基于USB存儲技術的管道定位數據采集系統

李 偉 劉齊飛 馬景蘭 萬京生

(北京石油化工學院電氣工程系)

作為國家重要能源產業，石油和天然氣主要通過管道來運輸，因此，提高管道使用壽命和安全可靠性，確保管道的安全運行，已經成為世界各國普遍關注的問題。為了預防管道泄漏事故，廣泛地使用管道機器人技術定期對管道進行缺陷檢測[1，2]。通過對使用年限長、接近檢測周期或事故多發期的在役管道進行無損檢測，可掌握管內受損部位與腐蝕程度，并依據有關安全規范，對具有嚴重缺陷的管道予以及時維修，從而避免泄漏事故的發生，延長管道的使用壽命。因此，管道檢測是保護管道安全的一種既經濟又有效的方法。

管道智能檢測的目的就是要檢測管道的受損狀況，及時發現隱患，確保在役管道的安全運行。檢測裝置中的定位系統主要用來確定管道受損位置，使檢測裝置系統進入管道后，具有準確識別受損部位的能力。因此，定位系統設計是檢測系統的重要環節之一。

管道定位方法一般有內定位和外定位兩種：內定位是指檢測裝置自身設置定位標記，它可通過里程輪來實現；外定位是指在被測管道所經過的地段，按一定間隔設置定位系統，接收器接收定位用低頻電磁波信號，從而確定每一特征點的相對位置。目前，管道智能檢測一般采用內、外定位相結合的方式進行檢測定位。此外，檢測裝置在管道的行進過程中可能會發生偏轉，從而影響定位精度，因此定位系統還需對裝置轉角進行測量，從而對里程輪內定位數據進行修正，以提高定位效果。

1 管道定位數據采集系統方案簡介

管道定位數據采集系統是管道無損檢測系統中的重要組成部分。利用超聲檢測或漏磁檢測方法對管道巡檢完畢后，通過對檢測數據進行離線分析，輔以管道定位數據，即可準確找出產生嚴重缺陷的管道位置，便于對管道進行維護和搶修。

由于通用串行總線(Universal Serial Bus，USB)接口具有傳輸速率高、安裝方便及易于擴展等優點，已逐漸成為現代數據傳輸的發展趨勢之一[3，4]。基于USB存儲技術的管道定位數據采集系統如圖1所示，該系統主要完成管道內定位、管道外定位和大容量數據存儲功能。

圖1 基于USB技術的管道定位數據采集系統組成

超低頻電磁波信號經信號接收與調理電路后送往PIC單片機的AD模塊進行測量，實現裝置的外定位功能。編碼器用于測量裝置轉角，經鑒相電路后得到單片機可以識別的正、反裝信號送入單片機進行計數處理，對定位數據進行矯正。里程輪則用于測量裝置的行走里程，實現裝置內定位功能，里程輪中霍爾傳感器輸出信號經簡單濾波電路處理后送往單片機。為實現采集數據的大容量存儲，用單片機自帶的USB模塊連接USB存儲設備，完成存儲功能。LCD和LED顯示模塊用來在實驗過程中進行必要的狀態顯示。

2 系統硬件組成

系統硬件由磁場信號檢測電路、編碼器鑒相電路、霍爾傳感器信號檢測電路、LCD顯示、LED狀態指示電路及USB存儲設備連接電路等組成。

2.1 磁場信號檢測

磁場信號檢測電路用來實現檢測裝置的外定位功能。除了可配合內定位功能對定位數據進行修正以減少累計誤差外，也可使地面操作人員確定檢測裝置在管道中的行進位置，便于在裝置出現故障時迅速將其取出。具體實施方法為：在地面上沿管道行進方向每隔若干米放置超低頻(一般取22Hz)電磁波信號發射器，在檢測過程中，由檢測裝置內置的天線接收地面發射器發射過來的信號。由于信號要穿過土壤和管道金屬層，故接收天線上的接收信號比較微弱，通常為毫伏數量級，因此，在送入微處理器進行A/D采樣之前，需要通過儀表放大器AD620構成的放大電路進行兩級放大，再轉換成微處理器可以接收的電壓信號后進行A/D采樣。此外，由于空間上存在50Hz的電磁場，所以接收天線接收到電磁場信號后還需進行陷波處理，以濾除工頻干擾信號。具體實現電路如圖2所示。

