凍土區(qū)斜坡穩(wěn)定性安全監(jiān)測系統(tǒng)的結構設計

趙巧絨 權宏偉

【摘要】不穩(wěn)定斜坡是凍土區(qū)管道面臨的巨大威脅，極有可能造成斜坡底部管道發(fā)生屈曲褶皺變形，因此急需結合實際情況應用合適技術對大型斜坡進行監(jiān)測。論文根據所測當地凍土區(qū)實際情況，從高精度、低功耗、數據無線傳輸三方面出發(fā)，討論了凍土區(qū)斜坡穩(wěn)定性安全監(jiān)測系統(tǒng)的結構設計方法。包括系統(tǒng)各功能模塊結構設計，主控板電路設計及主控板及采集模塊的PCB板設計。

【關鍵詞】監(jiān)測系統(tǒng);主控板;結構設計;數據采集

1.引言

在原油輸送過程中，管道經由多年凍土區(qū)，輸油管道中原油溫度會影響管道周圍多年凍土區(qū)土壤的溫度場，引起復雜的地質災害問題，如凍脹、融沉、水土流失、邊坡失穩(wěn)等，對管道安全造成威脅，嚴重影響原油的運輸。其中，不穩(wěn)定斜坡是凍土區(qū)管道面臨的最大威脅，極有可能造成斜坡底部管道發(fā)生屈曲褶皺變形。論文通過對凍土區(qū)斜坡失穩(wěn)機理、形成過程及斜坡監(jiān)測技術的分析，討論了凍土區(qū)斜坡穩(wěn)定性安全監(jiān)測系統(tǒng)的結構設計。

管道的較大形變容易引起管道的斷裂和泄露，同時由于凍土層微小的溫度都會影響到石油管道的安全傳輸，所以要求監(jiān)測系統(tǒng)具有±0.2℃的溫度測試精度，并具有長期穩(wěn)定性。在選擇元器件時不僅要求各個器件達到所需精度，還要分析元器件組合的總精度。另外，由于監(jiān)測儀器是在野外安裝使用，環(huán)境比較復雜，而溫度對于系統(tǒng)的工作又有很大的影響，元器件的工作溫度范圍需在-50℃～+50℃之間。但大多數元器件工作溫度在低于零下25度以上，所以需要對系統(tǒng)板進行保溫處理。保溫處理雖能在一定時間內保證器件正常工作，但為了滿足系統(tǒng)低功耗及工作長期穩(wěn)定性，在選擇元器件時，需選擇溫度范圍較寬且溫度較低也能正常工作的器件。

2.系統(tǒng)各功能模塊結構設計

2.1 主控板結構設計

在滿足低功耗、高精度及高低溫適應的原則下，主控芯片選用Atmel公司ATmega128L芯片，時鐘芯片選用美國DALLAS公司推出的性能比較高的DS1302，數字溫度傳感器選較常用的DS18B20，存儲芯片選用Atmel公司推出的大容量串行數據Flash存儲器AT45db161，繼電器選擇常用的電流為5A小型MY2NJ。其各芯片布置如圖1所示，在主控板預留LCD1602的接口，在調試結束后可拔掉顯示屏以降低功耗。整個主控板模塊中DS1302確定數據的定時發(fā)送，AT45db161芯片將各個溫度傳感器收集的信息進行存儲。ATmega128L具有兩個可編程的串行UART，ATmega128L通過其中一個串行UART，以尋址的方式與數據采集模塊中的AT89C51進行通信，控制多個數據采集模塊中的一個進行溫度采集。另一個串行UART與GSM模塊進行通信，將采集的數據以短信形式發(fā)送至目標SIM卡。由于野外無供電條件，電源由12V的蓄電池及太陽能電池板構成，為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的直流電壓。

2.2 數據采集模塊結構設計

數據采集模塊在選用各芯片時，同樣滿足以上所述的芯片選用原則。主控芯片選擇性能及價位比較合適的由美國STC公司推出的52內核單片機，A/D轉換芯片選擇具有4通道單獨輸入的ADS8341。采集模塊各芯片布置如圖2所示。由于系統(tǒng)需要測量30個點的溫度，既需要40個溫度傳感器。一個ADS8341有4個通道，能夠連接4個溫度傳感器，圖2中包含3個ADS8341，能夠連接12個溫度傳感器。所以，在整個數據采集部分，要完成數據的正確采集需要有4個同類型的采集模塊。

圖1 主控板框圖

圖2 數據采集模塊框圖

2.3 數據遠程通信系統(tǒng)設計

數據遠程通信系統(tǒng)主要由GSM通信模塊、上位機系統(tǒng)、下位機系統(tǒng)等組成，如圖3所示。下位機系統(tǒng)將數據信息通過GSM模塊1以短信方式發(fā)出，經過全球無線移動通信網絡（GSM網絡）將數據發(fā)送給GSM模塊2。上位機軟件將短信從GSM模塊2中讀取，并進行計算、分析及顯示。當需要對下位機系統(tǒng)進行設定時，上位機軟件通過GSM模塊2以短信形式將命令發(fā)出，經過全球無線移動通信網絡將命令發(fā)送給GSM模塊1，下位機系統(tǒng)通過GSM通信模塊1接收來自上位機的命令。

圖3 數據遠程通信系統(tǒng)框圖

3.主控板電路設計

根據上面所確定的主控板系統(tǒng)結構，對主控板硬件電路進行設計。主控芯片ATmega128L是一款基于AVR RISC結構的低功耗CMOS8位微控制器。具有片內128KB的程序存儲器（Flash）、4KB的數據存儲器（SRAM）和4KB的EEPROM，有8個10位ADC通道、2個8位和2個16位硬件定時/計數器、8個PWM通道。與ATmega128A相比，ATmega128L具有較寬的供電電壓（2.7～5.0V），實際應用中，可選擇3.3V的供電電壓以降低系統(tǒng)功耗。

ATmega128L的時鐘源可以選取外部晶體振蕩器、外部RC振蕩器、內部RC振蕩器等方式。其時鐘源的選擇可通過JTAG編程、ISP編程等方式對ATmega128L的內部熔絲位來設定。為了降低系統(tǒng)主控板與采集板數據通信中的誤碼率，ATmega128L的晶體振蕩器頻率選用7.3728MHz，以產生精準的9600bps波特率。

4.主控板及采集模塊的PCB板設計

PCB板設計的成敗直接決定了系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性和可靠性，在設計PCB板時，需要考慮其電磁兼容性和散熱性。由于本系統(tǒng)所處的環(huán)境溫度較低，PCB板上元器件的發(fā)熱為有利因素，因此在設計PCB板時僅考慮其電磁兼容性。本系統(tǒng)的主控板和采集板采用了分離設計，因此各PCB基板上的元器件較少，為減低系統(tǒng)制作成本，選用常用的雙層板設計。系統(tǒng)PCB板實物圖如圖4所示，采集板通過4個插接槽與主控板相連。

圖4 系統(tǒng)實物圖

5.結論

通過對系統(tǒng)硬件需求分析，對系統(tǒng)的主控板模塊及采集模塊進行設計，同時對各個模塊中所需的元器件按系統(tǒng)所需性能及低功耗要求進行選擇，并對各個元器件功能、參數進行介紹。在硬件設計中不僅對各個元器件的電路連接進行詳細設計，同時考慮到供電問題，并對各模塊電源供電進行詳細設計，最后根據使用性將設計電路出PCB板。

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