清管器中的信號(hào)發(fā)射裝置電路設(shè)計(jì)

李建，夏靜

（南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 江蘇 南京 210094）

對(duì)輸油管線進(jìn)行清管作業(yè)過程中，需要及時(shí)了解清管器的運(yùn)行位置、是否已在某處造成卡堵等運(yùn)行狀態(tài)。清管器內(nèi)的信號(hào)發(fā)射裝置發(fā)射出信號(hào)，經(jīng)由地面接收儀器接收，指示出清管器的運(yùn)行位置。一旦因管線內(nèi)部出現(xiàn)情況造成清管器卡堵在管線內(nèi)，通過地面接收儀器跟蹤信號(hào)，可找到卡堵位置并精確定位，為管線的排障、去污提供一個(gè)準(zhǔn)確可靠的依據(jù)。

傳統(tǒng)的發(fā)射裝置電路有節(jié)拍電路、LC振蕩電路及放大電路組成，所發(fā)出的低頻信號(hào)器頻率由振蕩電路的電容值和電感值來決定。由于振蕩電路電感值L容易受管線的材質(zhì)、壁厚、管線設(shè)置情況等影響，會(huì)造成發(fā)射信號(hào)頻率發(fā)生偏移，嚴(yán)重時(shí)超出接收裝置的接收頻率帶寬，無法接收信號(hào)。傳統(tǒng)發(fā)射裝置的節(jié)拍電路只能隨機(jī)實(shí)現(xiàn)發(fā)射信號(hào)的通斷節(jié)拍，無法保證發(fā)射信號(hào)通斷時(shí)信號(hào)波形的完整性，使得接收機(jī)無法實(shí)現(xiàn)信號(hào)的數(shù)字化處理[1]。

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，新型電子元件的出現(xiàn)，清管器發(fā)射裝置電路采用先進(jìn)的電子元件為核心元件，功能強(qiáng)、體積小、成本低，由單片元件來實(shí)現(xiàn)發(fā)射信號(hào)的頻率控制和節(jié)拍控制，可產(chǎn)生高穩(wěn)定性的頻率值和精確的節(jié)拍值，并保證在信號(hào)在通斷節(jié)拍過程中波形的完整，為接收機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化信號(hào)處理提供可行性。

1 清管器信號(hào)發(fā)射裝置的結(jié)構(gòu)

清管器是用具有高拉伸強(qiáng)度、高拉裂強(qiáng)度和高拉伸率的聚氨酯材料模壓成型，前端做成碗狀，后部在高壓氣體作用下皮碗被壓緊和管道緊密接觸，從而保證油料和雜質(zhì)不會(huì)向后方流向，使前后實(shí)現(xiàn)很好的隔離[2]。

信號(hào)發(fā)射裝置是圓柱狀封閉型，利用螺紋裝在清管器尾部，它要有較好的防水、防油、耐壓和耐沖擊等性能，而且體積小，能夠在高溫環(huán)境下長時(shí)間工作。

信號(hào)發(fā)射裝置具體可分為6個(gè)部分，前端蓋、后套筒、信號(hào)發(fā)射機(jī)、電路板、電池板、后密封螺蓋。前端蓋設(shè)計(jì)成一個(gè)整體，用一個(gè)圓柱形鋁材車削而成，這樣可以減少零部件的數(shù)量，增加密封性，而且整體部件能夠抵抗較大的外力。前端蓋有3處螺紋，最前端是發(fā)射裝置和清管器連接的唯一部件，必須保證連接可靠和穩(wěn)定，采用較大螺距和較長螺紋長度的螺紋連接；中間螺紋和后面套筒連接，主要起密封作用，采用較小螺距和較長螺紋長度的螺紋連接；后面螺紋和后密封螺蓋連接，起密封和固定作用。后套筒是發(fā)射裝置的殼體，電路板、電池板及信號(hào)發(fā)射機(jī)都放置在其中。內(nèi)部被分為3部分，最前端是電池板，中間放置電路板，尾部放置信號(hào)發(fā)射機(jī)。電路板是發(fā)射裝置的心臟，要求電路板稍厚一些以抵抗較大的沖擊載荷。電池是整個(gè)發(fā)射裝置的能量來源，用3 V可充電電池，規(guī)格34×17 mm，需要兩節(jié)電池，為了增加電池能量，將兩組電池并聯(lián)起來使用。電池板設(shè)計(jì)成兩層，電池放在下層板的弧形槽里，上下板用螺釘固定。發(fā)射裝置采用信號(hào)發(fā)射機(jī)將具有一定節(jié)拍規(guī)律的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的無線傳輸編碼信號(hào)[3-4]。

