摘要：本文根據(jù)輸油管道數(shù)據(jù)監(jiān)測的特殊要求，設(shè)計(jì)了基于分布式結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)以工控機(jī)為上位機(jī)，DSP信號處理模塊為下位機(jī)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)性較好的輸油管道監(jiān)測與控制，本文主要對分站控制系統(tǒng)中信號處理模塊進(jìn)行詳細(xì)的硬件設(shè)計(jì)。 關(guān)鍵詞：管道監(jiān)測；信號處理；數(shù)據(jù)采集；控制模塊 [b][align=center]Design and Realization of Monitoring System for Oil Pipe lines Based on Distributed Structure ZENG Gui e1 Lv Gao Sheng2 Xu Ming3[/align][/b] （1.Electronics DEPT of Guang Dong Baiyun University. Guangzhou 510450, China; 2. Oil & Gas Storage And Transportation Dept of Zhong Yuan Oil Field.Zhengzhou 3. China Petroleum & Chemical Corporation gas company,Jinan,257010） Abstract: With the special demand of oil pipe lines, design a data acquisition system based on distributed structure. Use industrial data pressing computer as server, and DSP as client. a real－time monitoring system on oil pipe lines is established. this paper is main to design hardware of the signal processing in detail. Key Words: Monitoring Pipelines; Signal Processing; Data Acquisition; Control mode 1、引言 我國擁有長達(dá)數(shù)萬公里的輸油管線，隨著國內(nèi)石油制品需求的日益增長和國際市場石油價(jià)格的不斷上漲，不法分子的黑手不斷伸向輸油管線，通過盜竊國家油料而牟取暴利。由于我國長達(dá)數(shù)萬公里的輸油管線所處的地域復(fù)雜多樣，常規(guī)的人防手段難以扼制狡猾的盜油犯罪分子，必須藉助現(xiàn)代高科技手段，建立起準(zhǔn)確靈敏的輸油管線防盜預(yù)警系統(tǒng)，才能從根本上提高整個油田的安全防范能力，有效地制止盜油犯罪，減少國有資產(chǎn)的損失，使油田在與盜油犯罪的斗爭中立于不敗之地。本項(xiàng)目是中國中原油田公司負(fù)責(zé)具體研發(fā)的、適合我國國情的、高效的輸油管線防盜預(yù)警系統(tǒng)。 本文主要介紹信號處理模塊的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)。 [align=center] 圖1系統(tǒng)硬件組成及各部分連接關(guān)系圖[/align] 2、系統(tǒng)組成 整個智能聲波輸油管道防盜系統(tǒng)由分布于各布控點(diǎn)的分站系統(tǒng)和位于油田調(diào)度中心的主站系統(tǒng)組成，見圖1。 主站系統(tǒng)由工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、專主站用控制軟件、無線傳輸模塊組成。主站控制軟件采用主從式的控制方式控制整個預(yù)警系統(tǒng)，使整個系統(tǒng)能夠有序地工作。 分站系統(tǒng)由微功耗的聲波傳感器、濾波放大器、信號處理模塊、無線傳輸模塊、供電系統(tǒng)、設(shè)備保護(hù)系統(tǒng)等幾個部分組成。