引言

從20世紀(jì)70年代開(kāi)始，我國(guó)油氣管道大規(guī)模建設(shè)到現(xiàn)在為止，相繼建成了原油管道、天然氣管道、成品油管道、海底油氣管道。陸上原油管道主要分布在西北、華東、東北、華北地區(qū)。陸上天然氣管道有西氣東輸干線管網(wǎng)、陜京輸氣管網(wǎng)、中國(guó)石化山東天然氣管網(wǎng)(一、二、三期)、忠武線、澀寧蘭管道等。其中西氣東輸管線是我國(guó)輸送距離最長(zhǎng)、輸氣壓力最高、管徑最大、鋼材等級(jí)最高的長(zhǎng)輸管線。成品油輸送管道有蘭成渝管道。隨著中俄之間達(dá)成石油輸送協(xié)議，東西伯利亞至太平洋中俄石油管道也正在緊張的鋪設(shè)施工中。我國(guó)處于經(jīng)濟(jì)高速增長(zhǎng)的建設(shè)時(shí)期，保證長(zhǎng)輸油氣管線的正常工作具有極其重要的經(jīng)濟(jì)和戰(zhàn)略意義[1-2]。

隨著海域和水深的不斷擴(kuò)大，海底石油管線已成為油氣集輸與儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分。海底油氣管道是投資高、風(fēng)險(xiǎn)大的海洋工程，它對(duì)海上油氣田開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)與產(chǎn)品外輸起著至關(guān)重要的作用，被喻為海上油氣田的生命線。海底管道的各種損傷缺陷都有可能導(dǎo)致原油的泄漏，造成海洋環(huán)境的污染并嚴(yán)重影響作業(yè)的安全，甚至造成停產(chǎn)。因此，海底管道的在線檢測(cè)十分必要[3]。

1硬件框架

本系統(tǒng)下位機(jī)硬件電路由傳感器部分、信號(hào)調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集電路、基于PC104總線的CPU模塊等部分組成。系統(tǒng)使用鋰離子電池組統(tǒng)一供電，使用無(wú)線遙控開(kāi)關(guān)控制電源的開(kāi)合。檢測(cè)儀所采集的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中，課題選用CompactFlash存儲(chǔ)卡。CF卡通過(guò)讀卡器直接與上層PC機(jī)系統(tǒng)連接，然后上位機(jī)對(duì)CF卡中的數(shù)據(jù)處理做進(jìn)一步的處理。系統(tǒng)的功能框圖如圖1-1所示。

圖1-1 硬件系統(tǒng)功能框圖

2PC/104CPU模塊[4]

PC/104是一種工業(yè)控制總線，是國(guó)際上最早的嵌入式計(jì)算機(jī)總線標(biāo)準(zhǔn)，由美國(guó)的AmPro公司于1980年開(kāi)發(fā)，1992年被IEEE協(xié)會(huì)定義為IEEE-P996.1。PC104采用ISA總線架構(gòu)，與標(biāo)準(zhǔn)臺(tái)式PC/AT體系結(jié)構(gòu)在硬件和軟件上完全兼容。PC104總線標(biāo)準(zhǔn)被廣泛應(yīng)用于嵌入式領(lǐng)域，構(gòu)成一種優(yōu)化的、小型、堆棧式結(jié)構(gòu)的嵌入式系統(tǒng)。

PC104模塊的特點(diǎn)有：

(1)體積小。3.6x3.8英寸(96x90mm)

(2)功耗低。大多數(shù)PC104模塊采用單+5V電源，6mA總線驅(qū)動(dòng)可使模塊正常工作，無(wú)須散熱。

(3)開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單。由于與PC機(jī)兼容，該模塊可外接顯示器、鍵盤、硬盤等構(gòu)成最基本的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，從而利用傳統(tǒng)的已有的軟件硬件開(kāi)發(fā)方法進(jìn)行開(kāi)發(fā)，從而縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，降低開(kāi)發(fā)成本。

(4)可靠性高。該模塊采用電磁兼容抗干擾技術(shù)、疊層棧接抗震技術(shù)、高精度多層板技術(shù)、高精度雙面SMT技術(shù)，大大提高了可靠性。

(5)接口豐富。強(qiáng)化了并行口和串行口，常規(guī)PC機(jī)的所有通用接口均得以實(shí)現(xiàn)。

由于PC104模塊的優(yōu)良品質(zhì)，目前被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)控制、航空航天、軍事、醫(yī)療、電子、機(jī)械、等各個(gè)領(lǐng)域。根據(jù)實(shí)際配置和應(yīng)用的不同，PC104模塊的應(yīng)用可分為三類：

