基于ARM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(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，如管內探測球等，另一類則依賴于監(jiān)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，泄漏處因流體物質損失而引起局部流體密度減小，產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進行泄漏判斷，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，由于管道內外的壓力差，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建立聲場。聲波法是將泄漏時產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，經處理后確定泄漏是否發(fā)生并進行定位。可以有效的克服負壓法的缺陷。
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。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進行互相關分析。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進行檢測并進行定位。
漏點定位算法
圖1 相關函數(shù)檢漏法的工作原理
檢測時，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。通過電纜送到與傳感器阻抗相匹配的放大器輸入級，經前置放大，通過帶通濾波器進行預處理，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。信號經過電壓放大，經數(shù)據(jù)采集板進行采樣和量化，然后由ARM微處理器進行處理，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La>Lb)，由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+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)進行相關運算，即:
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(τ)達到峰值時，所對應的τ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)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(shù)RAB(τ)=0，由此求出τ0，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+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名，是目前公認的最領先的32位嵌入式RISC微處理器核。系統(tǒng)結構如圖2所示。
圖2 ARM嵌入式系統(tǒng)框圖
系統(tǒng)設計分析如下:
①數(shù)據(jù)采集由一片CPLD(復雜可編程邏輯器件)來產生控制時序，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
②采用Philips公司的LPC2214的微處理器，用它來對采集到的數(shù)據(jù)進行處理、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，最適合對價格及功耗敏感的場合。LPC2214在ARM7TDMI核的基礎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PLL可實現(xiàn)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(shù)據(jù)，RAM內可設兩個緩沖區(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。
④設計中選擇TI公司的TLC5540高速模數(shù)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(shù)量，而且在高速轉換的同時，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(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。
⑥采用普通I/O口來擴展外部鍵盤，形成4×4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。
⑦選用控制器為SED1335的單色STN圖形液晶，其點陣為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(shù)據(jù)總線進行電平轉換。
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則以其免費的、源代碼公開的特殊魅力，在嵌入式系統(tǒng)中得到廣泛的應用，嵌入式Linux具有以下特點：
①Linux開放的源碼，豐富的軟件資源。
②功能強大的內核，性能高效、穩(wěn)定，多任務易于裁減。
③完善的網絡通信、圖形、文件管理機制。
④支持大量的周邊硬件設備。
⑤良好的開發(fā)環(huán)境，不斷發(fā)展的開發(fā)工具集。
⑥價格低廉有效降低產品成本。
μClinux是一套非常優(yōu)秀的嵌入式自由軟件，是Linux 2.0/Linux 2.4版本的一個分支，它被設計用來應用微處理器領域。由于μClinux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)的應用程序將非常方便。
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(tǒng)，此后系統(tǒng)在μcLinux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320×240點陣LCD模塊的驅動、漢字及圖表曲線的顯示等功能。由于μcLinux是多任務系統(tǒng)，上面幾個處理任務可以設計成獨立進程，程序設計變得簡單。
結束語
該儀表設計主要采用了ARM微處理器、μcLinux操作系統(tǒng)以及數(shù)值信號處理方法，在嵌入式系統(tǒng)中實現(xiàn)了高精度的信號采集和快速的數(shù)值分析算法。該便攜式泄漏檢測定位儀在實際應用中取得了良好效果，可以用于煤氣、城市自來水、天然氣等管道的泄漏檢測定位。
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