基于USB存储技术的管道定位数据采集系统

李 伟 刘齐飞 马景兰 万京生

(北京石油化工学院电气工程系)

作为国家重要能源产业，石油和天然气主要通过管道来运输，因此，提高管道使用寿命和安全可靠性，确保管道的安全运行，已经成为世界各国普遍关注的问题。为了预防管道泄漏事故，广泛地使用管道机器人技术定期对管道进行缺陷检测[1，2]。通过对使用年限长、接近检测周期或事故多发期的在役管道进行无损检测，可掌握管内受损部位与腐蚀程度，并依据有关安全规范，对具有严重缺陷的管道予以及时维修，从而避免泄漏事故的发生，延长管道的使用寿命。因此，管道检测是保护管道安全的一种既经济又有效的方法。

管道智能检测的目的就是要检测管道的受损状况，及时发现隐患，确保在役管道的安全运行。检测装置中的定位系统主要用来确定管道受损位置，使检测装置系统进入管道后，具有准确识别受损部位的能力。因此，定位系统设计是检测系统的重要环节之一。

管道定位方法一般有内定位和外定位两种：内定位是指检测装置自身设置定位标记，它可通过里程轮来实现；外定位是指在被测管道所经过的地段，按一定间隔设置定位系统，接收器接收定位用低频电磁波信号，从而确定每一特征点的相对位置。目前，管道智能检测一般采用内、外定位相结合的方式进行检测定位。此外，检测装置在管道的行进过程中可能会发生偏转，从而影响定位精度，因此定位系统还需对装置转角进行测量，从而对里程轮内定位数据进行修正，以提高定位效果。

1 管道定位数据采集系统方案简介

管道定位数据采集系统是管道无损检测系统中的重要组成部分。利用超声检测或漏磁检测方法对管道巡检完毕后，通过对检测数据进行离线分析，辅以管道定位数据，即可准确找出产生严重缺陷的管道位置，便于对管道进行维护和抢修。

由于通用串行总线(Universal Serial Bus，USB)接口具有传输速率高、安装方便及易于扩展等优点，已逐渐成为现代数据传输的发展趋势之一[3，4]。基于USB存储技术的管道定位数据采集系统如图1所示，该系统主要完成管道内定位、管道外定位和大容量数据存储功能。

图1 基于USB技术的管道定位数据采集系统组成

超低频电磁波信号经信号接收与调理电路后送往PIC单片机的AD模块进行测量，实现装置的外定位功能。编码器用于测量装置转角，经鉴相电路后得到单片机可以识别的正、反装信号送入单片机进行计数处理，对定位数据进行矫正。里程轮则用于测量装置的行走里程，实现装置内定位功能，里程轮中霍尔传感器输出信号经简单滤波电路处理后送往单片机。为实现采集数据的大容量存储，用单片机自带的USB模块连接USB存储设备，完成存储功能。LCD和LED显示模块用来在实验过程中进行必要的状态显示。

2 系统硬件组成

系统硬件由磁场信号检测电路、编码器鉴相电路、霍尔传感器信号检测电路、LCD显示、LED状态指示电路及USB存储设备连接电路等组成。

2.1 磁场信号检测

磁场信号检测电路用来实现检测装置的外定位功能。除了可配合内定位功能对定位数据进行修正以减少累计误差外，也可使地面操作人员确定检测装置在管道中的行进位置，便于在装置出现故障时迅速将其取出。具体实施方法为：在地面上沿管道行进方向每隔若干米放置超低频(一般取22Hz)电磁波信号发射器，在检测过程中，由检测装置内置的天线接收地面发射器发射过来的信号。由于信号要穿过土壤和管道金属层，故接收天线上的接收信号比较微弱，通常为毫伏数量级，因此，在送入微处理器进行A/D采样之前，需要通过仪表放大器AD620构成的放大电路进行两级放大，再转换成微处理器可以接收的电压信号后进行A/D采样。此外，由于空间上存在50Hz的电磁场，所以接收天线接收到电磁场信号后还需进行陷波处理，以滤除工频干扰信号。具体实现电路如图2所示。

图2 磁场信号检测电路

2.2 编码器鉴相模块

由于实际的埋地管道是焊接而成的，且为螺线式焊缝，检测装置在管道中行进时不可避免地会发生偏转，导致由里程轮计数反映出的检测装置行进距离出现偏差。为了提高内定位精度，有必要对内定位进行修正，因此需要对装置旋转角度进行测量。

系统中采用E6B2-CWZ6C增量型旋转编码器测量偏转角度，该编码器旋转一周可以产生2 000个脉冲信号。使用时，将旋转编码器安装在装置轴向位置，并在编码器轴伸出端固定一摆动块，保证检测装置发生偏转时，摆动块始终竖直向下。编码器输出信号经鉴相电路后送往单片机外部中断口进行正、反两向的计数，根据计数值可得到偏转角度。该部分硬件电路如图3所示，OUTA和OUTB分别为编码器的A、B相输出信号。正转时OUTA超前OUTB 1/4周期，D触发器的输出Q0为0，将与非门U5D封锁，其输出DownCnt始终为高电平，此时U5C打开，dsPIC30F6012A对UpCnt计数；反转时OUTA滞后OUTB 1/4周期，与非门U5C封锁，UpCnt始终为高电平，与非门U5D打开，单片机对计数脉冲DownCnt计数。

