供水管道泄漏信號數據采集系統設計

董翠英，呂宏麗

DONG Cui-ying, LV Hong-li

（唐山學院 信息工程系，唐山 063000）

0 引言

在我國的城市給水系統中，每年因管道泄漏而造成的浪費相當驚人[1]，亟待研究管道泄漏檢測定位儀器。而管道泄漏數據直接影響到到管道泄漏定位的準確性，所以管道泄漏數據信號采集非常重要。隨著現代信號處理技術的發展，互相關算法、神經網絡等信號處理方法應用于管道泄漏檢測定位。本設計是管道泄漏相關檢測定位中的管道泄漏信號數據采集系統。

1 管道泄漏相關檢測原理

圖1 相關檢測定位原理

相關檢測定位原理[2,3]如圖1所示，供水管道泄漏引起的泄漏信號以速度v向兩側傳播，傳感器1、2距離漏點位置分別為L1、L2，信號到達兩傳感器的時間差即時間延遲為D，兩傳感器之間的距離為L相關儀根據兩路信號的相似性找到相關函數的峰值點，即可確定時延D，從而確定漏點位置。漏點距離傳感器1的距離L1為：

2 系統總的設計方案

漏水聲波在通過土壤向地面傳播過程中，聲波的能量衰減，在地面可聽到的漏水聲的頻率范圍一般在100Hz-700Hz，而金屬管材中形成的漏水聲頻率范圍為500Hz-3500Hz[4]，，所以管道泄漏數據采集時，采用測量振動信號的加速度傳感器。相關檢測定位原理如圖1，需要同時進行兩路信號數據采集。

由于此時采集的漏水信號比較微弱且含有一定的噪聲信號，需通過信號調理，經AD芯片進行模數，由單片機完成數字信號的存儲器存儲，實現信號的采集；由于傳感器的安放位置有一定的距離，采用RS-485總線完成數據傳輸、主控單片機實現存儲；為了保證系統的實時性，由DSP芯片來完成濾波、相關等復雜算法信號處理過程，故需要RS-485完成與DSP的數據通信。總體設計方案框圖如圖2所示。

圖2 數據采集系統設計方案

2.1 信號調理模塊設計

2.1.1 放大電路設計

泄漏信號采集中，由于信號動態范圍較大，泄漏情況不同，信號幅度相差很大，即使同一次采集，信號幅度受外界環境影響，也可能出現較大變化。采用固定增益放大器，容易出現信號放大不足或放大飽和的情況，故需采用增益可調的放大器，動態增益為0-32dB。文中采用NE5532低噪聲運算放大器，電路如圖3所示，調節電阻R4可以改變放大倍數，利用Multisim仿真軟件得其頻率如圖4所示。

圖3 NE5532放大電路

圖4 放大電路的頻率特性圖

2.1.2 濾波電路設計

泄漏信號的高頻成分截止到3500Hz，而噪聲的頻帶就寬得多，故需要設計低通濾波器抑制有用信號帶外噪聲。橢圓濾波器（Elliptic filter），是在通帶和阻帶內具有等波紋的一種濾波器，在階數相同的條件下比其他類型的濾波器有著最小的通帶和阻帶波動。所以，文中采用凌力爾特公司生產的LTC1068開關電容濾波器，設計橢圓型的濾波器的截止頻率為3500Hz，通帶增益為0dB，電路原理圖如圖5所示。使用凌力爾特專用的FliterCAD濾波器設計軟件得到的頻率特性圖如圖6所示。

圖5 濾波器電路圖

圖6 濾波器頻率特性

2.2 AD電路設計

由傳感器輸出的管道泄漏信號，經放大濾波處理之后，幅度已經調整到合適的范圍了。為了提高系統的精確度，文中采用16bit的AD芯片ADS7825。ADS7825是Burr-Brown 公司生產的4通道16位CMOS A/D轉換器，精度高，轉換速率快。本設計采用ADS7825的并行輸出方式，在A/D轉換之后，分別把高8位和低8位送到單片機P1口。

2.3 存儲

由于單片機的內部RAM只有256字節，不能滿足系統的要求，因此需要擴展外部的RAM。本設計選用直插型62256（32K×8位），它具有容量大、功耗低、價格便宜、集成度高、速度快、設計和使用方便等特點[5]。

2.4 數據傳輸設計

RS-232通信方式較適合點對點的短距離數據通信[6]，而相關檢測要求同時傳輸兩傳感器采集的信號，且距離較遠，因此采用RS-485通信方式。芯片的1和4腳分別于單片機的RXD和TXD連接，單片機的P3.3通過一反相器控制MAX485的接受與發送，芯片的6和7腳位平衡輸出端，兩引腳的電平相反。

2.5 電源電路設計

數據采集系統的工程現場不方便甚至無法使用交流電源，只能選用電池作為電源。出于便攜方面和易于購買的考慮，文中選用的總電源為無汞堿性9V電池，為使系統正常工作，需將電池電壓進行電平轉換，轉換電路的輸出需滿足各功能模塊對電源的要求。為了提高系統的穩定性，選用穩定性高、波紋小、可靠性高的線性穩壓模塊LM7805和LM7905，把輸入的正負9V電壓轉為正負5V作為系統電源。

3 數據采集系統軟件設計

兩路的單片機上電初始化后，都開啟RS-485處于接收狀態等待主控單片機的指令，接收到采集數據的指令后，同時開啟AD采集泄漏管道上的振動信號，并完成數據存儲。采集、存儲完成后，在主控單片機的控制下通過RS-485進行數據傳輸，數據采集系統軟件流程如圖7所示。

圖7 數據采集系統程序流程圖

4 結果與分析

利用信號發生器來模擬管道泄漏信號，峰峰值500mV頻率1000Hz，圖8表示信號調理模塊信號輸入輸出波形，示波器的CH2即圖中下行波形是輸入信號，示波器CH1即圖中上行波形表示輸出信號波形，由圖可知其峰峰值為4V，則實際放大倍數為8倍。對該模擬信號進行采集及傳輸，最終將數據傳送給DSP。利用CCS軟件觀察DSP接收到的數據波形如圖9所示，驗證了信號采集的正確性。文中設計的泄漏信號采集系統具有低噪聲、低功耗，可提高采集信號的信噪比，適應泄漏檢測的戶外作業環境，是供水管道泄漏檢測定位儀系統中非常重要的組成部分，可稍加改動應用于多種管道如石油管道、天然氣管道等泄漏檢測中，具有廣闊市場前景。

圖8 信號調理模塊輸入輸出波形

圖9 DSP接收到數據采集波形

[1]錢易,劉昌明.中國城市水資源可持續開發利用[M].北京：中國水利水電出版社,2002：4-7.

[2]M.J.Brennan,Y.Gao,P.F.Joseph On the relationship between time and frequency domain methods in time delay estimation for leak detection in water distribution pipes[J].Journal of Sound and Vibtation,304(2007)：213-223.

[3]Y.Gao,M.J.Brennan,P.F.Joseph et al. On the selection of acoustic/vibration sensors for leak detection in plastic water pipes[J].Journal of Sound and Vibtation,283(2005)927-941.

[4]石燕嵩.供水管道泄漏檢測信號采集系統研究[D].重慶：重慶大學,2007.

[5]邊海龍,孫永奎.單片機開發與典型工程項目實例詳解[M].北京：電子電子工業出版社,2008，

[6]張燕紅,鄭仲橋.基于單片機AT89C52的數據采集系統[J].化工自動化及儀表,2010,37(3)：110-112.