关键词：管道监测；信号处理；数据采集；控制模块
ZENG Gui e1 Lv Gao Sheng2 Xu Ming3
（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
我国拥有长达数万公里的输油管线，随着国内石油制品需求的日益增长和国际市场石油价格的不断上涨，不法分子的黑手不断伸向输油管线，通过盗窃国家油料而牟取暴利。由于我国长达数万公里的输油管线所处的地域复杂多样，常规的人防手段难以扼制狡猾的盗油犯罪分子，必须藉助现代高科技手段，建立起准确灵敏的输油管线防盗预警系统，才能从根本上提高整个油田的安全防范能力，有效地制止盗油犯罪，减少国有资产的损失，使油田在与盗油犯罪的斗争中立于不败之地。本项目是中国中原油田公司负责具体研发的、适合我国国情的、高效的输油管线防盗预警系统。
本文主要介绍信号处理模块的硬件系统设计。
图1系统硬件组成及各部分连接关系图
2、系统组成
整个智能声波输油管道防盗系统由分布于各布控点的分站系统和位于油田调度中心的主站系统组成，见图1。
主站系统由工业控制计算机、专主站用控制软件、无线传输模块组成。主站控制软件采用主从式的控制方式控制整个预警系统，使整个系统能够有序地工作。
分站系统由微功耗的声波传感器、滤波放大器、信号处理模块、无线传输模块、供电系统、设备保护系统等几个部分组成。声波传感器获取来自管线的各种声波信号；滤波放大器将声波传感器的输出的弱小信号进行滤波放大；信号处理模块高速采集放大器的输出信号，然后进行各种信号处理工作，并将有效的信号以约定的协议格式通过串口输出到无线传输模块；无线传输模块将数据发回到总站；供电系统负责提供整个分站系统所需要的能量，并有太阳能电池板随时给蓄电池充电，保证能量的长时间供应；设备保护系统是保护整个分站系统，让分站设备不容易被破坏。
图 2 分站控制处理控制系统硬件结构图
3．分站控制处理控制系统硬件设计
基于DSP的信号处理模块[2]由模数转换器（A/D）、数字信号处理器（DSP）、外部程序存储器（FLASH），外部数据存储器（SDRAM），复位电路，无线通讯控制模块（UART），电源管理模块（POWER），逻辑控制模块（Logic Control）组成。如图2所示。
A/D模块将模拟信号转换成DSP处理器可以处理的数字信号。FLASH存储器用来存储固化的数字信号处理程序。外部的数据存储器解决了DSP的片上存储器空间的局限。
复位电路控制整个电路的复位时序，保证系统中的DSP，A/D转换器，无线传输控制模块的正确复位。逻辑控制模块接收DSP的控制信号，经过逻辑编码制后输出对系统中的A/D，外部存储器，无线传输控制模块的控制信号。电源管理模块为整个系统提供稳定的电源，为A/D转换器提供精确的电压基准。整个系统的核心处理器是DSP，它控制A/D转换器的转换时序，接收A/D转换器输出的数字信号，然后经过分析处理，判断是否是有效的信号，然后将这个判断通过无线传输模块送回主站。
3.1JTAG仿真口
由于高速DSP具有高度并行的结构、快速的指令周期、高密度的封装等特点，采用传统的电路仿真方法很难实现可靠的仿真。TMS320C54X系列的DSP采用一种先进的扫描仿真器对用户板进行硬件仿真。扫描仿真器不采用插入仿真的方法，而是通过DSP芯片上提供的几个仿真引脚实现仿真功能。扫描仿真消除了传统的电路仿真存在的问题，例如，仿真电缆过长会引起信号的失真，仿真插头会引起可靠性差等问题。用户程序可在目标系统的片内或片外存储器运行，而不会因为仿真器引入额外的等待状态。DSP芯片内部通过移位寄存器扫描链接实现扫描仿真，这个扫描链被外部的串口访问。采用扫描仿真，即使芯片已经焊在电路板上，也可以进行仿真调试，这对DSP系统的设计和调试带来极大的方便。JTAG（Joint Test Action Group;联合测试行动小组 ）是基于IEEE1149.1标准的一种边界扫描测试方式（Boundary－scan Test）。TI公司为其绝大多数的DSPs产品都提供了JTAG端口支持。结合配套的仿真软件（Emulator），可以访问DSPs的所有资源，包括片内寄存器以及所有的存储器，从而提供了一个实时的硬件仿真与调试环境，便于开发人员进行系统软件调试。仿真器通过一个14pin的接插件与芯片的JTAG端口进行通信。如果DSPs与14pin的接插件之间的距离超过了6英尺，则需要在有关的仿真信号上添加一级缓冲驱动。