圖2 磁場信號檢測電路

2.2 編碼器鑒相模塊

由于實際的埋地管道是焊接而成的，且為螺線式焊縫，檢測裝置在管道中行進時不可避免地會發生偏轉，導致由里程輪計數反映出的檢測裝置行進距離出現偏差。為了提高內定位精度，有必要對內定位進行修正，因此需要對裝置旋轉角度進行測量。

系統中采用E6B2-CWZ6C增量型旋轉編碼器測量偏轉角度，該編碼器旋轉一周可以產生2 000個脈沖信號。使用時，將旋轉編碼器安裝在裝置軸向位置，并在編碼器軸伸出端固定一擺動塊，保證檢測裝置發生偏轉時，擺動塊始終豎直向下。編碼器輸出信號經鑒相電路后送往單片機外部中斷口進行正、反兩向的計數，根據計數值可得到偏轉角度。該部分硬件電路如圖3所示，OUTA和OUTB分別為編碼器的A、B相輸出信號。正轉時OUTA超前OUTB 1/4周期，D觸發器的輸出Q0為0，將與非門U5D封鎖，其輸出DownCnt始終為高電平，此時U5C打開，dsPIC30F6012A對UpCnt計數；反轉時OUTA滯后OUTB 1/4周期，與非門U5C封鎖，UpCnt始終為高電平，與非門U5D打開，單片機對計數脈沖DownCnt計數。

圖3 編碼器鑒相電路

2.3 霍爾傳感器信號檢測

系統采用在里程輪上安裝霍爾傳感器的方法實現里程測量。檢測裝置在行進過程中，沿里程輪圓周方向固定的多個永久磁鐵會不斷對安裝在輪轂上的霍爾傳感器產生磁場作用，從而使霍爾傳感器輸出脈沖信號。單片機通過對該脈沖進行計數，即可測量出裝置的行走里程。

由于里程輪在行進過程中會出現打滑現象。為了避免單個里程輪打滑而使測量結果出現較大誤差的情況并提高系統的定位精度，系統對3個里程輪進行測量計數，同時在軟件中實時對3個里程輪計數進行判斷，及時剔除掉由于打滑而引起的錯誤計數。

2.4 USB存儲模塊

檢測裝置中定位系統數據采集部分需要采集3種數據信號：磁場信號、里程信號和偏轉角度信號。由于系統中發射器發射的磁場信號為22Hz，為了真實地還原接收到的磁場信號，采樣頻率取500Hz。結合檢測裝置在管道中的實際行進速度，并考慮裝置在檢測過程中的運行時間，經計算，采用8GByte的USB存儲設備可以充分滿足系統的數據存儲要求。

USB存儲模塊電路如圖4所示。由于選用的16位微處理器PIC24FJ256GB106本身自帶USB接口，因此，無需采用外部接口電路即可很方便地實現USB數據通信，簡化了系統的硬件設計。本設計中USB模塊工作在主機模式，由于單片機以低于VBUS 的電壓運行，而且無法提供足夠的電流，因此必須提供單獨的電源。此外，在總線上串聯PTC熱敏保險絲限制總線上的供電電流。

圖4 USB存儲模塊電路

在實驗過程中，檢測完畢后，為了將USB存儲設備中的數據方便地取出(無須拆開檢測裝置)，從而對數據進行離線分析，系統提供了兩個USB接口，其中一路直接接USB存儲設備，另一路則通過USB轉接線引出到檢測裝置之外，在檢測結束以后，可以將USB存儲設備與微處理器的連接斷開，使其通過轉接線與PC機相連，從而快速且方便地將存儲在USB設備中的數據傳至PC機。

系統采用帶USB功能的16位閃存單片機PIC24FJ256GB106實現定位數據采集，此單片機還具有引腳復用功能，即通過軟件配置可以讓大部分普通IO口實現外設功能，使硬件設計更加簡便。

