基于STM32 的聲波式地下管道探測儀的設(shè)計與實現(xiàn)

梁明遠(yuǎn)，陳 強，張崇琪，劉慧杰，郭夢茹

(上海工程技術(shù)大學(xué) 電子電氣工程學(xué)院，上海 201600)

0 引言

隨著中國城市化進(jìn)程的加快，城市建設(shè)面積不斷擴大，地下管道的種類也越來越多，管道數(shù)量日趨增加。由于地下管道是城市的基本組成，因此城市發(fā)展中的設(shè)計規(guī)劃、施工建設(shè)和城市信息管理必須參考現(xiàn)有地下管道敷設(shè)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)資料[1]。但是目前我國城市地下管道的信息管理和建設(shè)出現(xiàn)了諸多問題，有些道路和管道的新工程建設(shè)由于事先缺少地下現(xiàn)有管道的準(zhǔn)確資料而無法按原計劃推進(jìn)，且部分現(xiàn)有的城市地下管道的敷設(shè)資料和其管理模式也不健全。與此同時，我國的管道探測技術(shù)和管道探測儀器一直都處于落后水平，所以落后的管線管理方式以及現(xiàn)有管線探測技術(shù)和城市高速發(fā)展之間出現(xiàn)的矛盾日益尖銳[2]。城市地下管道敷設(shè)現(xiàn)狀的普查關(guān)鍵是可靠的地下管道探測技術(shù)與先進(jìn)地下管道探測設(shè)備，高效、精準(zhǔn)、經(jīng)濟(jì)的地下管道探測方法將成為我國城市化發(fā)展的重要推動力。一方面，精準(zhǔn)可靠的地下管道探測技術(shù)和設(shè)備在管道信息探測中能夠獲取精確可靠管道數(shù)據(jù)，能夠為城市化發(fā)展提供精確有效的參考數(shù)據(jù)；另一方面，采用精度高、可靠性高的地下管道探測技術(shù)和設(shè)備可以提高現(xiàn)代化城市地下管道資料的管理水平；并且，采用經(jīng)濟(jì)、科學(xué)的地下管道探測技術(shù)不僅為城市建設(shè)提供可靠的管道信息從而降低甚至消除管道施工災(zāi)害的發(fā)生，而且可以為城市化的發(fā)展和優(yōu)化提供科學(xué)、可靠的數(shù)據(jù)資料及服務(wù)。因此，深入研究地下管道探測技術(shù)，大力發(fā)展地下管道探測設(shè)備具有重要意義[3]。

目前，市場上地下管道探測設(shè)備種類繁多，基于電磁感應(yīng)法、地質(zhì)雷達(dá)法、瞬態(tài)瑞雷面波法、地震映射法、高密度電法、慣性導(dǎo)航探測法等國內(nèi)外探測儀器越來越多[4]。但是由于材料學(xué)的快速發(fā)展，地下管道種類也越來越多，并且管道敷設(shè)深度不一，極大的增加地下管道探測難度，目前并不存在適合探測所有地下管道的設(shè)備，因此對于不同材質(zhì)、不同敷設(shè)位置的管道需要采用不同探測方法探測。本文基于聲波振動探測原理，結(jié)合地下管道敷設(shè)情況和現(xiàn)有管道探測方法，設(shè)計了一種基于聲波的地下管道探測儀器，根據(jù)設(shè)計系統(tǒng)的方案，完成硬件電路設(shè)計、制作、調(diào)試和上、下位機軟件編寫。經(jīng)過對檢波系統(tǒng)的電源參數(shù)、系統(tǒng)噪聲及性能分析并完善系統(tǒng)后，進(jìn)行了實際地下管道水平位置探測實驗。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

聲波式管道探測法是通過人工的方法激發(fā)振動信號，然后通過對振動波在地層中傳播規(guī)律的研究，從而探測出地下的管道敷設(shè)位置，主要包括水平方位探測和深度探測。水平方位探測：振動信號沿管道進(jìn)行傳輸時，管道上的振動信號會向四周散射，在地面上可以使用振動檢波器檢測振動信號，管道正上方振動信號最強，因此可以將最強振動信號位置標(biāo)定管道水平位置。深度探測：振動器產(chǎn)生的振動信號需要先經(jīng)過管道傳輸（距離為L），然后經(jīng)過地層傳輸（距離h），檢波器接受到振動器信號所用時間為t，振動信號在管道中傳播速度V1，地層中傳播速度V2，則管道深度h由式(1)計算：

聲波式管道探測系統(tǒng)主要分為兩個模塊：上位機系統(tǒng)控制模塊，主要功能：對下位機控制、數(shù)據(jù)接收并分析處理、文件存儲；下位機數(shù)字檢波模塊，主要有震動傳感器和外圍信號采集電路構(gòu)成，震動傳感器負(fù)責(zé)檢測地面微弱震動信號，外圍信號采集電路負(fù)責(zé)實現(xiàn)震動信號數(shù)字化轉(zhuǎn)換。聲波式地下管道探測系統(tǒng)如圖1所示。設(shè)計采用了在震動信號采集終端進(jìn)行模擬信號數(shù)字化轉(zhuǎn)換，使用數(shù)字信號進(jìn)行信號傳輸，提高信號信噪比和系統(tǒng)采樣精度。