3.2A/D转换电路
通过预处理的信号仍然是模拟信号，而DSP芯片只能对数字信号进行处理，因此在DSP的外围电路中，A/D转换器是十分重要的器件。A/D芯片的选取直接关系到信号测量的精度和数据容量的大小，因此A/D转换电路的设计主要是选择和应用A/D芯片。基于不同的应用，可以选用不同的性能指标和价位的芯片。对于一般的A/D选择，主要考虑以下几个方面的因素：
1）转换器的精度、线性度。
2）转换时间、采样率、孔径时间等。
3）转换器输出代码的逻辑电平要求；与微处理器或计算机的接口；串行、并行、时钟的选择，输出代码的格式等。
4）转换器的工作条件，对温度、湿度等自然条件的要求，以及抗冲击性等。
5）转换器的工作电压、功耗，封装形式，成本、来源等也是重要的考虑因素。
综合各种因素，本系统采用一种低功耗、12位、单电源供电的高速A/D转换器（ADCs）——MAX144。
3.3TMS320VC5402 DSP
DSP芯片，又称为数字信号处理器，是一种特别适合用于实时数字信号处理的微处理器。
本系统采用的TMS320C5402是TI公司于1996年推出的新一代定点数字信号处理器。它采用先进的修正哈佛结构，片内共有八条总线（一条程序存储器总线，三条数据存储器总线，四条地址总线）、CPU、在片存储器和在片外围电路硬件，加上高度专业化的指令系统，使C5402具有功耗小、高度并行等优点，可以满足众多领域的实时处理要求。
C5402的主要特点如下：
●围绕八条总线构成的增强型哈佛结构；
●高度并行和带有专业硬件逻辑的CPU设计；
●高度专业化的指令系统；
●模块化结构设计；
●先进的IC工艺；
●能降低功耗和提高抗核辐射能力的新的静电设计方法。
3.4复位电路设计
DSP的硬件复位方式有上电复位和手动复位两种方式。TMS320VC5402 DSP的复位输入信号 是硬件复位信号的输入管脚。在 管脚输入低电平，复位逻辑将控制DSP的内部逻辑初始化，并唤醒DSP初始化软件的执行。为使芯片初始化正常，复位信号必须至少保持5个外部时钟。然而，在上电后，系统的晶体振荡器往往需要几百毫秒的稳定期，因此，复位电路最好能产生大于200ms的低脉冲。下面的图3就是上电复位和手动复位结合的复合RC复位电路的原理图。利用RC电路的延迟特性给出复位所需的低电平时间，复位时间主要由R和C的乘积决定。
RS处的电压 V=VCC（1-e-t/ι） ι=RC
设V1＝1.0V为低电平与高电平的分界点，则
t= -RC1n（1-V1/VCC）
选择R＝100KΩ，C＝10μF，可得t＝223ms，从而满足复位需要。
图3 DSP复位电路原理图
3.5FLASH MEMORY存储器
TMS320VC5402的片上存储器包括双口随机存储器（DARAM）和只读存储器（ROM）。DARAM存取速度快，但是没有掉电存储功能；而ROM对于普通用户来说是不能重复擦写的，只有生产芯片的厂家可以在生产的时候可以按照用户的要求写入数据。这两种存储器都不适合不断改写，而且希望能掉电保存数据的要求。所以必须扩展外部的存储器。这里采用体积小，读写速度快的FLASH存储器Am29lv800b。
3.6时钟电路
时钟发生器为DSP芯片提供精确的时钟信号。时钟发生器是由内部振荡器和锁相环（PLL）电路两部分组成。时钟发生器要求有一个参考的时钟输入，可以有两种方式提供。
1）晶体跨接到X1和X2/CLKIN引脚两端，使内部振荡器工作，构成内部振荡器的反馈电路。两个电容值为22pf。如果工作在谐波方式，则还要加一些元件。
2）外部时钟信号直接加到X2/CLKIN引脚。
本系统采用第一种接法。
3.7DSP系统用电源电路
1） 电源转换电路
电源是DSP芯片能够正常工作的保证，TMS320VC5402为低功耗、双电源供电。其外围电路工作电压为3.3伏，而内核工作电压为1.8V，因此必须进行电压转换，以得到合适的电源电压。同时，为了降低整个系统的功耗，整个电路系统都采用3.3V低功耗的器件。
这里采用TI专门为其DSPs设计的TPS767D301线性调压电路芯片。TPS767D301是TI推出的TPS767D3XX系列中的一种，是一种主要用于需要两种不同电压供电系统的芯片。根据电路要求的不同，它可以工作在3.3V/2.5V、3.3V/1.8V以及3.3V/可调电压输出这三种模式，每一路输出电流最大都可以达到1A。电源调节动态响应快，在过载或者高温下调节电压的误差也不超过2％。电压稳定，在1A的电流下电压降为350mV。每一路输出都带有上电复位和低压监视复位功能，可以在上电200ms之后输出复位信号，保证DSP系统可靠复位，也可以在系统运行中监测系统电压，当系统电压低于一固定值时，输出复位信号，启动系统复位，保证系统可靠工作。器件的第一个输出电压为固定的3.3V，器件的第二个输出电压为可调的， V0为我们需要的输出电压，V0的计算公式为：
