埋地非金屬管道定位儀的設計

(1.長沙學院 電子信息與電氣工程學院，長沙 410022；2.湖南普奇水環境研究院有限公司，長沙 410201)

0 引言

隨著城市化建設的普及，國內相繼在供水、排水和天然氣輸送管網中鋪設越來越多聚乙烯材質制成的塑料管(簡稱PE管)。

PE管具有耐磨、耐腐蝕、質輕、流體流動阻力小、使用壽命長、安裝方便等許多優點。但PE管材為惰性材質，不導電、不導磁，埋地敷設后，很難精準探測其位置及埋深[1]。目前對于金屬管道已經有比較成熟的探測技術[2]。但是對于PE等非金屬材質管道的探測技術，均具有一定的局限性。如：探地雷達定位法，只適用于管徑較大，埋設較淺，地面平坦的管道，易受地質條件、周圍環境影響，不適用于管網密集、管道類型復雜地區[3]；超聲定位法，容易受管道周圍交通狀況、 道路施工其他聲源等外加聲場影響，水平、垂直精度和檢出率較低[3]；示蹤導線法、地面標識法，雖然方法簡單實用，但需要在管道施工時鋪設輔助設施，不適用于運行期的非金屬管道[4-5]。

近年來，在役埋地管道穿孔、泄漏等事故時有發生。管網日常維護、搶險和城市建設施工過程中的開挖現象越來越普遍，由于難以確定地下非金屬管道的具體位置，無法完全避免施工開挖造成挖斷、挖漏等第三方破壞事故，給人民群眾的生命和財產造成損失，也給管理和維護管網安全帶來了很大的難題。

因此，開發一種操作方便、體積小巧、成本低廉的埋地非金屬管道定位儀器，準確定位埋地PE管道具有重要意義。

本設計的非金屬管道定位儀采用音頻定位法，利用聲波在管道內傳播時會發出特定頻率的聲波，以及在管道正上方與周圍土壤之間聲音的差異，對管道進行定位[3]。主要由音頻信號發射機和音頻信號接收機組成。發射機為一個音頻振動器，有恒頻、變頻和脈沖發射3種探測模式，可以根據管道現場地質情況、埋深深度來選擇不同的發射頻率，根據探測距離來調節發射功率。

接收機接收音頻振動器發射的信號，將接收機的接收信號頻率調整到和發射機相同的頻率，將外界雜音過濾除掉，只接收音頻振動器發出的音頻信號。

如圖1所示，定位儀工作時，通過音頻信號發射機向管道內發射一個特定頻率的音頻信號，音頻信號帶動氣體振動，沿管道往前傳播，通過管壁上方土壤傳到地面。由于音頻信號是在管道內傳播的，所以在管線點位置音頻信號最強。使用接收機在管道上方的地面上采集音頻信號并解算，從而實現對埋地非金屬管道的準確定位。

圖1 埋地非金屬管道定位儀的工作原理示意圖

2 系統硬件設計

2.1 發射機

如圖2所示，發射機主要由STM32主控芯片，OLED顯示屏，鍵盤，藍牙接收電路，移動控制端，隔離電路，信號幅值調節電路，音頻功率放大電路和高音驅動頭組成。音頻信號由主控器內部定時器產生，主控器通過幅值調節電路和音頻功率放大電路，實現輸出信號幅值和功率的精確調節。

圖2 音頻發射裝置原理框圖

2.1.1 主控模塊

如圖3所示，主控制器采用STM32F103C8T6單片機，單片機的引腳OSC_IN、OSC_OUT外接一個8 MHz的石英晶體振蕩器作為系統時鐘。引腳PA5、PA6用IIC接口連接OLED顯示屏，用來顯示輸出模式、信號頻率、輸出功率等參數。引腳PA8輸出PWM音頻信號。引腳PB12、PB13、PB14、PB15接4個獨立式按鍵，用來設置探測模式、調節輸出音頻信號頻率和發射功率等參數。引腳PB4、PB5、PB6連接x9c102s數字電位器，用來調節音頻功率放大電路的放大倍數。

1 系統結構及原理

圖3 主控制器硬件連接圖

2.1.2 音頻功率放大模塊

在本設計中，需要將主控制器輸出的微弱音頻模擬信號進行放大。音頻功率放大模塊可以將輸入的音頻模擬信號進行放大，使其能驅動一定阻抗的高音驅動頭。

功放模塊采用TPA3116功放芯片來完成，TPA3116是TI公司出品的一款高效的數字音頻功率放大芯片，片內集成的120 m歐姆MOSFET，可提供高達7.5 A的輸出電流，具有高效率、性能好、非線性失真低等優點[6]。在電源電壓滿足的情況下，可以提供2×50 W的功率。TPA3116可以輸入單端信號和差分信號，兩路輸入分別為左右聲道，并且內置了故障保護電路，保證芯片正常工作，其外部連接電路如圖4所示。本設計中使用的主要引腳功能如下。

