基于嵌入式ARM的天然氣出口流量檢測儀設(shè)計(jì)

郭建良　楊凱

摘 要：設(shè)計(jì)天然氣出口流量檢測儀，進(jìn)行天然氣管道進(jìn)出口壓力和流量的準(zhǔn)確檢測，提出基于嵌入式ARM的天然氣出口流量檢測儀設(shè)計(jì)方案。進(jìn)行天然氣管道出口流量檢測儀的總體設(shè)計(jì)構(gòu)架，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)包括天然氣流量傳感器模塊、集成控制模塊、總線模塊、接口模塊和人機(jī)交互模塊等組成，采用時(shí)鐘控制電路進(jìn)行天然氣流量檢測的時(shí)鐘采樣和中斷復(fù)位，結(jié)合ARM處理器進(jìn)行流量檢測的中央集成控制，建立VIX總線模塊進(jìn)行控制指令的集成調(diào)度和傳輸。在DSP集成信息處理環(huán)境下進(jìn)行天然氣出口流量檢測儀的硬件開發(fā)，主要對流量的采集單元、中央控制單元以及人機(jī)交互單元進(jìn)行集成電路設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)檢測儀的優(yōu)化設(shè)計(jì)。測試結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的天然氣出口流量檢測儀能準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)天然氣流量檢測，檢測精度較高，人機(jī)交互性和可靠性較強(qiáng)。

關(guān)鍵詞：嵌入式ARM； 天然氣管道； 流量； 檢測儀； 儀器儀表

Abstract： Design natural gas outlet flow detector to accurately detect the inlet and outlet pressure and flow rate of natural gas pipeline， the design scheme of natural gas outlet flow detector based on embedded ARM is put forward. The overall design frame of natural gas pipeline outlet flow detector is presented， which includes natural gas flow sensor module， integrated control module， bus module， the interface module and man-machine interaction module， and so on. Clock control circuit is used for natural gas flow detection clock sampling and interrupt reset， and ARM processor for central integrated control of flow detection. The VIX bus module is established for the integrated dispatch and transmission of the control instructions， and the hardware development of the natural gas outlet flow detector is carried out under the DSP integrated information processing environment， which mainly deals with the collection unit of the flow rate. The central control unit and the human-computer interaction unit are designed to realize the optimal design of the detector. The test results show that the designed natural gas flow detector can accurately realize the natural gas flow detection， and the detection accuracy is high. Man-machine interaction and reliability are better.

Key words： embedded ARM； natural gas pipeline； flow rate； detector； instrument

引言

隨著國家對天然氣西氣東輸工程投入的不斷增大，對西氣東輸工程沿線的管道設(shè)施設(shè)備的監(jiān)測和管理的智能化和集成化程度越來越高，研究智能的天然氣輸送管道設(shè)施的智能監(jiān)測儀器儀表，成為廣大工程技術(shù)人員關(guān)注的重點(diǎn)課題。在采用管道進(jìn)行天然氣遠(yuǎn)程輸送過程中，需要對天然氣管道的進(jìn)出口壓力和流量進(jìn)行準(zhǔn)確的檢測，分析管道輸送天然氣的壓力信息、流量強(qiáng)度以及輸出壓強(qiáng)等，結(jié)合流量檢測結(jié)果進(jìn)行管道狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測，相關(guān)的流量檢測技術(shù)在實(shí)現(xiàn)天然氣管道的泄漏監(jiān)測、故障診斷以及工況分析等方面具有重要意義[1]。

隨著集成電子技術(shù)和嵌入式處理技術(shù)的發(fā)展，采用集成DSP信號處理芯片和嵌入式的ARM處理器進(jìn)行流量檢測儀的開發(fā)，能提高天然氣出口流量檢測的精度和穩(wěn)定性。為了提高天然氣管道的流量檢測能力，從而保障天然氣管道的穩(wěn)定可靠運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)天然氣運(yùn)輸管道的實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測[2]，本文提出一種基于嵌入式ARM的天然氣出口流量檢測儀設(shè)計(jì)方法。首先進(jìn)行天然氣出口流量檢測儀的總體設(shè)計(jì)構(gòu)造分析，天然氣出口流量檢測儀遠(yuǎn)程自動(dòng)控制系統(tǒng)采用局部總線控制方法，在嵌入式環(huán)境下進(jìn)行系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)，然后進(jìn)行系統(tǒng)的硬件開發(fā)，結(jié)合嵌入式ARM處理器進(jìn)行天然氣出口流量檢測儀的集成設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)控制，流量檢測儀天然氣流量傳感器模塊、集成控制模塊、總線模塊、接口模塊和人機(jī)交互模塊等，采用模塊化開發(fā)設(shè)計(jì)方案，結(jié)合DSP和嵌入式系統(tǒng)，進(jìn)行檢測儀的集成硬件電路設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)檢測儀的優(yōu)化開發(fā)設(shè)計(jì)，最后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試，展示了本文設(shè)計(jì)的天然氣出口流量檢測儀的優(yōu)越性能。

