1、北京石油化工学院 2014 届优秀毕业论文1管道检测定位控制系统设计电气工程及其自动化专业 刘齐飞指导教师 李伟 讲师 摘 要 作为国家重要能源产业的石油和天然气，主要通过管道运输。随着管龄的增长，管道会因内部油气腐蚀、外部土壤腐蚀、人为破坏和施工缺陷等原因发生管道泄漏事故。为了预防管道泄漏事故，定期对管道进行缺陷检测是非常重要的。以自带 USB 模块的 16 位单片机 PIC24FJ256GB106 为核心处理器，设计出基于 USB 存储技术的管道定位数据采集系统。系统采用内定位与外定位相结合的方式实现装置定位，辅以装置角度测量对定位数据进行校正，可准确确定管道受损位置。阐述了该系统的定位数
2、据采集方案及工作原理，介绍了其硬件组成和软件设计。试验结果表明，系统工作可靠，能满足大容量定位数据存储和高定位精度的设计要求。关键词 管道检测，定位，USB 存储1 前言1.1 课题来源管道的安全性在油气各种传输中有着非常重要的地位，一旦管道出现问题，输送就会受到影响，间接影响生产活动。定期检测损伤能使管道安全、高效地运行，对损伤进行精确定位，是修复管道缺陷所必需的。为了防止预防管道泄漏事故，定期对管道进行缺陷检测是非常重要的。1.2 管道检测的目的和意义管道的在役无损检测是指对使用年限长、接近检测周期或事故多发期的在役管道进行无损检测，以准确掌握管内受损部位与腐蚀程度，根据管道有关安全规范，
3、对具有严重缺陷的管道予以及时维修，从而避免管道事故的发生，并大大延长管道的使用寿命。因此，定位系统设计是检测系统的重要环节之一。1.3 国内外管道检测发展的一般方法管道检测定位系统采用内、外定位相结合的方式进行检测定位。内定位通过里程轮来实现。外定位是指在被测管道所经过的地段，按一定间隔安置低频发射装置，爬机通过时检测管道上的低频信号，从而确定每一特征点的相对位置。其数据采集部分的功能包含以下三方面：通过采集磁场数据获得装置外定位信息；对里程轮的脉冲进行计数得到内定位信息；测量出装置旋转的角度从而对定位数据进行修正。2 定位系统整体设计方案2.1 总体设计方案管道检测定位控制系统设计2本文设计
4、要实现的功能就是对爬机的精确定位，并且存储相关数据，实现方法就是内外部定位的结合和 USB 技术。整体设计方案如图 1 所示：图 1 整体设计方案图地面相隔一定距离沿管线方向均匀分布若干超低频电磁波发射设备，随着管道内爬机的移动，接收天线将接收到的电磁信号经调理电路后送往 PIC 单片机 AD 模块进行测量，实现装置的外定位功能。编码器用于测量装置转角，经鉴相电路后得到单片机可以识别的正反转信号送入单片机进行计数处理，对定位数据进行矫正。里程轮则用于测量装置行走里程，实现装置内定位功能，里程轮中霍尔传感器输出信号经简单滤波电路处理后送往单片机。为实现采集数据的大容量存储，用单片机自带的 USB
5、 模块连接 USB 存储设备，完成存储功能。LCD 及 LED 显示模块用来在实验过程中进行必要的状态显示。3 系统硬件设计3.1 单片机型号的选择PIC24FJ256GB106 是带 USB On-The-Go（OTG）的 64 引脚的 16 位闪存单片机。它具有高性能的 CPU：改进型哈佛架构；32MHz 时最高 16MIPS 工作速度；8MHz 内部振荡器；可寻址最大12MB 的线性程序存储空间；可寻址最大 64KB 的线性数据存储空间3.2 磁场信号检测电路设计3.2.1 超低频信号的发射装置与接收装置的设计将螺线管产生的磁场等效为磁偶极子所产生的磁场。发射天线可简化为磁偶极子模型，可
6、以对发射天线场点上的磁场强度分布进行定量分析。磁感应强度在 x 方向上的分量 的幅值随 Z|的变化呈现双峰分布。如果能识别出中间的双峰信号,并寻找出双峰信号间的极小值所在的点即北京石油化工学院 2014 届优秀毕业论文3为电磁波发射源位置所在。接收天线通过 LC 振荡电路接收发射天线方向磁场变化的幅值信号。3.2.2 陷波器的设计通过设计 LC 并联谐振电路，获得一个 22Hz 的较弱的信号。理想情况下是“干净的”2 2Hz的信号，现实当中往往还会有髙于或者低于 22Hz的信号，像工频（ 50Hz） 的干扰由节点导纳方程求出电路的传递函数如 3-2、3-3 所示：(3-2)()()=1+()2
7、1+2(2)+()2 (3-3)=1+()21+1+()23.2.3 对采集信号的放大除了对信号进行滤波处理外，还要对信号进行放大处理。所设计的放大电路如图 2 所示。由于 AD620 为三运放集成的仪表放大器结构，为保持输入三极管的集电极电流恒定，并使输入电压加到外部增益控制电阻 Rg 上。AD620 的两个内部增益电阻为 24.7 ，根据需要将增益放大至74 倍，由此得出 AD620 的外置电阻 Rg3 为 680 欧姆。再将 AD620 的增益调制 167，根据 11 12增益与外置电阻的计算公式得出，外置电阻 Rg4 为 300 欧姆。图 2 由 AD620 组成的放大电路3.3 爬机