聲波傳感器獲取來自管線的各種聲波信號；濾波放大器將聲波傳感器的輸出的弱小信號進(jìn)行濾波放大；信號處理模塊高速采集放大器的輸出信號，然后進(jìn)行各種信號處理工作，并將有效的信號以約定的協(xié)議格式通過串口輸出到無線傳輸模塊；無線傳輸模塊將數(shù)據(jù)發(fā)回到總站；供電系統(tǒng)負(fù)責(zé)提供整個分站系統(tǒng)所需要的能量，并有太陽能電池板隨時(shí)給蓄電池充電，保證能量的長時(shí)間供應(yīng)；設(shè)備保護(hù)系統(tǒng)是保護(hù)整個分站系統(tǒng)，讓分站設(shè)備不容易被破壞。 [align=center] 圖 2 分站控制處理控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖[/align] 3．分站控制處理控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 基于DSP的信號處理模塊[2]由模數(shù)轉(zhuǎn)換器（A/D）、數(shù)字信號處理器（DSP）、外部程序存儲器（FLASH），外部數(shù)據(jù)存儲器（SDRAM），復(fù)位電路，無線通訊控制模塊（UART），電源管理模塊（POWER），邏輯控制模塊（Logic Control）組成。如圖2所示。 A/D模塊將模擬信號轉(zhuǎn)換成DSP處理器可以處理的數(shù)字信號。FLASH存儲器用來存儲固化的數(shù)字信號處理程序。外部的數(shù)據(jù)存儲器解決了DSP的片上存儲器空間的局限。 復(fù)位電路控制整個電路的復(fù)位時(shí)序，保證系統(tǒng)中的DSP，A/D轉(zhuǎn)換器，無線傳輸控制模塊的正確復(fù)位。邏輯控制模塊接收DSP的控制信號，經(jīng)過邏輯編碼制后輸出對系統(tǒng)中的A/D，外部存儲器，無線傳輸控制模塊的控制信號。電源管理模塊為整個系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電源，為A/D轉(zhuǎn)換器提供精確的電壓基準(zhǔn)。整個系統(tǒng)的核心處理器是DSP，它控制A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時(shí)序，接收A/D轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字信號，然后經(jīng)過分析處理，判斷是否是有效的信號，然后將這個判斷通過無線傳輸模塊送回主站。 3.1JTAG仿真口 由于高速DSP具有高度并行的結(jié)構(gòu)、快速的指令周期、高密度的封裝等特點(diǎn)，采用傳統(tǒng)的電路仿真方法很難實(shí)現(xiàn)可靠的仿真。TMS320C54X系列的DSP采用一種先進(jìn)的掃描仿真器對用戶板進(jìn)行硬件仿真。掃描仿真器不采用插入仿真的方法，而是通過DSP芯片上提供的幾個仿真引腳實(shí)現(xiàn)仿真功能。掃描仿真消除了傳統(tǒng)的電路仿真存在的問題，例如，仿真電纜過長會引起信號的失真，仿真插頭會引起可靠性差等問題。用戶程序可在目標(biāo)系統(tǒng)的片內(nèi)或片外存儲器運(yùn)行，而不會因?yàn)榉抡嫫饕腩~外的等待狀態(tài)。DSP芯片內(nèi)部通過移位寄存器掃描鏈接實(shí)現(xiàn)掃描仿真，這個掃描鏈被外部的串口訪問。采用掃描仿真，即使芯片已經(jīng)焊在電路板上，也可以進(jìn)行仿真調(diào)試，這對DSP系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和調(diào)試帶來極大的方便。JTAG（Joint Test Action Group;聯(lián)合測試行動小組 ）是基于IEEE1149.1標(biāo)準(zhǔn)的一種邊界掃描測試方式（Boundary－scan Test）。TI公司為其絕大多數(shù)的DSPs產(chǎn)品都提供了JTAG端口支持。結(jié)合配套的仿真軟件（Emulator），可以訪問DSPs的所有資源，包括片內(nèi)寄存器以及所有的存儲器，從而提供了一個實(shí)時(shí)的硬件仿真與調(diào)試環(huán)境，便于開發(fā)人員進(jìn)行系統(tǒng)軟件調(diào)試。仿真器通過一個14pin的接插件與芯片的JTAG端口進(jìn)行通信。如果DSPs與14pin的接插件之間的距離超過了6英尺，則需要在有關(guān)的仿真信號上添加一級緩沖驅(qū)動。 