2 發(fā)射裝置電路原理

發(fā)射裝置主要包括4個(gè)部分，即電源電路、MCU電路、信號(hào)編碼模塊和信號(hào)發(fā)射裝置。系統(tǒng)由電源電路產(chǎn)生各個(gè)芯片所需要的工作電壓及參考電壓；由MCU電路控制各個(gè)部件的協(xié)調(diào)工作；編碼模塊產(chǎn)生特定頻率和節(jié)拍的編碼信號(hào)；由信號(hào)發(fā)射器將編碼信號(hào)發(fā)射出去，供接收裝置接收、解碼和識(shí)別，從而判斷目標(biāo)的位置。圖1所示發(fā)射狀原理總圖，從圖中可以看出各個(gè)電路之間的連接關(guān)系，箭頭表示信號(hào)的流向。

圖1 發(fā)射裝置信號(hào)原理圖Fig.1 Priniple chart of transmitter

2.1 電源電路

發(fā)射裝置被安裝在清管器尾部，與外界隔離且需要連續(xù)工作，只能用電池供電且不能更換。清管器發(fā)生卡堵又不能很快確定其位置區(qū)域的極限情況下，要求發(fā)射裝置有效工作時(shí)間越長越好（至少50 h以上），在一定的電池供電條件下，發(fā)射裝置的功耗對(duì)有效時(shí)間顯然是唯一的決定性因素。

電源電路給發(fā)射裝置的所有元件提供工作電壓。儀器電路有各種各樣的芯片，因此需要的電壓也較多，累計(jì)有±15 V電壓（為放大濾波等電路提供工作電壓），+5 V電壓（為MCU等芯片提供工作電壓），+2.5 V電壓（為編碼模塊提供參考電壓）。這些電壓都是從發(fā)射裝置上自帶的+6 V電池經(jīng)過轉(zhuǎn)換分壓后獲得。如圖2所示，為發(fā)射裝置的電源電路圖。

圖2 發(fā)射裝置電源電路圖Fig.2 Frame chart of the launcher

2.2 MCU電路

該MCU電路采用Atmel公司的AT89C2051芯片作為整個(gè)發(fā)射裝置的控制核心[5]，它控制著各個(gè)模塊的運(yùn)轉(zhuǎn)，包括信號(hào)編碼模塊、信號(hào)發(fā)射等。由于AT89C2051自帶2 k字節(jié)可編程Flash存儲(chǔ)器和128×8位內(nèi)部RAM，這已經(jīng)能夠滿足發(fā)射電路要求，因此不存在存儲(chǔ)器的擴(kuò)展，MCU電路就只包括時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、編碼模塊的接口電路。如圖3為MCU電路框圖。

圖3 MCU電路框圖Fig.3 Frame chart of MCU circuit

1）時(shí)鐘電路 考慮到本系統(tǒng)沒有可用的時(shí)鐘而且沒有必要取得時(shí)鐘上的同步，因此本發(fā)射裝置的時(shí)鐘電路采用內(nèi)部方式。外接晶振以及電容C1和C2構(gòu)成并聯(lián)諧振電路，接在放大器的反饋回路中，這時(shí)內(nèi)部振蕩器會(huì)產(chǎn)生自激震蕩。外接電容C1和C2通常選擇為30 pF左右，外接陶瓷諧振器時(shí)，C1和C2的典型值約為47 pF。在XTAL1和XTAL2引腳上外接晶振元件，內(nèi)部振蕩電路就產(chǎn)生自激振蕩。圖4為內(nèi)部方式時(shí)鐘電路圖。

2）復(fù)位電路 復(fù)位電路的核心就是必須保證RST引腳上出現(xiàn)10 ms以上穩(wěn)定的高電平，這樣才能實(shí)現(xiàn)可靠的復(fù)位。該發(fā)射裝置是在清管器進(jìn)入管道時(shí)就開始工作的，因此不需要開關(guān)復(fù)位，只需要上電復(fù)位即可。

