输油管道防盗监测分站控制系统硬件设计研究.docx

输油管道防盗监测分站控制系统硬件设计研究输油管道防盗监测分站控制系统硬件设计研究yangliu导语：本文主要介绍信号处理模块的硬件系统设计。摘要：本文根据输油管道数据监测的特殊要求，设计了基于分布式构造的数据收集系统，该系统以工控机为上位机，DSP信号处理模块为下位机，实现了实时性较好的输油管道监测与控制，本文主要对分站控制系统中信号处理模块进展具体的硬件设计。关键词：管道监测；信号处理；数据收集；控制模块balign=centerDesignandRealizationofMonitoringSystemforOilPipelinesBasedonDistributedStructureZENGGuie1LvGaoSheng2XuMing3/align/b1.ElectronicsDEPTofGuangDongBaiyunUniversity.Guangzhou510450,China;2.Oil&GasStorageAndTransportationDeptofZhongYuanOilField.Zhengzhou3.ChinaPetroleum&ChemicalCorporationgascompany,Jinan,257010Abstract:Withthespecialdemandofoilpipelines,designadataacquisitionsystembasedondistributedstructure.Useindustrialdatapressingcomputerasserver,andDSPasclient.arealtimemonitoringsystemonoilpipelinesisestablished.thispaperismaintodesignhardwareofthesignalprocessingindetail.KeyWords:MonitoringPipelines;SignalProcessing;DataAcquisition;Controlmode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，必须藉助当代高科技手段，建立起准确灵敏的输油管线防盗预警系统，才能从根本上进步整个油田的平安防范才能，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。本工程是中国中原油田公司负责详细研发的、合适我国国情的、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。align=center图1系统硬件组成及各局部连接关系图/align2、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，使整个系统可以有序地工作。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局部组成。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展滤波放大；信号处理模块高速收集放大器的输出信号，然后进展各种信号处理工作，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给；设备保护系统是保护整个分站系统，让分站设备不轻易被破坏。align=center图2分站控制处理控制系统硬件构造图/align3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，电源治理模块POWER，逻辑控制模块LogicControl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。电源治理模块为整个系统提供稳定的电源，为A/D转换器提供准确的电压基准。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，判定是否是有效的信号，然后将这个判定通过无线传输模块送回主站。3.1JTAG仿真口由于高速DSP具有高度并行的构造、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展硬件仿真。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。用户程序可在目的系统的片内或者片外存储器运行，而不会由于仿真器引入额外的等待状态。DSP芯片内部通过移位存放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，也可以进展仿真调试，这对DSP系统的设计和调试带来极大的方便。JTAGJointTestActionGroup;结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BoundaryscanTest。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，包括片内存放器以及所有的存储器，进而提供了一个实时的硬件仿真与调试环境，便于开发人员进展系统软件调试。仿真器通过一个14pin的接插件与芯片的JTAG端口进展通讯。假如DSPs与14pin的接插件之间的间隔超过了6英尺，那么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展处理，因此在DSP的外围电路中，A/D转换器是特别重要的器件。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；与微处理器或者计算机的接口；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，本钱、;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ADCsMAX144。3.3TMS320VC5402DSPDSP芯片，又称为数字信号处理器，是一种十分合适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构造，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，可以知足诸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构造；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；模块化构造设计；先进的IC工艺；能降低功耗和进步抗核辐射才能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。TMS320VC5402DSP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=VCC1-esup-t/sup=RC设V11.0V为低电平与高电平的分界点，那么t=-RC1n1-Vsub1/sub/VCC选择R100K，C10F，可得t223ms，进而知足复位需要。