1 儀器的總體設(shè)計(jì)構(gòu)架和功能組成

1.1 天然氣出口流量檢測儀總體設(shè)計(jì)分析

本文設(shè)計(jì)的天然氣出口流量檢測儀主要包括硬件模塊化設(shè)計(jì)和電子線路的集成設(shè)計(jì)兩大部分，對天然氣出口流量的檢測主要采用壓力傳感器和流量傳感器進(jìn)行原始數(shù)據(jù)采集，設(shè)計(jì)傳感器模塊進(jìn)行出口壓強(qiáng)、出口壓力、差壓的幅度、絕壓幅度等信息采集，結(jié)合對應(yīng)信號的頻譜圖和時(shí)域波形圖分析方法進(jìn)行出口流量特征提取[3]，采用譜分析方法進(jìn)行出口流量的可視化圖譜分析。采集的原始數(shù)據(jù)輸入到檢測儀的AD模塊中進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換控制，將原始的壓力信息轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)可識別的電信息，采用嵌入式ARM處理器設(shè)計(jì)中央處理器模塊進(jìn)行天然氣出口流量檢測儀的智能信息處理和集成信息分析，設(shè)計(jì)微處理器進(jìn)行天然氣出口流量的電位信息處理，構(gòu)建電磁共振式耦合器進(jìn)行天然氣出口流量特征分析。結(jié)合供電頻率和電壓進(jìn)行輸出耦合性控制，用DSP和RAM作為天然氣出口流量檢測儀的核心處理器，建立天然氣出口流量檢測儀的正交解調(diào)電路進(jìn)行信號調(diào)制解調(diào)處理[4]，采用總線控制技術(shù)進(jìn)行流量載荷輸出控制，采用程序交叉編譯方法進(jìn)行總線開發(fā)設(shè)計(jì)，使用邏輯可編程的應(yīng)用程序中進(jìn)行天然氣出口流量檢測儀的嵌入式開發(fā)設(shè)計(jì)。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)包括天然氣流量傳感器模塊、集成控制模塊、總線模塊、接口模塊和人機(jī)交互模塊等組成。根據(jù)上述設(shè)計(jì)原理，得到總體設(shè)計(jì)構(gòu)架如圖1所示。

1.2 設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)及功能結(jié)構(gòu)

根據(jù)圖1所示的總體結(jié)構(gòu)構(gòu)架，結(jié)合天然氣出口流量檢測儀的應(yīng)用環(huán)境，分析本文設(shè)計(jì)的天然氣出口流量檢測儀的技術(shù)指標(biāo)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心為信號處理芯片的選擇，采用ADI公司ADSP21160處理器作為數(shù)字處理芯片，采用定點(diǎn)DSP芯片ADSP2101/2103/2105作為流量檢測儀的控制中樞單元[5-7]，在Linux內(nèi)核下進(jìn)行檢測儀的總線開發(fā)，檢測儀的技術(shù)指標(biāo)描述為：

（1）出口流量檢測的主頻為120 MHz，管道的最大輸出功率為12 KW，流量檢測放大量為80 dB。

（2）流量數(shù)據(jù)采集的采樣率>200 KHz，D/A分辨率不低于12位。

（3）基陣阻抗匹配強(qiáng)度為3 dB左右，輸出靜態(tài)功率損耗為20 W。

（4）天然氣流量自動(dòng)調(diào)速匹配的控制誤差級12 dB

采用時(shí)鐘控制電路進(jìn)行天然氣流量檢測的時(shí)鐘采樣和中斷復(fù)位，結(jié)合ARM處理器進(jìn)行流量檢測的中央集成控制，得到本文設(shè)計(jì)的天然氣出口流量檢測儀的功能組成如圖2所示。

2 檢測儀的硬件模塊化設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

采用ADSP21160處理器儀器作為核心處理芯片，在嵌入式ARM處理器控制下進(jìn)行天然氣出口流量檢測儀外圍結(jié)構(gòu)和核心功能模塊開發(fā)，建立VIX總線模塊進(jìn)行控制指令的集成調(diào)度和傳輸。在DSP集成信息處理環(huán)境下進(jìn)行天然氣出口流量檢測儀的硬件開發(fā)，主要對流量的采集單元、中央控制單元以及人機(jī)交互單元進(jìn)行集成電路設(shè)計(jì)[8-10]，對各個(gè)功能模塊的硬件設(shè)計(jì)描述如下；

（1）天然氣流量傳感器模塊。傳感器模塊實(shí)現(xiàn)對天然氣出口流量檢測儀的傳感信息采集功能，采用壓力傳感器和磁力計(jì)進(jìn)行管道的輸出流量信息采集和壓力信息采集，采用低功耗的GT8340 32進(jìn)行傳感器模塊的功率放大處理，使用電流傳感器測量每個(gè)沖程的電流大小。傳感器模塊電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

