。分別對應“0，1，2，3，4，5，6，7，8，9”、“.”、左移、右移、前翻頁(yè)、后翻頁(yè)和確認鍵。實(shí)現對各測控模塊組態(tài)信息的設置以及顯示畫(huà)面的切換。
⑦選用控制器為SED1335的單色STN圖形液晶，其點(diǎn)陣為320×240，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對數據總線(xiàn)進(jìn)行電平轉換。
軟件設計
1 操作系統選擇
支持32位ARM CPU的嵌入式操作系統有很多，現在市場(chǎng)上幾個(gè)著(zhù)名的商業(yè)嵌入式操作系統主要有Vxwork、QNX、Windows CE等。Linux則以其免費的、源代碼公開(kāi)的特殊魅力，在嵌入式系統中得到廣泛的應用，嵌入式Linux具有以下特點(diǎn)：
①Linux開(kāi)放的源碼，豐富的軟件資源。
②功能強大的內核，性能高效、穩定，多任務(wù)易于裁減。
③完善的網(wǎng)絡(luò )通信、圖形、文件管理機制。
④支持大量的周邊硬件設備。
⑤良好的開(kāi)發(fā)環(huán)境，不斷發(fā)展的開(kāi)發(fā)工具集。
⑥價(jià)格低廉有效降低產(chǎn)品成本。
μClinux是一套非常優(yōu)秀的嵌入式自由軟件，是Linux 2.0/Linux 2.4版本的一個(gè)分支，它被設計用來(lái)應用微處理器領(lǐng)域。由于μClinux操作系統是源代碼公開(kāi)的，其硬件相關(guān)部分可以通過(guò)定義一些函數移植到不同的硬件平臺，具有Linux的宿主機開(kāi)發(fā)環(huán)境，有GNU的交叉編譯器的支持，有操作系統的源代碼，因此開(kāi)發(fā)基于嵌入式系統的應用程序將非常方便。
2 軟件功能設計
軟件主要包括系統軟件和應用軟件兩部分，如圖4所示。
圖4 系統軟件結構及組成圖
ARM Bootloader完成ARM的初始化、存儲器的設置以及嵌入式 μcLinux的加載，最后控制權交給 μcLinux操作系統，此后系統在μcLinux的管理下運行應用程序；應用程序包括中斷處理、數值計算、鍵盤(pán)處理、泄漏點(diǎn)位置及參數顯示，顯示軟件完成320×240點(diǎn)陣LCD模塊的驅動(dòng)、漢字及圖表曲線(xiàn)的顯示等功能。由于μcLinux是多任務(wù)系統，上面幾個(gè)處理任務(wù)可以設計成獨立進(jìn)程，程序設計變得簡(jiǎn)單。
結束語(yǔ)
該儀表設計主要采用了ARM微處理器、μcLinux操作系統以及數值信號處理方法，在嵌入式系統中實(shí)現了高精度的信號采集和快速的數值分析算法。該便攜式泄漏檢測定位儀在實(shí)際應用中取得了良好效果，可以用于煤氣、城市自來(lái)水、天然氣等管道的泄漏檢測定位。
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