8、里程的测量管道检测定位控制系统设计4本章主要介绍爬机里程的测量。检测的内定位是指检测爬机自身设置定位标记，它是通过里程轮来实现的，其抗干扰效果好，而且外部是钢制管道，对一般的电磁干扰有天然的屏蔽作用。基于这个考虑，采用霍尔传感器 CS3144。开关型霍尔传感器的输出是一组数字量，从波形来看是一串脉冲信号。本文可以在爬机轮子上安装 3 个小磁铁，每次霍尔元件经过磁铁时，就会产生一个脉冲信号。本文就利用这个办法，通过单片机的外部中断来计算脉冲个数，这样就可以知道轮子转的圈数，从而计算出爬机的里程。3.4 爬机径向角的测量为了对小车有一个更加精确的定位，还需要对爬机在运动过程中的径向偏角进行测量，系
9、统选用欧姆龙增量式光电编码器来进行角度测量，该编码器的特点是每产生一个输出脉冲信号就对应于一个增量位移，输出 A、 B 两相互差 90度角的脉冲信号（即所谓的两组正交输出信号），采用如图 3 所示的鉴相电路即可测量出角度变化，并可方便地判断出旋转方向。图 3 角度检测原理图3.5 USB 模块与调试设计本文在设计中只需要 USB 工作在设备模式下就可以，USB 插座 D+、D-与单片机内部的收发器直接相连，VBUS 5V 升压装置内置，连接 5V 即可，升压辅助部分 USB Vcmpst1、Vcmpst2(VBUS 升压发生器输入端)、VBUSST（内部电荷泵-将 3.3V 升至 5V）还有稳
10、压使能端 ENVREG 以及 Vddcore4 系统软件设计4.1 软件设计整体思路北京石油化工学院 2014 届优秀毕业论文5系统软件部分的主要功能为磁场信号的 AD 采样，里程轮计数的实时采集与软件矫正，以及数据的 USB 存储功能的实现。控制系统软件包括主程序及中断服务程序两部分：主程序主要由系统初始化、数据存储控制、以及里程轮计数的实时矫正、LCD 及 LED 状态显示等程序组成；中断程序则主要实现磁场信号 AD 采样、外部中断进行里程轮和编码器计数、定时中断控制数据缓存等功能。定位系统数据采集部分除了要存储磁场数据、里程数据以及转角数据以外，为了与检测系统中采集到的反应管道壁厚的数据
11、进行融合，还需要存储时间信息。因此，定义 USB 存储数据格式如表 1 所示：表 1 USB 数据存储格式定义字符序号 1 2-4 5 6-9 10 11-13 14 15-16 17 18字符内容 AA BB CC DD r n字符含义 前缀 时间 前缀 里程 前缀 磁场 前缀 转角 回车 换行4.2 子程序模块设计USB 传输数据的部分程序代码如下所示：deviceAttached = FALSE; InitializeCN(); /外部中断初始化USBInitialize(0);/USB 初始化InitializeAnalogMonitor(); /A/D 转换初始化Initialize
12、Clock(); /时钟初始化while(1) myFile = FSfopen(“test.txt”,“w”); /打开文件if(JIOU_FLAG =0) FSfwrite(param1,1,512,myFile); /将变量 param1 写入文件else FSfwrite(param2,1,512,myFile); /将变量 param2 写入文件FSfclose(myFile);/关闭文件 管道检测定位控制系统设计6return 0; 5 电路仿真实验部分实验结果5.1 陷波电路仿真采用 Multisim 仿真软件对陷波电路进行仿真，在图 4 所示处理电路中，直接用两路正旋信号（分别
13、为 22Hz 和 55Hz）模拟天线所接收到的电磁波信号。图 4 陷波电路原理图仿真结果如图 5 所示，最上面那条波形为 22Hz 与 50Hz 的叠加，而下面那条波形为 22Hz 的低频信号，从时间轴可以算出，每个小格为 20ms/Div，一个周期大约为两个半小格。由此可以得出结论经过陷波电路的处理过后，工频信号 50Hz 很有效的得到了衰减，且陷波效果非常明显。图 5 仿真结果5.2 角度测量电路仿真角度测量部分的电路仿真如图 6、7 所示。示波器 1 的 A、B 通道分别接到光电编码器的 A相和 B 相输入，示波器 2 的 A、B 通道则分别接鉴相电路输出端 UpCnt 和 DownCn
14、t。从图 6 所示北京石油化工学院 2014 届优秀毕业论文7的仿真结果可以看出，当编码器正转时（A 相领先 B 相），鉴相电路输出端 UpCnt 有脉冲输出，而 DownCnt 输出端则保持高电平；当编码器反转时（B 相领先 A 相），鉴相电路输出端DownCnt 有脉冲输出，而 UpCnt 输出端则保持高电平。仿真结果表明，该电路很好地实现了对编码器转向的鉴别，单片机通过中端功能很容易实现脉冲计数功能。图 6 正转时 A、B 相输入及鉴相输出波形图 7 反转时 A、B 相输入及鉴相输出波形对爬机在运动过程中的径向偏角的测量，是为了对小车有一个更加精确地定位，通过光电编码器产生的脉冲信号可以
15、判断出旋转的方向。根据图 5.6 中 B 超前 A 1/4 周期时，如图 5.6 所示。D 触发器的输出 为 0，将与非门 U1C 封锁，其输出 DownCnt 始终为高电平，此时 U1D 打开，0对 UpCnt 计数。表示反转。如图 5.7 所示，A 通道始终为高电平。B 通道输出的是 OUTA 波形。5.3 实验结果用设计出的定位数据采集系统在实验室的模拟管道中，进行了若干次试验。试验过程中，将发射天线放置于管道外 2.5 米处，驱动电机以 1m/s 的速度驱动检测装置在管道内行进。试验结束后用 USB 转接线将试验数据取出，在 PC 机上用软件进行离线分析。图 8 为外定位试验数据结果，
