基于DSP天然氣管道閥門(mén)遠(yuǎn)程自動(dòng)控制裝置設(shè)計(jì)

楊彬彬　周新山

摘 要：通過(guò)對(duì)遠(yuǎn)程傳輸?shù)奶烊粴夤艿篱y門(mén)的自動(dòng)控制裝置設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)天然氣管道的遠(yuǎn)程自動(dòng)監(jiān)測(cè)和操控，同時(shí)提出了一種基于ZigBee技術(shù)和TMS320VC5509A DSP集成芯片的天然氣管道閥門(mén)遠(yuǎn)程自動(dòng)控制裝置的設(shè)計(jì)方法。該控制系統(tǒng)主要包括傳感器模塊、時(shí)鐘電路模塊、數(shù)據(jù)通信模塊、管道壓力數(shù)據(jù)處理模塊、供電模塊、程序加載模塊和ARM主控模塊等，通過(guò)系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)，可使得裝置儀的輸出端具有穩(wěn)定的控制輸出。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該控制裝置進(jìn)行天然氣管道閥門(mén)遠(yuǎn)程自動(dòng)控制的可靠性和穩(wěn)定性較好，應(yīng)用價(jià)值較高。

關(guān)鍵詞：天然氣管道；DSP；自動(dòng)控制；儀器儀表

中圖分類(lèi)號(hào)：TP216 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2015）12-00-03

0 引 言

天然氣管道是整個(gè)西氣東輸工程的主要載體，通過(guò)天然氣管道網(wǎng)絡(luò)將天然氣（包括油田生產(chǎn)的伴生氣）從開(kāi)采地輸送到目的地，實(shí)現(xiàn)天然氣的運(yùn)輸和使用，天然氣管道是輸送天然氣的唯一方式。該管道采用的是X100和X120管道鋼，其強(qiáng)度、韌性和可焊性較高，在天然氣管道網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)中，由大量的管道閥門(mén)控制天然氣的傳輸和開(kāi)關(guān)，由于輸氣管道系統(tǒng)是個(gè)連續(xù)密閉的輸送系統(tǒng)，通過(guò)開(kāi)關(guān)閥門(mén)控制天然氣的進(jìn)氣吞吐量，需要對(duì)天然氣管道閥門(mén)進(jìn)行遠(yuǎn)程自動(dòng)控制，提高對(duì)整個(gè)管網(wǎng)的智能監(jiān)測(cè)和控制水平，研究天然氣管道閥門(mén)的遠(yuǎn)程自動(dòng)控制方法具有重要意義[1]。

隨著集成芯片制造技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，以及現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)革新的需求，大量的儀器儀表、控制系統(tǒng)、D/A和A/D 轉(zhuǎn)化器都需要采用DSP進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)高速處理與控制。DSP具有處理速度快、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、同步精度高和采樣精度與速度性能較好等優(yōu)點(diǎn)，成為廣大電子與控制儀器設(shè)備設(shè)計(jì)者的首選[2]。對(duì)此，本文提出一種基于ZigBee技術(shù)和TMS320VC5509A DSP集成主動(dòng)控制的天然氣管道閥門(mén)遠(yuǎn)程自動(dòng)控制裝置設(shè)計(jì)方法。首先進(jìn)行了系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)，然后進(jìn)行系統(tǒng)的模塊化電路設(shè)計(jì)，最后通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了性能測(cè)試，展示了本文控制系統(tǒng)的優(yōu)越性能。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)及指標(biāo)描述

在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下構(gòu)建遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，采用ZigBee技術(shù)對(duì)天然氣管道閥門(mén)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，結(jié)合ZigBee和GPRS 通信技術(shù)對(duì)天然氣管網(wǎng)進(jìn)行智能監(jiān)測(cè)控制，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程作業(yè)和智能控制，為了構(gòu)建這一系統(tǒng)，首先進(jìn)行系統(tǒng)的總體模塊設(shè)計(jì)[3]。天然氣管道閥門(mén)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)主要分為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)采集模塊，即傳感器模塊、時(shí)鐘電路模塊、數(shù)據(jù)通信模塊、ZigBee管道壓力數(shù)據(jù)處理模塊、供電模塊、程序加載模塊和ARM主控模塊以及人機(jī)交互的液晶顯示模塊等[4]。系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)構(gòu)造如圖1所示。

