输油管道防盗油系统的监测与控制
摘要：本文根据输油管道防盗油系统数据监测的特殊要求，设计了基于分布式结构的数据采集系统，该系统以工控机为上位机，DSP信号处理模块为下位机，实现了实时性较好的输油管道监测与控制，本文主要对分站控制系统中信号处理模块进行详细的硬件设计。
关键词：管道监测；信号处理；数据采集；控制模块
中图分类号：TM 文献标识码：A
1 引言
我国拥有长达数万公里的输油管线，随着国内石油制品需求的日益增长和国际市场石油价格的不断上涨，不法分子的黑手不断伸向输油管线，通过盗窃国家原油而牟取暴利。由于我国长达数万公里的输油管线所处的地域复杂多样，常规的人防手段难以扼制狡猾的盗油犯罪分子，必须藉助现代高科技手段，建立起准确灵敏的输油管线防盗预警系统，才能从根本上提高整个输油管道的安全防范能力，有效地制止盗油犯罪，减少国有资产的损失，使管道公司在与盗油犯罪的斗争中立于不败之地。本文主要介绍信号处理模块的硬件系统设计。
2 系统组成
整个智能输油管道防盗系统由分布于各布控点的分站系统和位于调度中心的主站系统组成，见图1。
主站系统由工业控制计算机、专主站用控制软件、无线传输模块组成。主站控制软件采用主从式的控制方式控制整个预警系统，使整个系统能够有序地工作。
分站系统由微功耗的出站压力传感器、滤波放大器、信号处理模块、无线传输模块、供电系统、设备保护系统等几个部分组成。压力传感器获取来自各分站管线的出站压力信号；滤波放大器将压力传感器的输出的弱小信号进行滤波放大；信号处理模块高速采集放大器的输出信号，然后进行各种信号处理工作，并将有效的信号以约定的协议格式通过串口输出到无线传输模块；无线传输模块将数据发回到总站；供电系统负责提供整个分站系统所需要的能量，并有UPS电源随时给蓄电池充电，保证能量的长时间供应；设备保护系统是保护整个分站系统，让分站设备不容易被破坏。
3 分站控制处理控制系统硬件设计
基于DSP的信号处理模块由模数转换器(A／D)、数字信号处理器(DSP)、外部程序存储器(FLASH)，外部数据存储器(SDRAM)，复位电路，无线通讯控制模块(UART)，电源管理模块(POWER)，逻辑控制模块组成。
A／D模块将模拟信号转换成DSP处理器可以处理的数字信号。FLASH存储器用来存储固化的数字信号处理程序。外部的数据存储器解决了DSP的片上存储器空间的局限。
复位电路控制整个电路的复位时序，保证系统中的DSP，ND转换器，无线传输控制模块的正确复位。逻辑控制模块接收DSP的控制信号，经过逻辑编码制后输出对系统中的A／D，外部存储器，无线传输控制模块的控制信号。电源管理模块为整个系统提供稳定的电源，为A／D转换器提供精确的电压基准。整个系统的核心处理器是DSP，它控制A／D转换器的转换时序，接收A／D转换器输出的数字信号，然后经过分析处理，判断是否是有效的信号，然后将这个判断通过无线传输模块送回主站。
3.1JTAG仿真口
由于高速DSP具有高度并行的结构、快速的指令周期、高密度的封装等特点，采用传统的电路仿真方法很难实现可靠的仿真。TMS320C54X系列的DSP采用一种先进的扫描仿真器对用户板进行硬件仿真。扫描仿真器不采用插入仿真的方法，而是通过DSP芯片上提供的几个仿真引脚实现仿真功能。扫描仿真消除了传统的电路仿真存在的问题，例如，仿真电缆过长会引起信号的失真，仿真插头会引起可靠性差等问题。用户程序可在目标系统的片内或片外存储器运行，而不会因为仿真器引入额外的等待状态。DSP芯片内部通过移位寄存器扫描链接实现扫描仿真，这个扫描链被外部的串口访问。采用扫描仿真，即使芯片已经焊在电路板上，也可以进行仿真调试，这对DSP系统的设计和调试带来极大的方便。
