基于STM32 的聲波式地下管道探測(cè)儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

梁明遠(yuǎn)，陳 強(qiáng)，張崇琪，劉慧杰，郭夢(mèng)茹

(上海工程技術(shù)大學(xué) 電子電氣工程學(xué)院，上海 201600)

0 引言

隨著中國(guó)城市化進(jìn)程的加快，城市建設(shè)面積不斷擴(kuò)大，地下管道的種類也越來(lái)越多，管道數(shù)量日趨增加。由于地下管道是城市的基本組成，因此城市發(fā)展中的設(shè)計(jì)規(guī)劃、施工建設(shè)和城市信息管理必須參考現(xiàn)有地下管道敷設(shè)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)資料[1]。但是目前我國(guó)城市地下管道的信息管理和建設(shè)出現(xiàn)了諸多問(wèn)題，有些道路和管道的新工程建設(shè)由于事先缺少地下現(xiàn)有管道的準(zhǔn)確資料而無(wú)法按原計(jì)劃推進(jìn)，且部分現(xiàn)有的城市地下管道的敷設(shè)資料和其管理模式也不健全。與此同時(shí)，我國(guó)的管道探測(cè)技術(shù)和管道探測(cè)儀器一直都處于落后水平，所以落后的管線管理方式以及現(xiàn)有管線探測(cè)技術(shù)和城市高速發(fā)展之間出現(xiàn)的矛盾日益尖銳[2]。城市地下管道敷設(shè)現(xiàn)狀的普查關(guān)鍵是可靠的地下管道探測(cè)技術(shù)與先進(jìn)地下管道探測(cè)設(shè)備，高效、精準(zhǔn)、經(jīng)濟(jì)的地下管道探測(cè)方法將成為我國(guó)城市化發(fā)展的重要推動(dòng)力。一方面，精準(zhǔn)可靠的地下管道探測(cè)技術(shù)和設(shè)備在管道信息探測(cè)中能夠獲取精確可靠管道數(shù)據(jù)，能夠?yàn)槌鞘谢l(fā)展提供精確有效的參考數(shù)據(jù)；另一方面，采用精度高、可靠性高的地下管道探測(cè)技術(shù)和設(shè)備可以提高現(xiàn)代化城市地下管道資料的管理水平；并且，采用經(jīng)濟(jì)、科學(xué)的地下管道探測(cè)技術(shù)不僅為城市建設(shè)提供可靠的管道信息從而降低甚至消除管道施工災(zāi)害的發(fā)生，而且可以為城市化的發(fā)展和優(yōu)化提供科學(xué)、可靠的數(shù)據(jù)資料及服務(wù)。因此，深入研究地下管道探測(cè)技術(shù)，大力發(fā)展地下管道探測(cè)設(shè)備具有重要意義[3]。

目前，市場(chǎng)上地下管道探測(cè)設(shè)備種類繁多，基于電磁感應(yīng)法、地質(zhì)雷達(dá)法、瞬態(tài)瑞雷面波法、地震映射法、高密度電法、慣性導(dǎo)航探測(cè)法等國(guó)內(nèi)外探測(cè)儀器越來(lái)越多[4]。但是由于材料學(xué)的快速發(fā)展，地下管道種類也越來(lái)越多，并且管道敷設(shè)深度不一，極大的增加地下管道探測(cè)難度，目前并不存在適合探測(cè)所有地下管道的設(shè)備，因此對(duì)于不同材質(zhì)、不同敷設(shè)位置的管道需要采用不同探測(cè)方法探測(cè)。本文基于聲波振動(dòng)探測(cè)原理，結(jié)合地下管道敷設(shè)情況和現(xiàn)有管道探測(cè)方法，設(shè)計(jì)了一種基于聲波的地下管道探測(cè)儀器，根據(jù)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的方案，完成硬件電路設(shè)計(jì)、制作、調(diào)試和上、下位機(jī)軟件編寫(xiě)。經(jīng)過(guò)對(duì)檢波系統(tǒng)的電源參數(shù)、系統(tǒng)噪聲及性能分析并完善系統(tǒng)后，進(jìn)行了實(shí)際地下管道水平位置探測(cè)實(shí)驗(yàn)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

