摘 要:根据相关检测的基本原理,提出使用相关检测方法进行漏水检测。结合ARM嵌入式处理器的低功耗特性,设计了一种低功耗、便携式地下输水管道渗漏检测仪方案。
地下自来水管道的泄漏检测和维修是城市给水工程中的一个重要环节。在我国的城市给水系统中,每年因泄漏而造成的浪费相当惊人。据统计漏水率平均达到供水量的10%以上,有些地区超过20%。每年有数十亿吨的自来水白白流失,造成巨大水资源浪费和重大的经济损失。目前,在一些发达国家已经广泛地采用声学检测设备做例行的漏点检测工作,我国也曾先后引进若干台这类先进设备,除去价格因素,设备的操作、性能都有局限性。通常都是在多个点放置多台仪器,构成分布式系统,利用相关算法得出具体的漏水地点。很明显,使用这种检测方法的可移动性为零,应用的效果不好。要想检测的范围广,则必须安装多台设备,成本会增加很多。如果把这种大型仪器开发成类似掌上设备,随着检测人员的走动,检测点随之变化,必然会扩大此类产品的应用。近几年来,随着低功耗处理器ARM的出现,信号采集存储系统的功耗和体积不断减少,满足便携式的要求,使得掌上仪器的开发成为可能。
1 相关检测的基本原理
相关检测是利用相关原理对某些物理量进行检测。两个信号的互相关函数是一个有用的统计量,它可以用来了解两个已知(随机的或非随机的)信号之间的相似程度,或者两个已知(相似或相同)信号之间的时间关系。对两个信号进行时差调整,就可以求得相关函数的最大值,从而了解它们之间的相似程度。如果已知这两个信号是相似的,则这个时差就等于它们之间的时间延迟。相关检测的基本原理如图1所示。
设一条均匀直管道某处(O点)漏水,O点处的泄漏引起向漏点两侧管壁中传播的声信号s(t)和n(t),在漏点两侧旋转传感器A,B接触管道露出部位,在A, B两处观测点的声压信
求出LB(LA)就可以找到漏点的准确位置。
检测时,将A, B两个压电传感器分别置于自来水井部位露出的管道两端。把埋于几米深的地下自来水的微弱漏水声信号转换成电信号。通过电缆送到与传感器阻抗相匹配的放大器输入级,经前置放大,通过带通滤波器进行预处理,使管道漏水声音的频率200Hz~2 000Hz信号顺利通过,滤掉其他频率成分,以减少噪音的干扰。该信号经过电压放大,经数据采集板进行采样和量化,然后在计算机中进行处理,得出时间差(时延估计值)。
2 地下输水管道渗漏仪的系统构成
作为手持设备,体积和待机时间是首要考虑的因素。因此本系统选择了具有低功耗特性的嵌入式处理器ARM。在数据存储方面,电子盘的成本过高,如果数据量不是很大,只用Nor 型Flash就可以满足需求。无线数据传输也有多种方案可以选择,本系统选择了超小型无线数据传输模块PTR2000,其特点是体积小,携带方便;功耗低,接收状态250uA,待机状态仅为8uA;接口简单,只用RS2232即可完成数据传输。整个系统可分成数据采集模块、接口电路和通信模块三个部分。数据采集模块主要功能是进行数据采集工作。功能框图如图2所示
接口电路的功能框图由四个部分组成:
(1)采样速率控制电路。用于对输入时钟CLK和CS5360输出的LRCK进行分频处理,以控制整个系统的采样速率。
(2)串并转换电路。将CS5360输出的串行数据转换为并行数据输出,并产生相应的RAM写信号。
(3)地址产生电路。生成RAM的地址控制信号,每写完一次RAM,地址自动加1。
(4)地址译码及控制电路。完成对系统地址总线的译码,产生各种必需的控制信号。
通信模块的功能是负责设备之间的数据通信,并用相关算法求得漏水点。每个设备都有主或从选项,从机负责提供数据,而主机用来进行运算,所求得的值是以该主机为位置参照的。因为通信模块使用的串口连接,因此硬件连接和软件编程都相当简单。功能框图如图3所示。
其中USB和网卡是可选的,在系统中添加它的原因是与PC机进行数据交换.
3 软件设计
EP7312处理器(基于ARM720T核)内部有128字节的BOOTROM(只读内存)和48KB的SRAM(静态存储器)。当需要下载操作系统装载程序时(通常叫做Loader),处理器采用内部模式方式启动,运行BOOT ROM中的固化程序初始化内部的COM口,初始化完成的COM口接收2KB数据到SRAM中, 2KB程序是用来真正装载系统的,相当于PC机的BIOS(基本输入/输出系统)。这段程序装载到SRAM后,处理器自动跳转到这里并开始执行。它的功能是通过COM口接收数据到DRAM(动态随机存取存储器),然后由DRAM写入Flash。写入完成后,切换到外部启动模式,系统复位后自动跳转到Flash的0x00000000地址运行操作系统,并调度应用程序。解决了处理器的引导问题后,接下来就是应用程序的开发。其软件流程图如图4所示。
4总结
本文介绍了一种基于ARM技术的地下输水管道渗漏检测仪。相对于从国外引进的大型仪器来说,该设备具有移动性强、成本低等特点。无论测量的水管长度是多少,只要两台设备就可进行测试。鉴于ARM处理器的强大功能,完全可以把该设备开发为带有PDA功能的检测仪,而无须增加硬件费用,只要在软件上进行修改即可。
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作者简介:
孙天泽(1977-),男,助工,硕士,主要研究方向为嵌入式系统等;袁文菊(1977-),女,助教,硕士,研究方向为弱信号检测、嵌入式系统等。