16、该波形为未经软件滤波处理的原始磁场信号波形。从如图所示外定位磁场波形来看，采集到的磁场信号呈典型的双峰分布，与理论上计算出磁偶极子在空间上的磁场分布完全吻合。根据该波形解析出的外定位点与实际的外定位点之间的误差仅为 0.1m，满足系统外定位要求。管道检测定位控制系统设计8图 8 实验结果6 结论与展望基于 USB 存储技术设计出的定位数据采集系统，利用 PIC24FJ256 系列单片机丰富的外部中断、高分辨率的 AD 采样模块及实用的外设引脚选择功能，实现了磁场、里程和转角数据的采样；并利用其自带的 USB 模块、简化了系统硬件设计，实现了采样数据的有效存储。经实践检验，该采集系统采样频率可达
17、 500Hz 且定位精度可达 0.1m，存储方案完全满足检测装置的大容量数据存储要求。该定位数据采集系统具有采样频率快、定位精度高及系统硬件设计简单的特点，可广泛应用于管道检测系统中。参 考 文 献1Vradis George,Schem pf Hagen.Robotic system inspective gas mainsJ.Robotic system inspects live gas mains,2004, 48(8):16-18. 2高鑫.嵌入式 USB 主机系统的设计研究D.合肥工业大学,2005.3任来平,赵俊生,侯世喜.磁偶极子磁场空间分布模式J,海洋绘,2002(2):20
18、-23.4孙肖子.电子设计指南M.北京 .高等教育出版社,2006-20 5谢波.超低频数据采集系统接收机的开发研究J，华中科技大学硕士论文，2008-24 6孙同景,陈桂友.Freescale 9s12 十六位单片机原理及嵌入式开发技术 M，北京.机械工业出版社.2009-28Abstract As the important energy industry, petroleum and natural gas are mainly transported through pipeline. Along with the pipeline ages growing, the pipeline
19、 will be corroded by internal oil gas and exterior soil, stand withartificial destruction and construction flaw, and so on. All of these will result in the pipeline divulging accident. In order to prevent the pipeline divulging accident, it is very important to carry on the flaw examination regularl
20、y to the pipeline. Based on USB storage technology the data acquisition system is designed, in which the 16-bit flash microcontroller with built-in USB module named PIC24FJ256GB106 is used as core processor to acquire pipe-location data. The location of the testing equipment used to confirm the dama
21、ge position of pipeline relies on the combination of inside and outside location methods in this system. For the need of improving the location precision the rotation of equipment is measured to rectify the location data. The acquisition method of location data and the operational principle of the s
22、ystem are elaborated firstly, and then the software and hardware design is analyzed. The experimental results indicate that the system is reliable, and can meet the design requirements of large capacity data storage and high precision. 北京石油化工学院 2014 届优秀毕业论文9Key words Pipeline Inspection, location, ultralow USB memory
