基于DSP天然氣管道閥門遠程自動控制裝置設計

楊彬彬　周新山

摘 要：通過對遠程傳輸的天然氣管道閥門的自動控制裝置設計，實現了對天然氣管道的遠程自動監測和操控，同時提出了一種基于ZigBee技術和TMS320VC5509A DSP集成芯片的天然氣管道閥門遠程自動控制裝置的設計方法。該控制系統主要包括傳感器模塊、時鐘電路模塊、數據通信模塊、管道壓力數據處理模塊、供電模塊、程序加載模塊和ARM主控模塊等，通過系統的硬件電路設計，可使得裝置儀的輸出端具有穩定的控制輸出。實驗結果表明，該控制裝置進行天然氣管道閥門遠程自動控制的可靠性和穩定性較好，應用價值較高。

關鍵詞：天然氣管道；DSP；自動控制；儀器儀表

中圖分類號：TP216 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2015）12-00-03

0 引 言

天然氣管道是整個西氣東輸工程的主要載體，通過天然氣管道網絡將天然氣（包括油田生產的伴生氣）從開采地輸送到目的地，實現天然氣的運輸和使用，天然氣管道是輸送天然氣的唯一方式。該管道采用的是X100和X120管道鋼，其強度、韌性和可焊性較高，在天然氣管道網絡的設計中，由大量的管道閥門控制天然氣的傳輸和開關，由于輸氣管道系統是個連續密閉的輸送系統，通過開關閥門控制天然氣的進氣吞吐量，需要對天然氣管道閥門進行遠程自動控制，提高對整個管網的智能監測和控制水平，研究天然氣管道閥門的遠程自動控制方法具有重要意義[1]。

隨著集成芯片制造技術的進步和發展，以及現代科學技術革新的需求，大量的儀器儀表、控制系統、D/A和A/D 轉化器都需要采用DSP進行設計，實現數據采集和數據高速處理與控制。DSP具有處理速度快、實時性強、同步精度高和采樣精度與速度性能較好等優點，成為廣大電子與控制儀器設備設計者的首選[2]。對此，本文提出一種基于ZigBee技術和TMS320VC5509A DSP集成主動控制的天然氣管道閥門遠程自動控制裝置設計方法。首先進行了系統的總體設計，然后進行系統的模塊化電路設計，最后通過仿真實驗進行了性能測試，展示了本文控制系統的優越性能。

1 系統總體設計及指標描述

在物聯網環境下構建遠程控制系統，采用ZigBee技術對天然氣管道閥門進行遠程控制，結合ZigBee和GPRS 通信技術對天然氣管網進行智能監測控制，實現遠程作業和智能控制，為了構建這一系統，首先進行系統的總體模塊設計[3]。天然氣管道閥門遠程控制系統主要分為無線傳感器網絡的數據采集模塊，即傳感器模塊、時鐘電路模塊、數據通信模塊、ZigBee管道壓力數據處理模塊、供電模塊、程序加載模塊和ARM主控模塊以及人機交互的液晶顯示模塊等[4]。系統的模塊化設計結構構造如圖1所示。

圖1中，天然氣管道閥門遠程控制的DSP信息處理模塊作為整個管道的物聯網監控的核心單元，主要是進行天然氣管道閥門遠程控制系統的信息采集和數據感知，如獲得管道中天然氣的壓力、流量等信息數據，獲得控制系統需要的原始信息，并作為閥門開關遠程控制系統的數據輸入，提供主控的DSP信息處理單元進行遠程控制和指令執行。選用TI 公司生產的MS320VC5509A作為主控電路模塊的集成DSP芯片，集成控制電路提供E2PROM、SDRAM，主機接口（EHPI），I2C總線傳感器通過敏感元件和換能器實現信號的采集，天然氣管道閥門遠程控制系統的控制中心單元是系統的中樞神經，ADC將模擬信號轉換成DSP可以處理的并行數據，本文采用DSP邏輯編程控制ARM主控單元，經過處理的數字信號經DAC轉換，采用收發轉換電路進行控制信號基陣的預處理，設計ADC和抗鏡像濾波器，在模擬信號預處理機的輸出端進行信號調制，采用信道均衡算法進行時鐘發生器設計[5]。在上述進行了系統總體設計的基礎上，進行系統的功能分析和指標描述。

本文采用Aeroflex公司發布的3280系列高端邏輯芯片控制器作為天然氣管道閥門遠程自動控制系統的核心處理器，該核心處理器的容量為64 MB，CPU采用三星S3C2440，3281的頻率范圍為3 Hz～3 GHz，天然氣管道閥門遠程自動控制系統采用220 V供電。在ZigBee下的物聯網監控平臺中，整個天然氣管道閥門遠程自動控制系統包括信號調理電路、數據采集電路和濾波電路系統供電模塊、DC-DC電源轉換模塊，天然氣管道閥門遠程自動控制系統抗干擾濾波的通帶截至頻率ωP需要2M+2個存儲單元來存儲天然氣管道閥門的分散控制信息：{x（n-m），m=0，1，…，M}和{y（n-m），m=0，1，…，M}，天然氣管道閥門的底層模塊中的抗干擾濾波函數為：