聲波式管道探測(cè)法是通過(guò)人工的方法激發(fā)振動(dòng)信號(hào)，然后通過(guò)對(duì)振動(dòng)波在地層中傳播規(guī)律的研究，從而探測(cè)出地下的管道敷設(shè)位置，主要包括水平方位探測(cè)和深度探測(cè)。水平方位探測(cè)：振動(dòng)信號(hào)沿管道進(jìn)行傳輸時(shí)，管道上的振動(dòng)信號(hào)會(huì)向四周散射，在地面上可以使用振動(dòng)檢波器檢測(cè)振動(dòng)信號(hào)，管道正上方振動(dòng)信號(hào)最強(qiáng)，因此可以將最強(qiáng)振動(dòng)信號(hào)位置標(biāo)定管道水平位置。深度探測(cè)：振動(dòng)器產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)需要先經(jīng)過(guò)管道傳輸（距離為L(zhǎng)），然后經(jīng)過(guò)地層傳輸（距離h），檢波器接受到振動(dòng)器信號(hào)所用時(shí)間為t，振動(dòng)信號(hào)在管道中傳播速度V1，地層中傳播速度V2，則管道深度h由式(1)計(jì)算：

聲波式管道探測(cè)系統(tǒng)主要分為兩個(gè)模塊：上位機(jī)系統(tǒng)控制模塊，主要功能：對(duì)下位機(jī)控制、數(shù)據(jù)接收并分析處理、文件存儲(chǔ)；下位機(jī)數(shù)字檢波模塊，主要有震動(dòng)傳感器和外圍信號(hào)采集電路構(gòu)成，震動(dòng)傳感器負(fù)責(zé)檢測(cè)地面微弱震動(dòng)信號(hào)，外圍信號(hào)采集電路負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)震動(dòng)信號(hào)數(shù)字化轉(zhuǎn)換。聲波式地下管道探測(cè)系統(tǒng)如圖1所示。設(shè)計(jì)采用了在震動(dòng)信號(hào)采集終端進(jìn)行模擬信號(hào)數(shù)字化轉(zhuǎn)換，使用數(shù)字信號(hào)進(jìn)行信號(hào)傳輸，提高信號(hào)信噪比和系統(tǒng)采樣精度。

圖1 聲波式地下管道探測(cè)系統(tǒng)

聲波式管道探測(cè)系統(tǒng)的首要步驟是完成對(duì)管道振動(dòng)數(shù)據(jù)的精確采集，主要任務(wù)是對(duì)由地下管道振動(dòng)產(chǎn)生的地振動(dòng)波進(jìn)行準(zhǔn)確接收和記錄。設(shè)計(jì)的數(shù)字檢波系統(tǒng)采用集成設(shè)計(jì)，在信號(hào)采集終端直接對(duì)震動(dòng)傳感器檢測(cè)到的模擬震動(dòng)信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)換，從而到達(dá)消除模擬信號(hào)遠(yuǎn)距傳輸?shù)男盘?hào)干擾，增強(qiáng)檢波系統(tǒng)的抗干擾能力，提高采集信號(hào)的信噪比[5]，同時(shí)系統(tǒng)采用STM32F103RCT6作為核心控制器，具備一定的自檢功能[6]，原理圖如圖2所示。

圖2 檢波系統(tǒng)原理框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 硬件電路整體設(shè)計(jì)

聲波式管線探測(cè)系統(tǒng)的硬件電路主要包括：穩(wěn)壓電源電路、恒流電源電路、高低通濾波電路、信號(hào)放大電路、信號(hào)調(diào)理電路、AD采樣電路、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路、單片機(jī)最小系統(tǒng)、串口通信電路，其整體設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.2 信號(hào)處理模塊設(shè)計(jì)