RINP：右聲道音頻輸入正極。

RINN：右聲道音頻輸入負極。

PLIMIT：功率限制水平調整，在GVDD到GND之間連接一個電阻分壓器來設定功率限制。

BSNR：右聲道負輸出引導，需要連接280nF的電容至OUTNR。

OUTNR：右聲道音頻輸出負極。

OUTPR：右聲道音頻輸出正極。

BSPR：右聲道正輸出引導，需要連接280nF的電容至OUTPR。

音頻信號由數字電位器引腳3端通過電容C26輸入TPA3116功放芯片右聲道音頻正極RINP，通過電容C27將右聲道音頻負極RINN輸入交流接地，電容C27的值等于正極上的輸入電容C26。其他未使用的信號輸入端接地，以實現最佳的噪聲性能。

圖4 音頻功率放大電路原理圖

2.1.3 電源模塊

發射機需要提供3種不同的電壓值才能正常工作，使用降壓穩壓技術設計電源模塊來使發射機可以用同一個電池供電。電源模塊電路如圖5所示。采用三次降壓方式，18 V直流電源為音頻功放電路供電。18 V直流電源經過LM2596S DC-DC直流可調降壓穩壓模塊后輸出5 V直流電壓為藍牙通信模塊、隔離電路和信號幅值調節電路供電，再利用AMS1117降壓穩壓芯片將5 V轉換輸出3.3 V直流電壓為STM32微控制器和OLED顯示屏供電。

圖5 電源電路原理圖

2.1.4 藍牙模塊

將手機等無線設備當做主機，將音頻發射機作為從機，將主控制器與手機進行無線連接，通過手機藍牙發送不同的指令來實現輸出信號模式和參數的無線調節控制。控制系統中采用BT04-A藍牙模塊，直接將其RX、TX端口連接到STM32F103芯片的USART_TXD和USART_RXD，如圖6所示。

圖6 藍牙模塊連接電路圖

圖7 數字電位器連接電路圖

2.1.5 數字電位器模塊

數字電位器通過微控制器寫入數字量來調整阻值，具有阻值調節范圍大、調節的阻值精準、穩定等優點，是一種新型的可編程電阻器。本設計中采用數字電位器對輸出的3.3 V峰值信號進行分壓，調節輸出信號的電壓幅值，電路連接如圖7所示。主控芯片引腳PE12、PE13、PE14引腳分別連接數字電位器的CS、INC和U/D三根信號控制線。CS控制片選，低電平有效。INC控阻值調整，INC下降沿使數字電位器阻值加、或者減10歐姆。U/D控制阻值調整方向，高電平為加、低電平為減。

2.2 接收機

接收機包括STM32微控制器、振動傳感器、電壓放大電路、數字濾波器、降噪模塊、觸摸屏和監聽耳機，如圖8所示。接收機在工作狀態下，通過振動傳感器采集管道中發射機產生的音頻信號，然后將接收到的音頻信號傳遞到放大電路進行信號放大處理，經CPU進行數字濾波/頻譜分析后，生成頻譜并發送給觸摸屏顯示出來，頻譜的幅度表示音頻信號的強度，幅度越大，表示音頻信號越強。操作人員可針對不同土質靈活的選取不同頻率段的電信號，并根據該電信號生成頻譜，實現在不同的環境中定位探測，并準確的判斷出管道的位置。同時還可以通過耳機監聽音頻信號，協助操作人員做出更準確的判斷。

圖8 音頻接收裝置組成結構圖

放大電路設計:

振動傳感器將管道內的輕微振動轉換為電壓信號，通過電壓放大電路將該信號進行前置放大，保證信號在傳輸過程中不會因為信號強度太小導致信號丟失，確保信號傳遞的完整性以及信號分析的準確性[7]。

如圖9所示，電壓放大電路采用三運放數據放大器，A1和A2組成了前級輸入，A1的同向輸入端作為第一信號U1i輸入端，A2的同向輸入端作為第二信號U2i輸入端，A3為后級的差分式減法電路，作為信號輸出端。在該電路中，由于第一級為串聯電壓負反饋，輸入電阻很高，當A1和A2特性相同時，能夠很好地抑制共模信號，減小溫度漂移。

圖9 放大電路原理圖

2.3 設計參數

適用管道：外網；

頻率：1～10 000 Hz；

增益：10級可調；

音量：10級可調；

工作環境溫度：-20～+50 ℃；

探測深度：≤200 mm；

充電時間：15小時；

待機時間：7～8小時；

接收機功率：≈2 W；發射機功率：可以從5 W到50 W調節；

充電器：5 V、2 A、USB充電；

主機重量：0.7 kg；

主機尺寸：長：214 mm，寬：146 mm，高：48 mm。

3 系統軟件設計

發射機控制軟件由微處理器初始化模塊、藍牙接收數據處理與信息回傳模塊、信號輸出控制模塊和屏幕顯示信息控制模塊組成。

3.1 發射機主程序設計

主程序先進行各種外設和微控制器初始化、然后進入無限循環，在循環程序中完成藍牙串口通信數據處理與信息回傳、音頻信號輸出及控制、按鍵掃描及處理和數據顯示更新等功能，程序流程如圖10所示。