2）DSP电源地线跳跃
DSP芯片为高速逻辑电路芯片，从电磁兼容性角度考虑，设计上对电源的要求非常高，要尽量去掉电源噪声和干扰。在数字信号完整性问题中，一个很重要的组成部分就是噪声电流问题，也称为地线跳跃问题。
其产生和进行干扰的原理是：当数字集成电路在加电工作的时候，它内部的门电路会发生“0”到“1”的转变，实际上是输出高低电平之间的转换。在转换过程中，该门电路中的晶体管将发生导通和截止状态的转换，从而使电源线和地线之间产生的电流就是 噪声的源，也称为 噪声电流。由于电源线和地线之间存在一定的阻抗，其电流的变化将通过阻抗引起尖峰电压，并引起电源电压的波动。由于在集成电路内多个门电路共用一条电源线和地线，所以其他门电路将受到电源电压变化的影响，严重时会使这些门电路工作异常，产生运行错误。这种噪声电流也可称为芯片级 噪声电流。
对于DSP这种高速芯片来说，必须在电路设计上采取一定的办法来抑制这种干扰。在电子电路设计中采用去耦技术能阻止噪声能量从一个电路传到另外一个电路。在电路中使用去耦电容可以补偿逻辑器件工作时产生的△I噪声电流，防止造成电源波动。
本地去耦电容的计算方法为：
由△I=C（dU/dt） 可得C=△I/dU/dt）
选取近似值0.01uf。
3.8FLASH存储器和DSP的接口电路
将FLASH存储器的16位数据线和DSP并行接口的16位数据总线相连接，存储器的地址总线和DSP的地址总线的低19位相连，FLASH的CE#和DSP的PS脚相连，FLASH的OE#与DSP的R/W引脚相连，而FLASH的WE#与DSP的R/W信号经过反向器之后相连。
3.9串口控制模块
DSP板与外部通过RS232异步串口模式进行通信的。本系统选用串口控制模块TL16C550。
TL16c550可以工作在FIFO工作模式下，在这种模式下，内部FIFO可以存储16个字节。为了使系统开销最小并使系统效率最大，所有逻辑均在片内。Tl16c550对从外围器件（电台）或者调制解调器接收得数据实行串行至并行的转换，对从CPU（DSP）接收的数据实行并行至串行的转换。在ACE工作的任何时间均可读或者报告ACE的状态，这些状态包括：正在进行的传输工作类型、工作状态以及遇到的任何错误条件。
TL16c550包括可编程的片内波特率发生器，它能用1－65535的除数对基准时钟分频并产生驱动内部发送器逻辑的16×时钟。它还包括一些措施以便将这种时钟直接用于驱动接收逻辑。在ACE中也包括完善的调制解调器控制能力和处理中断系统，能满足客户想使通信链路的软件管理量最小的要求。
3.10信号检测、分析的工作流程
A/D将滤波放大器输出的模拟信号转换成数字信号，数据通过DMA送到DSP的在片（On-Chip）存储器里，DSP读取存储器里的数据进行各种计算，若计算后需要发送数据，则将需要发送的数据按约定协议通过串口控制模块输出到无线传输模块，由无线传输模块发回主站。电源管理模块为整个信号处理模块提供稳定可靠的电源；逻辑控制模块便于DSP管理各个模块；复位模块可以在整个信号处理模块出现异常时自动给出一个复位信号，重启整个分站系统。
4.结语
本系统利用高速低功耗的DSP（数字信号处理器）进行声音信号的分析处理，可以以更低的功耗、更快的速度完成复杂的数学计算，并且其强大的运算能力使系统在处理算法、功能扩展上有很好的发展潜力，这从硬件上保证了系统升级能力强大。
系统目前的传感器检测距离为1km，为了使智能化声波探测系统能够在更广泛的范围内应用并进一步降低系统成本，考虑将传感器安装于输油钢管内部，接收通过管内液体传播的声波信号，这样可以增加传感器的检测距离，降低外部噪声对目标信号的干扰。通过实验可以看到，现有的预警判断方法是行之有效的，但是，对于可能遇到的新的问题我们还需要对信号处理算法、目标识别算法、以及主站程序功能等要进行进一步改进，以适应新的应用的要求。
参考文献：
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