在實(shí)際的野外環(huán)境探測(cè)地下管道震動(dòng)的關(guān)鍵在于不能直接將信號(hào)與采集器相連，必須在信號(hào)進(jìn)入采集器之前進(jìn)行信號(hào)調(diào)理，將信號(hào)調(diào)理成滿足采集器要求的信號(hào)[7]。系統(tǒng)選用震動(dòng)傳感器的輸出信號(hào)主要有三部分組成：動(dòng)態(tài)震動(dòng)信號(hào)電壓、靜態(tài)偏置電壓、干擾電壓。為了便于對(duì)信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，在采用ADC進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換之前，需要對(duì)濾除直流偏置電壓的傳感器輸出電壓信號(hào)進(jìn)行放大處理。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的前置放大電路具有高共模抑制特性，可以對(duì)信號(hào)中共模干擾電壓進(jìn)行有效抑制。設(shè)計(jì)的濾波電路壓縮了有效信號(hào)頻帶使其達(dá)到降低噪聲信號(hào)進(jìn)入量，提高目標(biāo)信號(hào)質(zhì)量的效果，同時(shí)盡可能放寬通頻帶則可以達(dá)到對(duì)微弱的高頻震動(dòng)信號(hào)盡可能多地采集的效果。結(jié)合實(shí)際采集信號(hào)和傳感器輸出信號(hào)的特點(diǎn)，選擇采用高、低通濾波組合方案設(shè)計(jì)系統(tǒng)濾波電路，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)干擾信號(hào)進(jìn)行衰減的要求，流程如圖4所示。

圖4 信號(hào)調(diào)理模塊流程圖

2.3 A/D 采樣模塊設(shè)計(jì)

STM32微控制器只能對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行接收與處理，因此傳感器檢測(cè)輸出的模擬信號(hào)必須進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，使震動(dòng)信號(hào)數(shù)字化。基于過(guò)采樣技術(shù)的24-bit∑-ΔADC在地震信號(hào)采集中廣泛使用[8]，因此系統(tǒng)選用了ADS1254進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)，模擬輸入信號(hào)首先經(jīng)Δ-Σ調(diào)制器進(jìn)行調(diào)制，然后經(jīng)Sinc5數(shù)字低通濾波器進(jìn)行濾波處理，最后將結(jié)果數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)串行接口輸出。基于ADS1254采樣芯片設(shè)計(jì)模數(shù)轉(zhuǎn)換電路如圖5所示。其中，通道CH1輸入的是震動(dòng)傳感器輸出進(jìn)過(guò)放大、濾波和調(diào)理后的采樣信號(hào)，通道CH2輸入的是數(shù)字檢波系統(tǒng)供電電壓，ADS1254采樣芯片每次只能啟動(dòng)一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換通道。同時(shí)，為了充分發(fā)揮ADS1254工作性能，保證采樣精度，采用10uF和100nF陶瓷貼片電容給芯片電源進(jìn)行濾波。

圖5 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

聲波式地下管道探測(cè)系統(tǒng)要完成地下管道震動(dòng)數(shù)據(jù)的采集，需要根據(jù)實(shí)際需求設(shè)計(jì)出一套采集系統(tǒng)，來(lái)完成對(duì)數(shù)字檢波系統(tǒng)的通信控制與遠(yuǎn)程管理，完成數(shù)據(jù)的采集、傳輸和回收存儲(chǔ)。管道探測(cè)系統(tǒng)軟件由上位機(jī)人機(jī)界面和下位機(jī)控制系統(tǒng)兩部分組成，分別完成上位機(jī)參數(shù)設(shè)定及數(shù)據(jù)管理和下位機(jī)測(cè)量操作。上位機(jī)軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是在Windows系統(tǒng)下以Labview作為軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)的程序設(shè)計(jì)，采用C語(yǔ)言進(jìn)行程序的編寫(xiě)。下位機(jī)以微控制器STM32F103RCT6為核心，利用C語(yǔ)言進(jìn)行編程，具體的開(kāi)發(fā)環(huán)境是MDK5集成開(kāi)發(fā)環(huán)境[9]。

3.1 下位機(jī)主程序設(shè)計(jì)

控制程序設(shè)計(jì)引用模塊化設(shè)計(jì)思想，依據(jù)功能將控制程序分別分離開(kāi)來(lái)，隨后通過(guò)模塊化編程手段進(jìn)行程序編寫(xiě)。這種模塊化編程方法提高軟件系統(tǒng)的可移植性、可擴(kuò)展性、穩(wěn)定性。利用上位機(jī)可以實(shí)現(xiàn)測(cè)量參數(shù)設(shè)定、數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)保存，從而能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端控制，方便操作。綜合考慮絕緣測(cè)量系統(tǒng)的各個(gè)功能，通過(guò)系統(tǒng)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)以下幾個(gè)功能：

1）配置I/O，實(shí)現(xiàn)主控芯片與AD采樣芯片進(jìn)行通信，完成聲波信號(hào)采集和數(shù)據(jù)讀取。

2）啟動(dòng)STM32內(nèi)部DAC模塊，控制其產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)正弦波信號(hào)。