STM32主控芯片使用一個32位定時器，帶輸出比較功能的通道產生PWM(脈寬調制)音頻信號，根據需要輸出的信號頻率設置ARR(自動重裝)寄存器的值，實現音頻信號輸出頻率控制。

所有按鍵識別及處理都在掃描按鍵的定時器中斷服務函數中實現；對手機發送信息的處理需要利用STM32F103芯片的串口中斷完成，然后把數據存入藍牙接收數組，再進行數據識別及處理。

圖10 主程序流程圖

3.2 按鍵和藍牙接收程序設計

通過定時器中斷產生固定的時間間隔，定時掃描I/O口電平進行參數調整按鍵檢測，可以避免使用外部中斷時在中斷服務函數中使用延時消抖的弊端。可以實現短按和長按效果，為了兼顧按鍵的靈敏度和準確度，實現每次短按必定被檢測到且不被多次觸發，按鍵的定時掃描間隔時間設置較短。為了防止一次按鍵多次觸發，程序中判斷連續兩次按下的時間間隔，只有時間間隔超過一定時間，才會成功觸發。

藍牙串口開啟IDLE中斷，可以接收不定長度字節數據且不用數據幀幀尾。程序流程圖分別如圖11～12所示。

圖11 按鍵檢測程序流程圖

圖12 藍牙串行口程序流程圖

3.3 接收機數字濾波程序設計

管道上方接收到的音頻信號會與外界噪聲混在一起，對定位的準確性形成有效干擾。為了解決這一問題，設計音頻信號數字濾波器，程序設計步驟如下：

1)對音頻數據流進行分幀；

2)將連續兩幀數據組合，再將組合后的數據進行FFT (fast Fourier transform)變換，得到信號的頻率和幅值；

3)對FFT結果加漢寧窗；

4)對加窗后的FFT結果進行FFT反變換；

5)將FFT反變換結果剔除不需要的頻率成分，消除邊界效應的影響，取出中間二分之一，得到一幀實際需要的音頻數據。

按上述步驟對接收到的音頻信號進行數字濾波，既能滿足濾波器對幅度和相位特性的嚴格要求，又可以避免模擬濾波器所無法克服的電壓漂移、溫度漂移和噪聲等問題，提高了定位的準確性。

4 測試結果與分析

4.1 測試場實驗測試

在室外開闊地域埋地PE管道三根，長度均為1 000 m，管徑分別為50 mm、150 mm、300 mm，間隔1 m，埋深50～180 cm，斜放。在不同的埋深及不同管徑情況下記錄測定的水平精度、檢出率及有效距離，測試結果如表1所示。

表1 非金屬管道探測的實驗數據

由表1可知該定位儀定位比較準確，抗干擾能力強，不同管徑和不同埋深的平均檢出率達到80%以上，檢測有效長度達1 000 m。

4.2 市政自來水管網測試

由于市政自來水管道覆蓋范圍大，先從閥門井或者消防栓開始，沿著管道走向以3～5 m為一段間距，使用定位模式探測。在間距區域內對相關點進行信號采集比對，定位模式下最多可采集16個點位，每一個檢測點位可直接進行信號柱的對比，如圖13所示。從左至右依次檢測對比各點信號強度，當所測點粗柱狀條最高，數值最大，可以判斷該處為管道位置點。還可以通過聽耳機內的聲音進行各點的比對來協助判斷。沿管道找出下一個位置點，并依次做出標記。在無法確定管道的大致走向時，以接入點為圓心，以3～5 m為半徑，沿著圓周線盲找，找出柱狀條最高的點標記為管道第一個位置點，把接入點與第一個點連接起來，就可以判斷出管道大致走向。

圖13 定位信號頻譜變化圖

5 結束語

本文針對目前大量地下非金屬管道沒有明顯的地表標識，難以確定管道的具體位置這一問題，設計了一種基于音頻定位方法的埋地非金屬管道定位儀，介紹了定位儀的工作原理，音頻發射裝置和接收裝置的系統組成、主要硬件原理圖和控制軟件的開發與設計。測試結果表明：該定位儀定位比較準確，抗干擾能力強，水平精度達20 cm, 埋深探測有效深度達180 cm，不同管徑和不同埋深的平均檢出率達到80%以上，檢測有效長度達1 000 m。

該定位儀用于城市建設施工開挖過程中對埋地管道進行探測，可以有效避免管道被挖斷，造成自來水和燃氣泄漏等事故，保護人民群眾的生命和財產安全，同時也為管理和維護城市中的埋地管網帶來方便。