(1)CPU模塊。

(2)擴(kuò)展功能模塊。該應(yīng)用充分發(fā)揮了PC104模塊接口豐富的特點(diǎn)，應(yīng)用于磁盤接口控制、顯示控制、通訊控制、網(wǎng)絡(luò)控制等各種產(chǎn)品。

(3)數(shù)據(jù)采集與控制模塊。該應(yīng)用可提供從16路到18路的數(shù)字I/O，可提供12位、14位、16位等不同分辨率的A/D、D/A。

3.傳感器選型[6-7]

要實(shí)現(xiàn)對(duì)油氣管道內(nèi)形變位置和形變大小的確定就要選擇合適的傳感器完成對(duì)這些參數(shù)的采集，本課題使用了兩種傳感器分別用來(lái)檢測(cè)管道的形變、檢測(cè)儀在管道內(nèi)前行過(guò)程中所在的位置。

（1）行程檢測(cè)

本文選用磁傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)計(jì)程輪滾動(dòng)圈數(shù)的檢測(cè)，計(jì)程輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)將產(chǎn)生脈沖信號(hào)，CPU通過(guò)對(duì)脈沖信號(hào)的分析得出計(jì)程輪滾動(dòng)的相關(guān)信息，最終換算成檢測(cè)儀在管道內(nèi)的位置。磁傳感器是一種對(duì)磁感應(yīng)強(qiáng)度、磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁通量敏感，并能把這些磁學(xué)量信息轉(zhuǎn)換成電信息的傳感器。

本文所選磁敏傳感器是基于霍爾效應(yīng)的原理設(shè)計(jì)的?；魻栃?yīng)原理如圖3-1所示[5]：

圖3-3霍爾效應(yīng)原理圖

一塊長(zhǎng)為l、寬為ω、厚為d的N型半導(dǎo)體薄片，位于磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場(chǎng)中，B垂直于l-ω平面。沿l通以電流I，N型半導(dǎo)體中的多數(shù)載流子及電子將受到洛倫茲力FB的作用，有：

(3-1)

式中，e為電子電量，v為電子速度。當(dāng)B不垂直于l-ω平面，而是與l方向的電流夾角為α時(shí)，則FB=-evBsinα。在力FB的作用下，電子向半導(dǎo)體片的一個(gè)側(cè)面偏轉(zhuǎn)，在該側(cè)面上形成電子的積累，而在相對(duì)的另一側(cè)面上則因缺少電子而出現(xiàn)等量的正電荷。在這兩個(gè)側(cè)面上產(chǎn)生霍爾電場(chǎng)EH，所以電子在受到磁場(chǎng)作用力FB的同時(shí)，在ω方向還將受到霍爾電場(chǎng)EH的作用力FH=-eEH，F(xiàn)H與FB方向相反，以阻止FB對(duì)電子產(chǎn)生的偏移運(yùn)動(dòng)。當(dāng)霍爾電場(chǎng)力FH增大到與FB數(shù)值相等時(shí)，電子的積累將達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，有

(3-2)

(3-3)

由于存在EH，半導(dǎo)體片兩側(cè)面間出現(xiàn)電位差UH，稱為霍爾電勢(shì)。

霍爾元件是基于霍爾效應(yīng)即電流磁效應(yīng)制成的一種磁敏傳感器，如圖3-2所示為采用霍爾元件的檢測(cè)電路[6]，磁轉(zhuǎn)子隨計(jì)程輪的轉(zhuǎn)動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng)，磁轉(zhuǎn)子M旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，使霍爾元件H的磁極（N、S）產(chǎn)生變化，從而檢測(cè)計(jì)程輪的轉(zhuǎn)動(dòng)。

從霍爾元件結(jié)構(gòu)上看，輸出端包含共模電壓UC，電壓UC與霍爾電壓毫無(wú)關(guān)系，使用時(shí)此電壓必須除去，一般采用差動(dòng)輸入的運(yùn)算放大器。該電路就是采用運(yùn)算放大器除去共模電壓。霍爾元件的輸出端接到差動(dòng)放大器的輸入端，因此c點(diǎn)電壓等于d點(diǎn)電壓時(shí)，運(yùn)算放大器無(wú)輸出；c點(diǎn)電壓大于d點(diǎn)電壓或小于d點(diǎn)電壓時(shí)，有差動(dòng)信號(hào)輸入，這時(shí)運(yùn)算放大器輸出端有較大的輸出電壓。輸出為矩形波，電路中的反饋電阻Rf小時(shí)，也能獲得平穩(wěn)的輸出波形。運(yùn)算放大器有較大的放大作用，霍爾元件輸出很小也不會(huì)有問(wèn)題。