圖1中，天然氣管道閥門(mén)遠(yuǎn)程控制的DSP信息處理模塊作為整個(gè)管道的物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控的核心單元，主要是進(jìn)行天然氣管道閥門(mén)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的信息采集和數(shù)據(jù)感知，如獲得管道中天然氣的壓力、流量等信息數(shù)據(jù)，獲得控制系統(tǒng)需要的原始信息，并作為閥門(mén)開(kāi)關(guān)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)輸入，提供主控的DSP信息處理單元進(jìn)行遠(yuǎn)程控制和指令執(zhí)行。選用TI 公司生產(chǎn)的MS320VC5509A作為主控電路模塊的集成DSP芯片，集成控制電路提供E2PROM、SDRAM，主機(jī)接口（EHPI），I2C總線傳感器通過(guò)敏感元件和換能器實(shí)現(xiàn)信號(hào)的采集，天然氣管道閥門(mén)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的控制中心單元是系統(tǒng)的中樞神經(jīng)，ADC將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成DSP可以處理的并行數(shù)據(jù)，本文采用DSP邏輯編程控制ARM主控單元，經(jīng)過(guò)處理的數(shù)字信號(hào)經(jīng)DAC轉(zhuǎn)換，采用收發(fā)轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行控制信號(hào)基陣的預(yù)處理，設(shè)計(jì)ADC和抗鏡像濾波器，在模擬信號(hào)預(yù)處理機(jī)的輸出端進(jìn)行信號(hào)調(diào)制，采用信道均衡算法進(jìn)行時(shí)鐘發(fā)生器設(shè)計(jì)[5]。在上述進(jìn)行了系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行系統(tǒng)的功能分析和指標(biāo)描述。

本文采用Aeroflex公司發(fā)布的3280系列高端邏輯芯片控制器作為天然氣管道閥門(mén)遠(yuǎn)程自動(dòng)控制系統(tǒng)的核心處理器，該核心處理器的容量為64 MB，CPU采用三星S3C2440，3281的頻率范圍為3 Hz～3 GHz，天然氣管道閥門(mén)遠(yuǎn)程自動(dòng)控制系統(tǒng)采用220 V供電。在ZigBee下的物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控平臺(tái)中，整個(gè)天然氣管道閥門(mén)遠(yuǎn)程自動(dòng)控制系統(tǒng)包括信號(hào)調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集電路和濾波電路系統(tǒng)供電模塊、DC-DC電源轉(zhuǎn)換模塊，天然氣管道閥門(mén)遠(yuǎn)程自動(dòng)控制系統(tǒng)抗干擾濾波的通帶截至頻率ωP需要2M+2個(gè)存儲(chǔ)單元來(lái)存儲(chǔ)天然氣管道閥門(mén)的分散控制信息：{x（n-m），m=0，1，…，M}和{y（n-m），m=0，1，…，M}，天然氣管道閥門(mén)的底層模塊中的抗干擾濾波函數(shù)為：

結(jié)合圖2進(jìn)行濾波模塊的電路設(shè)計(jì)，再通過(guò)應(yīng)用程序bootloader讀取A/D采樣值，可實(shí)現(xiàn)前置放大濾波控制功能和整流輸出功能的要求。

2 遠(yuǎn)程自動(dòng)控制裝置的模塊化電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

在進(jìn)行了系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和性能指標(biāo)分析的基礎(chǔ)上，即可進(jìn)行天然氣管道閥門(mén)遠(yuǎn)程自動(dòng)控制裝置的功能化模塊的硬件電路設(shè)計(jì)。在天然氣管道閥門(mén)遠(yuǎn)程自動(dòng)控制系統(tǒng)硬件中，除主要控制部件（MCU、DSP、EMPU、SOC）外，還包括LM1117-33功率輸出增益抑制模塊。通過(guò)存儲(chǔ)器分配測(cè)量電流的準(zhǔn)確值，采用了兩線制的共模抑制方法，用外部電源給整個(gè)系統(tǒng)供+5 V和±12 V的電壓，外接恒定的4 mA電流源，通過(guò)電容濾波網(wǎng)絡(luò)來(lái)對(duì)電源進(jìn)行濾波，得到放大器電源的電流為3.3 mA。電源芯片選用TPS767HD301，基于TPS767HD3XX系列電源芯片為天然氣閥門(mén)遠(yuǎn)程自動(dòng)控制裝置的DSP提供1.5 V～1.6 V的可調(diào)電壓，得到輸出電壓方程為：