3）I/O管腳分配，實(shí)現(xiàn)模擬電路開(kāi)關(guān)閉合。

4）采用SPI通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)AD測(cè)試信號(hào)的讀取。

5）測(cè)量監(jiān)控電源電壓和傳感器輸出電壓，檢測(cè)電源點(diǎn)亮和傳感器連接狀態(tài)。

6）實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的RS232通信功能，使上位機(jī)和下位機(jī)之間可以完成指令的收發(fā)。

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)過(guò)程中，將軟件部分分成系統(tǒng)初始化程序、電源監(jiān)控控制、定時(shí)器程序、傳感器監(jiān)控控制、信號(hào)采集程序、DA測(cè)試正弦信號(hào)產(chǎn)生控制、串口通信程序、Flash存儲(chǔ)器操作函數(shù)等模塊，再將這些模塊化程序整合成系統(tǒng)總體功能程序?qū)崿F(xiàn)絕緣測(cè)量系統(tǒng)的各個(gè)功能，下位機(jī)主程序流程圖如圖6所示。

圖6 下位機(jī)主程序流程圖

3.2 上位機(jī)軟件程序設(shè)計(jì)

根據(jù)管道探測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，在windows系統(tǒng)下基于虛擬儀器的軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)（Labview），采用G語(yǔ)言開(kāi)發(fā)管道探測(cè)系統(tǒng)顯示界面，上位機(jī)界面的整體功能方案如圖7所示。上位機(jī)主控程序采用Labview進(jìn)行設(shè)計(jì)，基于Labview平臺(tái)的G語(yǔ)言具有簡(jiǎn)單、穩(wěn)定、安全的特點(diǎn)，簡(jiǎn)化編程環(huán)境和操作難度，大大提高編程能力。該程序通過(guò)設(shè)計(jì)的串口與下位機(jī)數(shù)字檢波系統(tǒng)之間建立通信，實(shí)現(xiàn)指令的發(fā)送和數(shù)據(jù)接收，接收的數(shù)據(jù)可以進(jìn)行簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)處理后按照一定的格式進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，為后續(xù)的研究工作提供數(shù)據(jù)備份。

圖7 上位機(jī)程序框圖

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與試驗(yàn)測(cè)試

4.1 管道水平位置探測(cè)試驗(yàn)方案

聲波式地下管道探測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)控制板的實(shí)物與管道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)界面如圖8所示。

圖8 控制板實(shí)物圖與管道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)界面

實(shí)驗(yàn)時(shí)，首先需要施加振動(dòng)源給地下管道，引起管道震動(dòng)，振動(dòng)信號(hào)沿管道進(jìn)行傳輸時(shí)，管道上的振動(dòng)信號(hào)會(huì)向四周散射，在地面上可以使用振動(dòng)檢波系統(tǒng)檢測(cè)振動(dòng)信號(hào)，一般管道正上方振動(dòng)信號(hào)最強(qiáng)，因此可以將最強(qiáng)振動(dòng)信號(hào)位置標(biāo)定為管道水平位置。

采用聲波探測(cè)法對(duì)地下管道水平位置進(jìn)行探測(cè)，首先通過(guò)管道口位置大概判斷其基本敷設(shè)走向，然后確定下個(gè)測(cè)試大概位置，以垂直管道走向的平面設(shè)置探測(cè)點(diǎn)，為了保證探測(cè)點(diǎn)覆蓋管道實(shí)際位置，布置7個(gè)探測(cè)點(diǎn)（如圖9中A、B、C、D、E、F、G），最后通過(guò)分析找出最強(qiáng)震動(dòng)信號(hào)點(diǎn)設(shè)為管道位置（最強(qiáng)信號(hào)點(diǎn)位置必須是7探測(cè)點(diǎn)中間位置，并且探測(cè)7個(gè)探測(cè)點(diǎn)信號(hào)強(qiáng)度滿足中間強(qiáng)，兩邊弱的特點(diǎn)），然后通過(guò)現(xiàn)有探測(cè)結(jié)果大概預(yù)測(cè)下一個(gè)探測(cè)點(diǎn)位，重復(fù)以上步驟繼續(xù)探測(cè)。