圖3-2采用霍爾元件的檢測(cè)電路

（1）形變檢測(cè)

油氣管道內(nèi)形變檢測(cè)儀沿管壁需要檢測(cè)8路位移信號(hào)，從而確定管道的形變情況。西安蘭華傳感器有限公司按照檢測(cè)儀的尺寸要求設(shè)計(jì)了電感調(diào)頻式位移傳感器。該傳感器由位于同一基座和殼體內(nèi)的敏感元件、集成電路和諧振電容構(gòu)成LC震蕩電路，傳感器的輸出信號(hào)頻率約為。其工作原理如圖3-3所示[7]。

圖3-3位移傳感器工作原理圖

敏感元件是由螺管線圈和軟磁鐵芯組成。鐵芯在線圈內(nèi)的移動(dòng)會(huì)改變磁路的磁阻，從而改變線圈的電感，振蕩電路的輸出信號(hào)頻率進(jìn)而受到影響。通過(guò)合理的選配鐵芯材料、線圈工藝結(jié)構(gòu)、電容、電路等，可以使移動(dòng)距離和輸出信號(hào)的頻率變化呈良好的線性關(guān)系。該傳感器的性能參數(shù)有：

中心頻率：15kHz±4%；

量程：25mm；

耐壓：4MPa；

工作電壓：9±5%VDC；

工作電流：1～10mA；

允許環(huán)境溫度：-20～+60℃

滿量程相對(duì)頻偏△f/f0（%）：≥6；

抗沖擊加速度：≥100g。

由于傳感器輸出的是頻率信號(hào)，而數(shù)據(jù)采集電路只能通過(guò)A/D模塊對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行采集，所以需要將頻率信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。該信號(hào)調(diào)理的功能可被整合在傳感器內(nèi)，其工作原理如圖3-4所示[8]。

圖3-4頻率/電壓轉(zhuǎn)換原理圖

頻率/電壓轉(zhuǎn)換電路由電平比較器、單穩(wěn)態(tài)振蕩器和低通濾波器三個(gè)部分組成。頻率輸入信號(hào)Fin通過(guò)比較器變?yōu)檎}沖信號(hào)，窄脈沖信號(hào)通過(guò)單穩(wěn)態(tài)振蕩器變?yōu)楣潭▽挾?、固定幅度的脈沖序列，脈沖序列經(jīng)低通濾波器取平均值即可產(chǎn)生與頻率輸入信號(hào)Fin成比例的電壓輸出信號(hào)Vo。

4軟件設(shè)計(jì)

CPU通過(guò)程序不斷讀取并測(cè)試外部設(shè)備狀態(tài)，如果輸入外部設(shè)備處于已準(zhǔn)備好或輸出外部設(shè)備為空閑狀態(tài)時(shí)，則CPU執(zhí)行傳送信息指令。這種方式是CPU在不斷調(diào)查外部設(shè)備的當(dāng)前狀態(tài)后才進(jìn)行信息傳送，所以也稱為“查詢式傳送”[9]。

如圖4-1表示了從外圍設(shè)備讀取數(shù)據(jù)并將其存放在存儲(chǔ)器中的程序流程圖。

圖4-1程序控制I/O流程

輸入設(shè)備在數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好后便往接口發(fā)送一個(gè)“準(zhǔn)備好”信號(hào)，在查詢過(guò)程中，CPU先從外部設(shè)備中讀取狀態(tài)字，檢查數(shù)據(jù)是否“準(zhǔn)備好”，若已準(zhǔn)備好，CPU即可通過(guò)地址總線選通外部設(shè)備的數(shù)據(jù)寄存器，將數(shù)據(jù)讀入。

5結(jié)論

設(shè)計(jì)了基于PC104接口的數(shù)據(jù)采集電路，實(shí)現(xiàn)了對(duì)模擬量和脈沖量的固定時(shí)間間隔循環(huán)采集，使用可編程定時(shí)器82C54產(chǎn)生定時(shí)中斷，避免了軟件中斷不精確和不可靠的弊端，達(dá)到了對(duì)管道形變位置的精確定位。

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[5]潘春嶺，基于PC104總線的高速硬幣清分機(jī)研制，[學(xué)位論文]南京：南京航空航天大學(xué)，2007

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