供水管道泄漏信号数据采集系统设计

董翠英，吕宏丽

DONG Cui-ying, LV Hong-li

（唐山学院 信息工程系，唐山 063000）

0 引言

在我国的城市给水系统中，每年因管道泄漏而造成的浪费相当惊人[1]，亟待研究管道泄漏检测定位仪器。而管道泄漏数据直接影响到到管道泄漏定位的准确性，所以管道泄漏数据信号采集非常重要。随着现代信号处理技术的发展，互相关算法、神经网络等信号处理方法应用于管道泄漏检测定位。本设计是管道泄漏相关检测定位中的管道泄漏信号数据采集系统。

1 管道泄漏相关检测原理

图1 相关检测定位原理

相关检测定位原理[2,3]如图1所示，供水管道泄漏引起的泄漏信号以速度v向两侧传播，传感器1、2距离漏点位置分别为L1、L2，信号到达两传感器的时间差即时间延迟为D，两传感器之间的距离为L相关仪根据两路信号的相似性找到相关函数的峰值点，即可确定时延D，从而确定漏点位置。漏点距离传感器1的距离L1为：

2 系统总的设计方案

漏水声波在通过土壤向地面传播过程中，声波的能量衰减，在地面可听到的漏水声的频率范围一般在100Hz-700Hz，而金属管材中形成的漏水声频率范围为500Hz-3500Hz[4]，，所以管道泄漏数据采集时，采用测量振动信号的加速度传感器。相关检测定位原理如图1，需要同时进行两路信号数据采集。

由于此时采集的漏水信号比较微弱且含有一定的噪声信号，需通过信号调理，经AD芯片进行模数，由单片机完成数字信号的存储器存储，实现信号的采集；由于传感器的安放位置有一定的距离，采用RS-485总线完成数据传输、主控单片机实现存储；为了保证系统的实时性，由DSP芯片来完成滤波、相关等复杂算法信号处理过程，故需要RS-485完成与DSP的数据通信。总体设计方案框图如图2所示。

图2 数据采集系统设计方案

2.1 信号调理模块设计

2.1.1 放大电路设计

泄漏信号采集中，由于信号动态范围较大，泄漏情况不同，信号幅度相差很大，即使同一次采集，信号幅度受外界环境影响，也可能出现较大变化。采用固定增益放大器，容易出现信号放大不足或放大饱和的情况，故需采用增益可调的放大器，动态增益为0-32dB。文中采用NE5532低噪声运算放大器，电路如图3所示，调节电阻R4可以改变放大倍数，利用Multisim仿真软件得其频率如图4所示。

图3 NE5532放大电路

图4 放大电路的频率特性图

2.1.2 滤波电路设计

泄漏信号的高频成分截止到3500Hz，而噪声的频带就宽得多，故需要设计低通滤波器抑制有用信号带外噪声。椭圆滤波器（Elliptic filter），是在通带和阻带内具有等波纹的一种滤波器，在阶数相同的条件下比其他类型的滤波器有着最小的通带和阻带波动。所以，文中采用凌力尔特公司生产的LTC1068开关电容滤波器，设计椭圆型的滤波器的截止频率为3500Hz，通带增益为0dB，电路原理图如图5所示。使用凌力尔特专用的FliterCAD滤波器设计软件得到的频率特性图如图6所示。

图5 滤波器电路图

图6 滤波器频率特性

2.2 AD电路设计

由传感器输出的管道泄漏信号，经放大滤波处理之后，幅度已经调整到合适的范围了。为了提高系统的精确度，文中采用16bit的AD芯片ADS7825。ADS7825是Burr-Brown 公司生产的4通道16位CMOS A/D转换器，精度高，转换速率快。本设计采用ADS7825的并行输出方式，在A/D转换之后，分别把高8位和低8位送到单片机P1口。

2.3 存储

由于单片机的内部RAM只有256字节，不能满足系统的要求，因此需要扩展外部的RAM。本设计选用直插型62256（32K×8位），它具有容量大、功耗低、价格便宜、集成度高、速度快、设计和使用方便等特点[5]。

2.4 数据传输设计

RS-232通信方式较适合点对点的短距离数据通信[6]，而相关检测要求同时传输两传感器采集的信号，且距离较远，因此采用RS-485通信方式。芯片的1和4脚分别于单片机的RXD和TXD连接，单片机的P3.3通过一反相器控制MAX485的接受与发送，芯片的6和7脚位平衡输出端，两引脚的电平相反。

2.5 电源电路设计

数据采集系统的工程现场不方便甚至无法使用交流电源，只能选用电池作为电源。出于便携方面和易于购买的考虑，文中选用的总电源为无汞碱性9V电池，为使系统正常工作，需将电池电压进行电平转换，转换电路的输出需满足各功能模块对电源的要求。为了提高系统的稳定性，选用稳定性高、波纹小、可靠性高的线性稳压模块LM7805和LM7905，把输入的正负9V电压转为正负5V作为系统电源。

3 数据采集系统软件设计

两路的单片机上电初始化后，都开启RS-485处于接收状态等待主控单片机的指令，接收到采集数据的指令后，同时开启AD采集泄漏管道上的振动信号，并完成数据存储。采集、存储完成后，在主控单片机的控制下通过RS-485进行数据传输，数据采集系统软件流程如图7所示。

图7 数据采集系统程序流程图

4 结果与分析

利用信号发生器来模拟管道泄漏信号，峰峰值500mV频率1000Hz，图8表示信号调理模块信号输入输出波形，示波器的CH2即图中下行波形是输入信号，示波器CH1即图中上行波形表示输出信号波形，由图可知其峰峰值为4V，则实际放大倍数为8倍。对该模拟信号进行采集及传输，最终将数据传送给DSP。利用CCS软件观察DSP接收到的数据波形如图9所示，验证了信号采集的正确性。文中设计的泄漏信号采集系统具有低噪声、低功耗，可提高采集信号的信噪比，适应泄漏检测的户外作业环境，是供水管道泄漏检测定位仪系统中非常重要的组成部分，可稍加改动应用于多种管道如石油管道、天然气管道等泄漏检测中，具有广阔市场前景。

图8 信号调理模块输入输出波形

图9 DSP接收到数据采集波形

[1]钱易,刘昌明.中国城市水资源可持续开发利用[M].北京：中国水利水电出版社,2002：4-7.

[2]M.J.Brennan,Y.Gao,P.F.Joseph On the relationship between time and frequency domain methods in time delay estimation for leak detection in water distribution pipes[J].Journal of Sound and Vibtation,304(2007)：213-223.

[3]Y.Gao,M.J.Brennan,P.F.Joseph et al. On the selection of acoustic/vibration sensors for leak detection in plastic water pipes[J].Journal of Sound and Vibtation,283(2005)927-941.

[4]石燕嵩.供水管道泄漏检测信号采集系统研究[D].重庆：重庆大学,2007.

[5]边海龙,孙永奎.单片机开发与典型工程项目实例详解[M].北京：电子电子工业出版社,2008，

[6]张燕红,郑仲桥.基于单片机AT89C52的数据采集系统[J].化工自动化及仪表,2010,37(3)：110-112.