（2）集成控制模塊。集成控制模塊是整個(gè)流量檢測儀的核心，采用AD8021作為放大器進(jìn)行輸出壓力傳感信號放大，采用Mux101多路開關(guān)進(jìn)行控制器的輸出電平控制和流量誤差控制[11]，選擇AD8021的反饋電阻進(jìn)行程序控制和一級放大。以S3C2440A ARM9處理器作為控制和運(yùn)算核心，得集成控制模塊電路如圖4所示。

（3）總線模塊。總線模塊采用2 片16-bit 寬度的32M SDRAM 組成，通過SPI接口進(jìn)行輸入串口設(shè)計(jì)，構(gòu)建復(fù)位電路進(jìn)行輸出反饋控制，采用VIX總線實(shí)現(xiàn)天然氣出口流量檢測輸出數(shù)據(jù)的同步時(shí)鐘控制，得到總線模塊設(shè)計(jì)如圖5所示。

（4）人機(jī)交互模塊。人機(jī)交互模塊實(shí)現(xiàn)對天然氣出口流量檢測儀的自動(dòng)控制和人機(jī)交互設(shè)計(jì)功能，采用AD轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)對天然氣輸出流量信息的功率譜分析，提取圖譜特征，在人機(jī)交互模塊中實(shí)現(xiàn)可視化的圖譜分析，采用FLAH作為人機(jī)交互模塊的GUI[12]。人機(jī)交互模塊實(shí)現(xiàn)對天然氣出口流量檢測儀的自動(dòng)控制和人機(jī)交互設(shè)計(jì)功能，采用AD轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)對天然氣輸出流量信息的功率譜分析，提取圖譜特征，在人機(jī)交互模塊中實(shí)現(xiàn)可視化的圖譜分析，采用FLAH作為人機(jī)交互模塊的GUI，采用嵌入式ARM處理器作為計(jì)算機(jī)處理中心單元，進(jìn)行輸出控制，得到人機(jī)交互模塊電路設(shè)計(jì)如圖6所示。

綜上對天然氣出口流量檢測儀的模塊化設(shè)計(jì)，在DSP集成信息處理環(huán)境下進(jìn)行天然氣出口流量檢測儀的硬件開發(fā)，采用AD8674進(jìn)行控制指令加載，當(dāng)天然氣出口流量檢測儀的負(fù)載超過閾值時(shí)進(jìn)行時(shí)鐘復(fù)位，用PCI總線擴(kuò)展卡與檢測儀的元件自動(dòng)配置，實(shí)現(xiàn)對檢測儀的集成設(shè)計(jì)和開發(fā)。

3 實(shí)驗(yàn)測試分析

為了測試本文設(shè)計(jì)的天然氣出口流量檢測儀的性能，進(jìn)行系統(tǒng)仿真和實(shí)驗(yàn)分析，硬件測試建立在Simulink仿真平臺基礎(chǔ)上，采用Visual DSP++4.5進(jìn)行檢測儀的硬件調(diào)試，以CompactPCI作為標(biāo)準(zhǔn)軟件框架，進(jìn)行檢測儀的軟件開發(fā)和硬件測試，對天然氣出口流量傳感器采集的A/D采樣頻率12 KHz，D/A轉(zhuǎn)換控制增益為24 dB，對天然氣出口流量檢測的采樣點(diǎn)數(shù)為1 024點(diǎn)，在人機(jī)交互模塊中用戶可查看到每個(gè)采樣點(diǎn)，設(shè)置觸發(fā)的方向和觸發(fā)電平，進(jìn)行流量檢測過程中的觸發(fā)和中斷復(fù)位，得到檢測儀的數(shù)據(jù)采集面板如圖7所示。

在輸出界面得到天然氣出口流量的多通道采集結(jié)果如圖8所示，圖8中分別為出口壓力、壓強(qiáng)、流量以及差壓參數(shù)。

分析圖8得知，采用本文方法進(jìn)行天然氣出口流量檢測，能有效檢測輸出流量的各類參數(shù)，檢測結(jié)果準(zhǔn)確，人機(jī)交互性較強(qiáng)，具有很好的可操作性和工程應(yīng)用性。

4 結(jié)束語

對天然氣管道的進(jìn)出口壓力和流量進(jìn)行準(zhǔn)確的檢測，分析管道輸送天然氣的壓力信息、流量強(qiáng)度以及輸出壓強(qiáng)等，結(jié)合流量檢測結(jié)果進(jìn)行管道狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測，本文提出一種基于嵌入式ARM的天然氣出口流量檢測儀設(shè)計(jì)方法。在嵌入式環(huán)境下進(jìn)行系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)，重點(diǎn)對天然氣流量傳感器模塊、集成控制模塊、總線模塊、接口模塊和人機(jī)交互模塊等進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了天然氣流量檢測儀的集成開發(fā)。研究得知，本文設(shè)計(jì)的檢測儀能準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)對天然氣管道出口壓力、壓強(qiáng)、流量和差壓信息檢測，人機(jī)交互性和可靠性較好，具有很好的應(yīng)用價(jià)值。

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