圖9 聲波探測(cè)地下管道探測(cè)點(diǎn)位分布模型圖

4.2 實(shí)際試驗(yàn)分析

本次地下管道探測(cè)實(shí)驗(yàn)采用敷設(shè)深度約2m，管道周長(zhǎng)70cm的地下天然氣管道，為了防止損壞燃?xì)夤艿溃捎媚竟髑脫艄艿馈Ｓ捎谀竟鞔驌袅Χ扔邢蓿鸸艿勒駝?dòng)幅度很小，在大地耦合作用下，管到振動(dòng)信號(hào)傳播距離不會(huì)太遠(yuǎn)，因此本次實(shí)驗(yàn)分別探測(cè)5m和10m處管道振動(dòng)信號(hào)，并且給出5m振動(dòng)信號(hào)波形，如圖10所示。同時(shí)，此次實(shí)驗(yàn)通過(guò)木棒敲擊管道產(chǎn)生的振源是單次振源，所以數(shù)字檢波系統(tǒng)檢測(cè)到的信號(hào)也是單脈沖信號(hào)，而且檢波系統(tǒng)也會(huì)檢測(cè)到由于木棒敲擊引起的管道自振信號(hào)。

圖10

本次實(shí)驗(yàn)在距離人工振源5m處進(jìn)行探測(cè)，7個(gè)探測(cè)點(diǎn)成一條近似垂直于管道的直線，從圖中很容易發(fā)現(xiàn)第四個(gè)探測(cè)點(diǎn)振動(dòng)信號(hào)最強(qiáng)約為1.22V，并且兩側(cè)信號(hào)逐漸變小。

通過(guò)聲波信號(hào)圖讀出其信號(hào)峰值，依次為0.4V、0.6V、0.88V、1.22V、0.79V、0.5V、0.38V。管道5m處與10m處的7點(diǎn)震動(dòng)信號(hào)強(qiáng)度如圖11所示，可以發(fā)現(xiàn)D探測(cè)點(diǎn)震動(dòng)信號(hào)最強(qiáng)，因此可以認(rèn)為第四探測(cè)點(diǎn)位置即是所探測(cè)5m處地下管道的所在位置。采取同樣的方式對(duì)下管道10m處進(jìn)行探測(cè)并分析數(shù)據(jù)，最大震動(dòng)信號(hào)為0.16V，得到10m管道位置為D探測(cè)點(diǎn)位置。

圖11 管道5m處與10m處的7點(diǎn)震動(dòng)信號(hào)強(qiáng)度

在對(duì)管道5m和10m位置探測(cè)之后，根據(jù)實(shí)際管道敷設(shè)位置，對(duì)探測(cè)數(shù)據(jù)精度進(jìn)行分析，計(jì)算探測(cè)位置與實(shí)際位置之間誤差，10次5m和10m位置探測(cè)誤差如表1所示。由表可知：5m處水平探測(cè)位置誤差為3cm（管道半徑11.15cm），10m處水平探測(cè)位置誤差7cm，兩處探測(cè)誤差滿足探測(cè)需求。

表1 5m和10m位置探測(cè)點(diǎn)10次探測(cè)誤差

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)目前國(guó)內(nèi)地下管道探測(cè)設(shè)備發(fā)展較慢的情況方法下，本文對(duì)現(xiàn)有地下管道探測(cè)設(shè)備的探測(cè)方法和探測(cè)原理進(jìn)行研究分析，結(jié)合現(xiàn)有地下管道敷設(shè)現(xiàn)狀，提出一種基于STM32微處理器的聲波式管道探測(cè)儀的總體設(shè)計(jì)方案，完成了系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)制作與調(diào)試以及系統(tǒng)軟件的編寫(xiě)，其中信號(hào)采集系統(tǒng)采用集成設(shè)計(jì)，使震動(dòng)傳感器檢測(cè)到的模擬震動(dòng)信號(hào)在采集端實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換，減小模擬信號(hào)傳輸距離，增強(qiáng)信號(hào)的抗干擾能力，提高信號(hào)的信噪比和采集數(shù)據(jù)的可靠性，更好的還原地下管道的震動(dòng)信號(hào)。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試分析，管道探測(cè)系統(tǒng)工作穩(wěn)定，數(shù)據(jù)采集傳輸速度快，地下管道水平位置精度滿足工程探測(cè)要求。