3.2A/D轉(zhuǎn)換電路 通過預(yù)處理的信號仍然是模擬信號，而DSP芯片只能對數(shù)字信號進(jìn)行處理，因此在DSP的外圍電路中，A/D轉(zhuǎn)換器是十分重要的器件。A/D芯片的選取直接關(guān)系到信號測量的精度和數(shù)據(jù)容量的大小，因此A/D轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)主要是選擇和應(yīng)用A/D芯片?；诓煌膽?yīng)用，可以選用不同的性能指標(biāo)和價(jià)位的芯片。對于一般的A/D選擇，主要考慮以下幾個方面的因素： 1）轉(zhuǎn)換器的精度、線性度。 2）轉(zhuǎn)換時(shí)間、采樣率、孔徑時(shí)間等。 3）轉(zhuǎn)換器輸出代碼的邏輯電平要求；與微處理器或計(jì)算機(jī)的接口；串行、并行、時(shí)鐘的選擇，輸出代碼的格式等。 4）轉(zhuǎn)換器的工作條件，對溫度、濕度等自然條件的要求，以及抗沖擊性等。 5）轉(zhuǎn)換器的工作電壓、功耗，封裝形式，成本、來源等也是重要的考慮因素。 綜合各種因素，本系統(tǒng)采用一種低功耗、12位、單電源供電的高速A/D轉(zhuǎn)換器（ADCs）——MAX144。 3.3TMS320VC5402 DSP DSP芯片，又稱為數(shù)字信號處理器，是一種特別適合用于實(shí)時(shí)數(shù)字信號處理的微處理器。 本系統(tǒng)采用的TMS320C5402是TI公司于1996年推出的新一代定點(diǎn)數(shù)字信號處理器。它采用先進(jìn)的修正哈佛結(jié)構(gòu)，片內(nèi)共有八條總線（一條程序存儲器總線，三條數(shù)據(jù)存儲器總線，四條地址總線）、CPU、在片存儲器和在片外圍電路硬件，加上高度專業(yè)化的指令系統(tǒng)，使C5402具有功耗小、高度并行等優(yōu)點(diǎn)，可以滿足眾多領(lǐng)域的實(shí)時(shí)處理要求。 C5402的主要特點(diǎn)如下： ●圍繞八條總線構(gòu)成的增強(qiáng)型哈佛結(jié)構(gòu)； ●高度并行和帶有專業(yè)硬件邏輯的CPU設(shè)計(jì)； ●高度專業(yè)化的指令系統(tǒng)； ●模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)； ●先進(jìn)的IC工藝； ●能降低功耗和提高抗核輻射能力的新的靜電設(shè)計(jì)方法。 3.4復(fù)位電路設(shè)計(jì) DSP的硬件復(fù)位方式有上電復(fù)位和手動復(fù)位兩種方式。TMS320VC5402 DSP的復(fù)位輸入信號 是硬件復(fù)位信號的輸入管腳。在 管腳輸入低電平，復(fù)位邏輯將控制DSP的內(nèi)部邏輯初始化，并喚醒DSP初始化軟件的執(zhí)行。為使芯片初始化正常，復(fù)位信號必須至少保持5個外部時(shí)鐘。然而，在上電后，系統(tǒng)的晶體振蕩器往往需要幾百毫秒的穩(wěn)定期，因此，復(fù)位電路最好能產(chǎn)生大于200ms的低脈沖。下面的圖3就是上電復(fù)位和手動復(fù)位結(jié)合的復(fù)合RC復(fù)位電路的原理圖。利用RC電路的延遲特性給出復(fù)位所需的低電平時(shí)間，復(fù)位時(shí)間主要由R和C的乘積決定。 RS處的電壓 V=VCC（1-e[sup]-t/ι[/sup]） ι=RC 設(shè)V1＝1.0V為低電平與高電平的分界點(diǎn)，則 t= -RC1n（1-V[sub]1[/sub]/VCC） 選擇R＝100KΩ，C＝10μF，可得t＝223ms，從而滿足復(fù)位需要。 [align=center] 圖3 DSP復(fù)位電路原理圖[/align] 3.5FLASH MEMORY存儲器 TMS320VC5402的片上存儲器包括雙口隨機(jī)存儲器（DARAM）和只讀存儲器（ROM）。DARAM存取速度快，但是沒有掉電存儲功能；而ROM對于普通用戶來說是不能重復(fù)擦寫的，只有生產(chǎn)芯片的廠家可以在生產(chǎn)的時(shí)候可以按照用戶的要求寫入數(shù)據(jù)。這兩種存儲器都不適合不斷改寫，而且希望能掉電保存數(shù)據(jù)的要求。所以必須擴(kuò)展外部的存儲器。