3 系統軟件

系統軟件部分的主要功能為磁場信號的AD采樣、里程輪計數的實時采集與軟件矯正、數據的USB存儲功能的實現。控制系統軟件包括主程序和中斷服務程序兩部分：主程序主要由系統初始化、數據存儲控制、里程輪計數的實時矯正以及LCD和LED狀態顯示等程序組成；中斷程序則主要實現磁場信號AD采樣、外部中斷進行里程輪和編碼器計數及定時中斷控制數據緩存等功能。筆者主要就實現USB數據存儲功能做簡單介紹。

定位系統數據采集部分除了要存儲磁場數據、里程數據和轉角數據以外，為了與檢測系統中采集到的反應管道壁厚的數據進行融合，還需要存儲時間信息。因此，定義USB存儲數據格式見表1。

表1 USB數據存儲格式定義

在系統實際工作過程中，需要實時采集相關定位數據信息，并將其通過USB數據傳輸到USB存儲設備中。如果每次獲得測量數據后立即將其存放到U盤中，需要頻繁對U盤中的文件進行操作，尤其是在需要進一步提高采樣頻率時，不利于提高工作存儲效率。為此，可定義兩個512Byte的數組，其中一個數組用于實時存儲采集數據；而另一個數組則用于將數據傳輸到USB存儲設備中。程序通過定時器控制切換兩個數組的功能，保證數據總是可以實時存放于其中一個數組，且能完成將另一個數組中采集的數據定時、批量地傳輸給USB存儲設備。

4 實驗結果分析

采用筆者設計的定位數據采集系統在實驗室的模擬管道中進行了若干次實驗。實驗過程中，將發射天線放置于管道外2.5m處，驅動電機以1m/s的速度驅動檢測裝置在管道內行進。實驗結束后用USB轉接線將實驗數據取出，在PC機上用軟件進行離線分析。圖5為部分外定位實驗數據結果，該波形為未經軟件濾波處理的原始磁場信號波形。可以看出：采集到的磁場信號呈典型的雙峰分布，與理論計算的磁偶極子在空間上的磁場分布完全吻合[5～7]。根據該波形解析出的外定位點與實際的外定位點之間的誤差僅為0.1m，滿足系統外定位要求。

圖5 部分外定位實驗結果

5 結束語

基于USB存儲技術設計的定位數據采集系統，利用PIC24FJ256系列單片機豐富的外部中斷、高分辨率的AD采樣模塊和實用的外設引腳選擇功能，實現了磁場、里程和轉角數據的采樣；并利用其自帶的USB模塊、簡化了系統硬件設計，實現了采樣數據的有效存儲。實驗結果表明：該采集系統的采樣頻率可達500Hz、定位精度可達0.1m，存儲方案完全滿足檢測裝置大容量數據存儲的要求。該定位數據采集系統具有采樣頻率快、定位精度高、系統硬件設計簡單的特點，可廣泛應用于管道檢測系統中。

[1] Moraleda J. A Robotic System for Internal Inspect Ion of Water Pipelines[J].IEEE Robotics & Automation Magazine，1999，3(6)：30～41 .

[2] 李忠虎，郭卓芳.供水管道泄漏檢測與定位技術應用研究[J].化工自動化及儀表，2011，38(4)：388～391.

[3] 肖潮瓊.嵌入式USB主機系統研究與實現[D].上海：華東師范大學，2004.

[4] 高鑫.嵌入式USB主機系統的設計研究[D].合肥：合肥工業大學，2005.

[5] 陳聰.運動磁偶極子感應電場的理論和試驗研究[J].華中科技大學學報，2010，38(10)：116～118.

[6] 任來平，趙俊生，侯世喜.磁偶極子磁場空間分布模式[J].海洋測繪，2002，22(2)：20～23.

[7] 唐勁飛，龔沈光，王金根.磁偶極子模型下目標定位和參數估計的兩種新方法[J].電子學報，2003，31(1)：154～157.