圖4 時(shí)鐘電路Fig.4 Clock circuit

2.3 MCU與編碼模塊的接口電路

該編碼模塊是串行16位芯片，其接線只需3根即可，即數(shù)據(jù)線SDA，時(shí)鐘線SCLK，片選線CS。將AT89C2051不用的某個(gè)I/O口的3個(gè)線盒編碼模塊的這3個(gè)線接起來即可。

2.4 編碼模塊電路

發(fā)射裝置使用信號(hào)發(fā)射器發(fā)射編碼信號(hào)，因此系統(tǒng)必須先要將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為編碼信號(hào)再進(jìn)行輸出，將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為編碼信號(hào)是由編碼模塊實(shí)現(xiàn)的。

編碼模塊電路的核心是編碼芯片，它是16位串行輸入，電壓輸出型芯片。其輸出電壓幅值為-VREF到+VREF，采用+5 V電源供電。該編碼模塊電路如圖5所示。

圖5 編碼模塊電路Fig.5 Circuit of encoding module

由MCU對(duì)編碼模塊進(jìn)行控制，就可以輸出特定頻率和節(jié)拍的編碼信號(hào)，滿足發(fā)射需要。

2.5 信號(hào)發(fā)射電路[6]

發(fā)射裝置采用AT89C2051產(chǎn)生精度很高的間斷超低頻脈沖信號(hào)，經(jīng)過功率放大后，由發(fā)射線圈發(fā)射出去。

由于單片機(jī)外接晶振頻率穩(wěn)定度高，信號(hào)頻率穩(wěn)定度大大提高，并且信號(hào)的產(chǎn)生由程序控制，發(fā)射的各組振蕩間相位關(guān)系恒定，信號(hào)的占空比由程序控制，調(diào)整十分方便。發(fā)射電路框圖如圖6所示。

圖6 發(fā)射電路框圖Fig.6 Frame chart of launch circuit

3 發(fā)射裝置程序設(shè)計(jì)[7]

編程時(shí)，對(duì)數(shù)據(jù)的存放、寄存器和工作單元的使用進(jìn)行合理的安排，應(yīng)盡量多采用循環(huán)結(jié)構(gòu)和子程序，少用無條件轉(zhuǎn)移指令。

3.1 程序流程

發(fā)射裝置的程序主要是產(chǎn)生所需要的編碼信號(hào)。其程序流程圖如圖7所示:

圖7 發(fā)射裝置程序流程圖Fig.7 Flow chart of transmitter

3.2 程序的執(zhí)行過程

其執(zhí)行過程分為以下幾個(gè)步驟：

1）上電復(fù)位后，程序從0000H開始執(zhí)行；

2）清RAM區(qū)，初始化標(biāo)志位，設(shè)置堆棧；

3）完成對(duì)編碼模塊的初始化，啟動(dòng)編碼模塊；

4）編碼模塊輸出特定頻率和節(jié)拍的編碼信號(hào)；

5）編碼信號(hào)經(jīng)信號(hào)發(fā)射器發(fā)射出去；

6）重復(fù)執(zhí)行上面的4、5兩步。

3.3 信號(hào)編碼過程

編碼模塊由MCU控制，在系統(tǒng)上電時(shí)MCU會(huì)對(duì)編碼模塊進(jìn)行初始化，這時(shí)會(huì)寫入一些數(shù)據(jù)和控制信息，包括發(fā)送波特率、高電平所代表的頻率信號(hào)、低電平所代表的頻率信號(hào)等等。當(dāng)MCU向編碼模塊寫入數(shù)據(jù)時(shí)，編碼模塊會(huì)按照預(yù)先設(shè)定的頻率發(fā)送編碼串，編碼信號(hào)經(jīng)過信號(hào)發(fā)射器發(fā)射出去。

4 結(jié) 論

該清管器的信號(hào)發(fā)射裝置能夠發(fā)出信號(hào)頻率穩(wěn)定、節(jié)拍通斷時(shí)間分散性小的低頻電磁脈沖信號(hào)，接收裝置能夠快速、準(zhǔn)確的確定其卡堵位置[8]。電路元件采用精度高、低功耗的電子元件，使發(fā)射裝置能夠連續(xù)工作很長時(shí)間（經(jīng)樣機(jī)測試，可工作90 h以上），信號(hào)頻率和節(jié)拍均不因供電電壓下降而有所偏移。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測試該發(fā)射裝置放在壁厚為14 mm左右的管線彎頭里面，探測距離約為6 m。

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