這里采用體積小，讀寫速度快的FLASH存儲器Am29lv800b。 3.6時(shí)鐘電路 時(shí)鐘發(fā)生器為DSP芯片提供精確的時(shí)鐘信號。時(shí)鐘發(fā)生器是由內(nèi)部振蕩器和鎖相環(huán)（PLL）電路兩部分組成。時(shí)鐘發(fā)生器要求有一個參考的時(shí)鐘輸入，可以有兩種方式提供。 1）晶體跨接到X1和X2/CLKIN引腳兩端，使內(nèi)部振蕩器工作，構(gòu)成內(nèi)部振蕩器的反饋電路。兩個電容值為22pf。如果工作在諧波方式，則還要加一些元件。 2）外部時(shí)鐘信號直接加到X2/CLKIN引腳。 本系統(tǒng)采用第一種接法。 3.7DSP系統(tǒng)用電源電路 1） 電源轉(zhuǎn)換電路 電源是DSP芯片能夠正常工作的保證，TMS320VC5402為低功耗、雙電源供電。其外圍電路工作電壓為3.3伏，而內(nèi)核工作電壓為1.8V，因此必須進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換，以得到合適的電源電壓。同時(shí)，為了降低整個系統(tǒng)的功耗，整個電路系統(tǒng)都采用3.3V低功耗的器件。 這里采用TI專門為其DSPs設(shè)計(jì)的TPS767D301線性調(diào)壓電路芯片。TPS767D301是TI推出的TPS767D3XX系列中的一種，是一種主要用于需要兩種不同電壓供電系統(tǒng)的芯片。根據(jù)電路要求的不同，它可以工作在3.3V/2.5V、3.3V/1.8V以及3.3V/可調(diào)電壓輸出這三種模式，每一路輸出電流最大都可以達(dá)到1A。電源調(diào)節(jié)動態(tài)響應(yīng)快，在過載或者高溫下調(diào)節(jié)電壓的誤差也不超過2％。電壓穩(wěn)定，在1A的電流下電壓降為350mV。每一路輸出都帶有上電復(fù)位和低壓監(jiān)視復(fù)位功能，可以在上電200ms之后輸出復(fù)位信號，保證DSP系統(tǒng)可靠復(fù)位，也可以在系統(tǒng)運(yùn)行中監(jiān)測系統(tǒng)電壓，當(dāng)系統(tǒng)電壓低于一固定值時(shí)，輸出復(fù)位信號，啟動系統(tǒng)復(fù)位，保證系統(tǒng)可靠工作。器件的第一個輸出電壓為固定的3.3V，器件的第二個輸出電壓為可調(diào)的， V[sub]0[/sub]為我們需要的輸出電壓，V[sub]0[/sub]的計(jì)算公式為： 2）DSP電源地線跳躍 DSP芯片為高速邏輯電路芯片，從電磁兼容性角度考慮，設(shè)計(jì)上對電源的要求非常高，要盡量去掉電源噪聲和干擾。在數(shù)字信號完整性問題中，一個很重要的組成部分就是噪聲電流問題，也稱為地線跳躍問題。 其產(chǎn)生和進(jìn)行干擾的原理是：當(dāng)數(shù)字集成電路在加電工作的時(shí)候，它內(nèi)部的門電路會發(fā)生“0”到“1”的轉(zhuǎn)變，實(shí)際上是輸出高低電平之間的轉(zhuǎn)換。在轉(zhuǎn)換過程中，該門電路中的晶體管將發(fā)生導(dǎo)通和截止?fàn)顟B(tài)的轉(zhuǎn)換，從而使電源線和地線之間產(chǎn)生的電流就是 噪聲的源，也稱為 噪聲電流。由于電源線和地線之間存在一定的阻抗，其電流的變化將通過阻抗引起尖峰電壓，并引起電源電壓的波動。由于在集成電路內(nèi)多個門電路共用一條電源線和地線，所以其他門電路將受到電源電壓變化的影響，嚴(yán)重時(shí)會使這些門電路工作異常，產(chǎn)生運(yùn)行錯誤。這種噪聲電流也可稱為芯片級 噪聲電流。 對于DSP這種高速芯片來說，必須在電路設(shè)計(jì)上采取一定的辦法來抑制這種干擾。在電子電路設(shè)計(jì)中采用去耦技術(shù)能阻止噪聲能量從一個電路傳到另外一個電路。在電路中使用去耦電容可以補(bǔ)償邏輯器件工作時(shí)產(chǎn)生的△I噪聲電流，防止造成電源波動。 本地去耦電容的計(jì)算方法為： 由△I=C（dU/dt） 可得C=△I/dU/dt） 選取近似值0.01uf。 3.8FLASH存儲器和DSP的接口電路 將FLASH存儲器的16位數(shù)據(jù)線和DSP并行接口的16位數(shù)據(jù)總線相連接，存儲器的地址總線和DSP的地址總線的低19位相連，F(xiàn)LASH的CE#和DSP的PS腳相連，F(xiàn)LASH的OE#與DSP的R/W引腳相連，而FLASH的WE#與DSP的R/W信號經(jīng)過反向器之后相連。 