3.2A／D转换电路
通过预处理的信号仍然是模拟信号，而DSP芯片只能对数字信号进行处理，因此在DSP的外围电路中，A／D转换器是十分重要的器件。A／D芯片的选取直接关系到信号测量的精度和数据容量的大小，因此A／D转换电路的设计主要是选择和应用A／D芯片。基于不同的应用，可以选用不同的性能指标和价位的芯片。
3.3复位电路设计
DSP的硬件复位方式有上电复位和手动复位两种方式。TMS320VC5402 DSP的复位输入信号是硬件复位信号的输入管脚。在管脚输入低电平，复位逻辑将控制DSP的内部逻辑初始化，并唤醒DSP初始化软件的执行。为使芯片初始化正常，复位信号必须至少保持5个外部时钟。然而，在上电后，系统的晶体振荡器往往需要几百毫秒的稳定期，因此，复位电路最好能产生大于200ms的低脉冲。利用RC电路的延迟特性给出复位所需的低电平时间，复位时间主要由R和C的乘积决定。
RS处的电压V=VCC(1－e－tl)l=RC
设V1=1.0V为低电平与高电平的分界点，则
t=－RC1n(1－V1/VCC)
选择R=100KΩ，C=10μF，可得t=223ms，从而满足复位需要。
3.4DSP系统用电源电路
3.4.1电源转换电路
电源是DSP芯片能够正常工作的保证，TMS320VC5402为低功耗、双电源供电。其外围电路工作电压为3.3伏，而内核工作电压为1.8V，因此必须进行电压转换，以得到合适的电源电压。同时，为了降低整个系统的功耗，整个电路系统都采用3.3V低功耗的器件。
3.4.2DSP电源地线跳跃
DSP芯片为高速逻辑电路芯片，从电磁兼容性角度考虑，设计上对电源的要求非常高，要尽量去掉电源噪声和干扰。在数字信号完整性问题中，一个很重要的组成部分就是噪声电流问题，也称为地线跳跃问题。
对于DSP这种高速芯片来说，必须在电路设计上采取一定的办法来抑制这种干扰。在电子电路设计中采用去耦技术能阻止噪声能量从一个电路传到另外一个电路。在电路中使用去耦电容可以补偿逻辑器件工作时产生的△l噪声电流，防止造成电源波动。
3.5FLASH存储器和DSP的接口电路
将FLASH存储器的16位数据线和DSP并行接口的16位数据总线相连接，存储器的地址总线和DSP的地址总线的低19位相连，FLASH的CE#和DSP的PS脚相连，FLASH的OE#与DSP的RAN引脚相连，而FLASH的WE#与DSP的RAN信号经过反向器之后相连。
3.6信号检测、分析的工作流程
A／D将滤波放大器输出的模拟信号转换成数字信号，数据通过DMA送到DSP的在片(On－Chip)存储器里，DSP读取存储器里的数据进行各种计算，若计算后需要发送数据，则将需要发送的数据按约定协议通过串口控制模块输出到无线传输模块，由无线传输模块发回主站。电源管理模块为整个信号处理模块提供稳定可靠的电源；逻辑控制模块便于DSP管理各个模块；复位模块可以在整个信号处理模块出现异常时自动给出一个复位信号，重启整个分站系统。
4 结语
本系统利用高速低功耗的DSP(数字信号处理器)进行压力信号的分析处理，可以以更低的功耗、更快的速度完成复杂的数学计算，并且其强大的运算能力使系统在处理算法、功能扩展上有很好的发展潜力，这从硬件上保证了系统升级能力强大。通过实验可以看到，现有的预警判断方法是行之有效的，但是，对于可能遇到的新的问题我们还需要对信号处理算法、目标识别算法、以及主站程序功能等要进行进一步改进，以适应新的应用的要求。