結合圖2進行濾波模塊的電路設計，再通過應用程序bootloader讀取A/D采樣值，可實現前置放大濾波控制功能和整流輸出功能的要求。

2 遠程自動控制裝置的模塊化電路設計與實現

在進行了系統總體結構設計和性能指標分析的基礎上，即可進行天然氣管道閥門遠程自動控制裝置的功能化模塊的硬件電路設計。在天然氣管道閥門遠程自動控制系統硬件中，除主要控制部件（MCU、DSP、EMPU、SOC）外，還包括LM1117-33功率輸出增益抑制模塊。通過存儲器分配測量電流的準確值，采用了兩線制的共模抑制方法，用外部電源給整個系統供+5 V和±12 V的電壓，外接恒定的4 mA電流源，通過電容濾波網絡來對電源進行濾波，得到放大器電源的電流為3.3 mA。電源芯片選用TPS767HD301，基于TPS767HD3XX系列電源芯片為天然氣閥門遠程自動控制裝置的DSP提供1.5 V～1.6 V的可調電壓，得到輸出電壓方程為：

圖3中，通過I/O接口（D/A、A/D、I/O口等）可進行信號調理，并進行PCI橋接實現控制系統與PC機的A/D采樣。采用ADUM1201和PCA82C250接收遠程控制指令，其中，天然氣管道閥門遠程控制的DSP邏輯編程控制和DSP信號處理器是遠程控制系統的數據處理中心，負責與控制終端進行上位機通信。考慮天然氣管道閥門控制系統的非線性特性和不確定性，天然氣管道閥門的遠程控制系統要求通過CAN（Controller Area Network）總線實時上傳控制信號執行指令，通過上述控制程序設計，進行程序加載，設計程序加載電路，程序加載電路和主控電路采用AT25HP512作為從機，在動態增益控制模塊中放置6個1 nF的高頻旁路電容、2個10 nF電容以及4個0.1 uF電容。對天然氣管道閥門遠程自動控制包括對控制系統的數據采集、控制誤差測量、遠程中斷控制，遠程控制的中斷程序包括外設中斷和內核中斷，通過對天然氣管道中的壓力數據和流量數據進行采集，實現閥門遠程中斷I/O操作，通過上述設計，實現對整個基于ZigBee技術和TMS320VC5509A DSP集成芯片的天然氣管道閥門遠程自動控制裝置設計，硬件電路如圖4所示。

3 仿真實驗及系統測試

為了測試本文設計的天然氣管道閥門遠程自動控制裝置在進行遠程控制和自動開關中斷中的性能，進行系統測試和仿真實驗。使用Agilent 33220A 函數信號發生器，輸入天然氣管道閥門遠程自動控制信號為30 mV峰峰值的正弦波，頻率范圍 15 Hz～234 kHz，實驗中，采用PHLIPS的PCA82C250作為CAN總線驅動器，運放供電為+12 V和-12 V，主控模塊通過一個5 Ω電阻與CAN總線相連，通過Agilent 混合示波器進行控制信息人工交互，通過上述仿真環境和實驗方法描述，采用本文設計的天然氣管道閥門遠程自動控制裝置進行管道閥門的遠程自動控制，采用Matlab編程進行算法設計，然后采用SPI E2PROM進行程序加載，加載程序為：

從圖5可見，采用本文方法進行天然氣管道閥門遠程自動控制裝置設計，能有效實現對天然氣管道中壓力數據和流量數據的采集，實現天然氣管道閥門遠程自動控制和開關操作，從而提高了天然氣管網的監測和自動控制能力。

4 結 語

為了提高對天然氣管道的遠程控制和管理能力，基于ZigBee技術和DSP技術，設計了一款改進的天然氣管道閥門遠程自動控制裝置，進行了系統的傳感器模塊供電模塊、程序加載模塊和ARM主控模塊等功能模塊的電路設計和集成實現，結果表明，采用本文設計的自動控制裝置進行天然氣管道閥門遠程自動控制，系統的穩定性和可靠性較好，具有較好的應用價值。

參考文獻

[1]周勇，甘新年，胡光波，等.魚雷制導控制系統多通道控制加權算法設計[J].現代電子技術，2014，37（19）：14-17.

[2]羅澤峰，單廣超.基于網絡和虛擬多媒體技術的海戰平臺視景仿真實現[J].物聯網技術，2015，5（3）：91-92，94.

[3]曾愛林.基于Android的心電實時監護系統設計與實現[J].計算機測量與控制，2013，21（11）： 2997-3000.

[4]段奇智，袁勇，張毅，等.天然氣管道遠程聲通信接收機系統設計方法研究[J].計算機與數字工程，2013，41（11）： 1825-1829.

[5]張霖， 歐林林， 俞立.執行能力有限的兩差動輪機器人目標跟蹤控制器[J].信息與控制，2015，44（2）： 152-158.