图3 编码器鉴相电路

2.3 霍尔传感器信号检测

系统采用在里程轮上安装霍尔传感器的方法实现里程测量。检测装置在行进过程中，沿里程轮圆周方向固定的多个永久磁铁会不断对安装在轮毂上的霍尔传感器产生磁场作用，从而使霍尔传感器输出脉冲信号。单片机通过对该脉冲进行计数，即可测量出装置的行走里程。

由于里程轮在行进过程中会出现打滑现象。为了避免单个里程轮打滑而使测量结果出现较大误差的情况并提高系统的定位精度，系统对3个里程轮进行测量计数，同时在软件中实时对3个里程轮计数进行判断，及时剔除掉由于打滑而引起的错误计数。

2.4 USB存储模块

检测装置中定位系统数据采集部分需要采集3种数据信号：磁场信号、里程信号和偏转角度信号。由于系统中发射器发射的磁场信号为22Hz，为了真实地还原接收到的磁场信号，采样频率取500Hz。结合检测装置在管道中的实际行进速度，并考虑装置在检测过程中的运行时间，经计算，采用8GByte的USB存储设备可以充分满足系统的数据存储要求。

USB存储模块电路如图4所示。由于选用的16位微处理器PIC24FJ256GB106本身自带USB接口，因此，无需采用外部接口电路即可很方便地实现USB数据通信，简化了系统的硬件设计。本设计中USB模块工作在主机模式，由于单片机以低于VBUS 的电压运行，而且无法提供足够的电流，因此必须提供单独的电源。此外，在总线上串联PTC热敏保险丝限制总线上的供电电流。

图4 USB存储模块电路

在实验过程中，检测完毕后，为了将USB存储设备中的数据方便地取出(无须拆开检测装置)，从而对数据进行离线分析，系统提供了两个USB接口，其中一路直接接USB存储设备，另一路则通过USB转接线引出到检测装置之外，在检测结束以后，可以将USB存储设备与微处理器的连接断开，使其通过转接线与PC机相连，从而快速且方便地将存储在USB设备中的数据传至PC机。

系统采用带USB功能的16位闪存单片机PIC24FJ256GB106实现定位数据采集，此单片机还具有引脚复用功能，即通过软件配置可以让大部分普通IO口实现外设功能，使硬件设计更加简便。

3 系统软件

系统软件部分的主要功能为磁场信号的AD采样、里程轮计数的实时采集与软件矫正、数据的USB存储功能的实现。控制系统软件包括主程序和中断服务程序两部分：主程序主要由系统初始化、数据存储控制、里程轮计数的实时矫正以及LCD和LED状态显示等程序组成；中断程序则主要实现磁场信号AD采样、外部中断进行里程轮和编码器计数及定时中断控制数据缓存等功能。笔者主要就实现USB数据存储功能做简单介绍。

定位系统数据采集部分除了要存储磁场数据、里程数据和转角数据以外，为了与检测系统中采集到的反应管道壁厚的数据进行融合，还需要存储时间信息。因此，定义USB存储数据格式见表1。

表1 USB数据存储格式定义

在系统实际工作过程中，需要实时采集相关定位数据信息，并将其通过USB数据传输到USB存储设备中。如果每次获得测量数据后立即将其存放到U盘中，需要频繁对U盘中的文件进行操作，尤其是在需要进一步提高采样频率时，不利于提高工作存储效率。为此，可定义两个512Byte的数组，其中一个数组用于实时存储采集数据；而另一个数组则用于将数据传输到USB存储设备中。程序通过定时器控制切换两个数组的功能，保证数据总是可以实时存放于其中一个数组，且能完成将另一个数组中采集的数据定时、批量地传输给USB存储设备。

4 实验结果分析

采用笔者设计的定位数据采集系统在实验室的模拟管道中进行了若干次实验。实验过程中，将发射天线放置于管道外2.5m处，驱动电机以1m/s的速度驱动检测装置在管道内行进。实验结束后用USB转接线将实验数据取出，在PC机上用软件进行离线分析。图5为部分外定位实验数据结果，该波形为未经软件滤波处理的原始磁场信号波形。可以看出：采集到的磁场信号呈典型的双峰分布，与理论计算的磁偶极子在空间上的磁场分布完全吻合[5～7]。根据该波形解析出的外定位点与实际的外定位点之间的误差仅为0.1m，满足系统外定位要求。

图5 部分外定位实验结果

5 结束语

基于USB存储技术设计的定位数据采集系统，利用PIC24FJ256系列单片机丰富的外部中断、高分辨率的AD采样模块和实用的外设引脚选择功能，实现了磁场、里程和转角数据的采样；并利用其自带的USB模块、简化了系统硬件设计，实现了采样数据的有效存储。实验结果表明：该采集系统的采样频率可达500Hz、定位精度可达0.1m，存储方案完全满足检测装置大容量数据存储的要求。该定位数据采集系统具有采样频率快、定位精度高、系统硬件设计简单的特点，可广泛应用于管道检测系统中。

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