3.9串口控制模塊 DSP板與外部通過RS232異步串口模式進(jìn)行通信的。本系統(tǒng)選用串口控制模塊TL16C550。 TL16c550可以工作在FIFO工作模式下，在這種模式下，內(nèi)部FIFO可以存儲16個字節(jié)。為了使系統(tǒng)開銷最小并使系統(tǒng)效率最大，所有邏輯均在片內(nèi)。Tl16c550對從外圍器件（電臺）或者調(diào)制解調(diào)器接收得數(shù)據(jù)實(shí)行串行至并行的轉(zhuǎn)換，對從CPU（DSP）接收的數(shù)據(jù)實(shí)行并行至串行的轉(zhuǎn)換。在ACE工作的任何時(shí)間均可讀或者報(bào)告ACE的狀態(tài)，這些狀態(tài)包括：正在進(jìn)行的傳輸工作類型、工作狀態(tài)以及遇到的任何錯誤條件。 TL16c550包括可編程的片內(nèi)波特率發(fā)生器，它能用1－65535的除數(shù)對基準(zhǔn)時(shí)鐘分頻并產(chǎn)生驅(qū)動內(nèi)部發(fā)送器邏輯的16×?xí)r鐘。它還包括一些措施以便將這種時(shí)鐘直接用于驅(qū)動接收邏輯。在ACE中也包括完善的調(diào)制解調(diào)器控制能力和處理中斷系統(tǒng)，能滿足客戶想使通信鏈路的軟件管理量最小的要求。 3.10信號檢測、分析的工作流程 A/D將濾波放大器輸出的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，數(shù)據(jù)通過DMA送到DSP的在片（On-Chip）存儲器里，DSP讀取存儲器里的數(shù)據(jù)進(jìn)行各種計(jì)算，若計(jì)算后需要發(fā)送數(shù)據(jù)，則將需要發(fā)送的數(shù)據(jù)按約定協(xié)議通過串口控制模塊輸出到無線傳輸模塊，由無線傳輸模塊發(fā)回主站。電源管理模塊為整個信號處理模塊提供穩(wěn)定可靠的電源；邏輯控制模塊便于DSP管理各個模塊；復(fù)位模塊可以在整個信號處理模塊出現(xiàn)異常時(shí)自動給出一個復(fù)位信號，重啟整個分站系統(tǒng)。 4.結(jié)語 本系統(tǒng)利用高速低功耗的DSP（數(shù)字信號處理器）進(jìn)行聲音信號的分析處理，可以以更低的功耗、更快的速度完成復(fù)雜的數(shù)學(xué)計(jì)算，并且其強(qiáng)大的運(yùn)算能力使系統(tǒng)在處理算法、功能擴(kuò)展上有很好的發(fā)展?jié)摿?，這從硬件上保證了系統(tǒng)升級能力強(qiáng)大。 系統(tǒng)目前的傳感器檢測距離為1km，為了使智能化聲波探測系統(tǒng)能夠在更廣泛的范圍內(nèi)應(yīng)用并進(jìn)一步降低系統(tǒng)成本，考慮將傳感器安裝于輸油鋼管內(nèi)部，接收通過管內(nèi)液體傳播的聲波信號，這樣可以增加傳感器的檢測距離，降低外部噪聲對目標(biāo)信號的干擾。通過實(shí)驗(yàn)可以看到，現(xiàn)有的預(yù)警判斷方法是行之有效的，但是，對于可能遇到的新的問題我們還需要對信號處理算法、目標(biāo)識別算法、以及主站程序功能等要進(jìn)行進(jìn)一步改進(jìn)，以適應(yīng)新的應(yīng)用的要求。 參考文獻(xiàn)： 1.孫俊若,胡貴池.越野輸油管道防漏盜監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].儀表技術(shù)與傳感器. 2003年.10期:21～25 2.王社國,魏艷娜,董愛榮.基于DSP的語音處理和識別系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)[J].微計(jì)算機(jī)信息.2007年23期:179～181 3.楊明遠(yuǎn), 陳明義.TMS320C5402芯片基本硬件設(shè)計(jì)[J].山西電子技術(shù).2007年04期:27～28 4.李經(jīng)達(dá).復(fù)位電路設(shè)計(jì)應(yīng)注意的問題[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究.1994年.06期:80