圖3中，通過(guò)I/O接口（D/A、A/D、I/O口等）可進(jìn)行信號(hào)調(diào)理，并進(jìn)行PCI橋接實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)與PC機(jī)的A/D采樣。采用ADUM1201和PCA82C250接收遠(yuǎn)程控制指令，其中，天然氣管道閥門(mén)遠(yuǎn)程控制的DSP邏輯編程控制和DSP信號(hào)處理器是遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理中心，負(fù)責(zé)與控制終端進(jìn)行上位機(jī)通信。考慮天然氣管道閥門(mén)控制系統(tǒng)的非線性特性和不確定性，天然氣管道閥門(mén)的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)要求通過(guò)CAN（Controller Area Network）總線實(shí)時(shí)上傳控制信號(hào)執(zhí)行指令，通過(guò)上述控制程序設(shè)計(jì)，進(jìn)行程序加載，設(shè)計(jì)程序加載電路，程序加載電路和主控電路采用AT25HP512作為從機(jī)，在動(dòng)態(tài)增益控制模塊中放置6個(gè)1 nF的高頻旁路電容、2個(gè)10 nF電容以及4個(gè)0.1 uF電容。對(duì)天然氣管道閥門(mén)遠(yuǎn)程自動(dòng)控制包括對(duì)控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、控制誤差測(cè)量、遠(yuǎn)程中斷控制，遠(yuǎn)程控制的中斷程序包括外設(shè)中斷和內(nèi)核中斷，通過(guò)對(duì)天然氣管道中的壓力數(shù)據(jù)和流量數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，實(shí)現(xiàn)閥門(mén)遠(yuǎn)程中斷I/O操作，通過(guò)上述設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)基于ZigBee技術(shù)和TMS320VC5509A DSP集成芯片的天然氣管道閥門(mén)遠(yuǎn)程自動(dòng)控制裝置設(shè)計(jì)，硬件電路如圖4所示。

3 仿真實(shí)驗(yàn)及系統(tǒng)測(cè)試

為了測(cè)試本文設(shè)計(jì)的天然氣管道閥門(mén)遠(yuǎn)程自動(dòng)控制裝置在進(jìn)行遠(yuǎn)程控制和自動(dòng)開(kāi)關(guān)中斷中的性能，進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試和仿真實(shí)驗(yàn)。使用Agilent 33220A 函數(shù)信號(hào)發(fā)生器，輸入天然氣管道閥門(mén)遠(yuǎn)程自動(dòng)控制信號(hào)為30 mV峰峰值的正弦波，頻率范圍 15 Hz～234 kHz，實(shí)驗(yàn)中，采用PHLIPS的PCA82C250作為CAN總線驅(qū)動(dòng)器，運(yùn)放供電為+12 V和-12 V，主控模塊通過(guò)一個(gè)5 Ω電阻與CAN總線相連，通過(guò)Agilent 混合示波器進(jìn)行控制信息人工交互，通過(guò)上述仿真環(huán)境和實(shí)驗(yàn)方法描述，采用本文設(shè)計(jì)的天然氣管道閥門(mén)遠(yuǎn)程自動(dòng)控制裝置進(jìn)行管道閥門(mén)的遠(yuǎn)程自動(dòng)控制，采用Matlab編程進(jìn)行算法設(shè)計(jì)，然后采用SPI E2PROM進(jìn)行程序加載，加載程序?yàn)椋?/p>

從圖5可見(jiàn)，采用本文方法進(jìn)行天然氣管道閥門(mén)遠(yuǎn)程自動(dòng)控制裝置設(shè)計(jì)，能有效實(shí)現(xiàn)對(duì)天然氣管道中壓力數(shù)據(jù)和流量數(shù)據(jù)的采集，實(shí)現(xiàn)天然氣管道閥門(mén)遠(yuǎn)程自動(dòng)控制和開(kāi)關(guān)操作，從而提高了天然氣管網(wǎng)的監(jiān)測(cè)和自動(dòng)控制能力。

4 結(jié) 語(yǔ)

為了提高對(duì)天然氣管道的遠(yuǎn)程控制和管理能力，基于ZigBee技術(shù)和DSP技術(shù)，設(shè)計(jì)了一款改進(jìn)的天然氣管道閥門(mén)遠(yuǎn)程自動(dòng)控制裝置，進(jìn)行了系統(tǒng)的傳感器模塊供電模塊、程序加載模塊和ARM主控模塊等功能模塊的電路設(shè)計(jì)和集成實(shí)現(xiàn)，結(jié)果表明，采用本文設(shè)計(jì)的自動(dòng)控制裝置進(jìn)行天然氣管道閥門(mén)遠(yuǎn)程自動(dòng)控制，系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性較好，具有較好的應(yīng)用價(jià)值。

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