圖1 聲波式地下管道探測系統(tǒng)

聲波式管道探測系統(tǒng)的首要步驟是完成對管道振動數(shù)據(jù)的精確采集，主要任務(wù)是對由地下管道振動產(chǎn)生的地振動波進(jìn)行準(zhǔn)確接收和記錄。設(shè)計的數(shù)字檢波系統(tǒng)采用集成設(shè)計，在信號采集終端直接對震動傳感器檢測到的模擬震動信號進(jìn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)換，從而到達(dá)消除模擬信號遠(yuǎn)距傳輸?shù)男盘柛蓴_，增強檢波系統(tǒng)的抗干擾能力，提高采集信號的信噪比[5]，同時系統(tǒng)采用STM32F103RCT6作為核心控制器，具備一定的自檢功能[6]，原理圖如圖2所示。

圖2 檢波系統(tǒng)原理框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 硬件電路整體設(shè)計

聲波式管線探測系統(tǒng)的硬件電路主要包括：穩(wěn)壓電源電路、恒流電源電路、高低通濾波電路、信號放大電路、信號調(diào)理電路、AD采樣電路、數(shù)據(jù)存儲電路、單片機最小系統(tǒng)、串口通信電路，其整體設(shè)計如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

2.2 信號處理模塊設(shè)計

在實際的野外環(huán)境探測地下管道震動的關(guān)鍵在于不能直接將信號與采集器相連，必須在信號進(jìn)入采集器之前進(jìn)行信號調(diào)理，將信號調(diào)理成滿足采集器要求的信號[7]。系統(tǒng)選用震動傳感器的輸出信號主要有三部分組成：動態(tài)震動信號電壓、靜態(tài)偏置電壓、干擾電壓。為了便于對信號進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，在采用ADC進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換之前，需要對濾除直流偏置電壓的傳感器輸出電壓信號進(jìn)行放大處理。系統(tǒng)設(shè)計的前置放大電路具有高共模抑制特性，可以對信號中共模干擾電壓進(jìn)行有效抑制。設(shè)計的濾波電路壓縮了有效信號頻帶使其達(dá)到降低噪聲信號進(jìn)入量，提高目標(biāo)信號質(zhì)量的效果，同時盡可能放寬通頻帶則可以達(dá)到對微弱的高頻震動信號盡可能多地采集的效果。結(jié)合實際采集信號和傳感器輸出信號的特點，選擇采用高、低通濾波組合方案設(shè)計系統(tǒng)濾波電路，可以實現(xiàn)對干擾信號進(jìn)行衰減的要求，流程如圖4所示。

圖4 信號調(diào)理模塊流程圖

2.3 A/D 采樣模塊設(shè)計

STM32微控制器只能對數(shù)字信號進(jìn)行接收與處理，因此傳感器檢測輸出的模擬信號必須進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，使震動信號數(shù)字化。基于過采樣技術(shù)的24-bit∑-ΔADC在地震信號采集中廣泛使用[8]，因此系統(tǒng)選用了ADS1254進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換電路設(shè)計，模擬輸入信號首先經(jīng)Δ-Σ調(diào)制器進(jìn)行調(diào)制，然后經(jīng)Sinc5數(shù)字低通濾波器進(jìn)行濾波處理，最后將結(jié)果數(shù)據(jù)經(jīng)過串行接口輸出?；贏DS1254采樣芯片設(shè)計模數(shù)轉(zhuǎn)換電路如圖5所示。其中，通道CH1輸入的是震動傳感器輸出進(jìn)過放大、濾波和調(diào)理后的采樣信號，通道CH2輸入的是數(shù)字檢波系統(tǒng)供電電壓，ADS1254采樣芯片每次只能啟動一個模數(shù)轉(zhuǎn)換通道。同時，為了充分發(fā)揮ADS1254工作性能，保證采樣精度，采用10uF和100nF陶瓷貼片電容給芯片電源進(jìn)行濾波。

圖5 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

聲波式地下管道探測系統(tǒng)要完成地下管道震動數(shù)據(jù)的采集，需要根據(jù)實際需求設(shè)計出一套采集系統(tǒng)，來完成對數(shù)字檢波系統(tǒng)的通信控制與遠(yuǎn)程管理，完成數(shù)據(jù)的采集、傳輸和回收存儲。管道探測系統(tǒng)軟件由上位機人機界面和下位機控制系統(tǒng)兩部分組成，分別完成上位機參數(shù)設(shè)定及數(shù)據(jù)管理和下位機測量操作。上位機軟件系統(tǒng)的設(shè)計是在Windows系統(tǒng)下以Labview作為軟件開發(fā)平臺的程序設(shè)計，采用C語言進(jìn)行程序的編寫。下位機以微控制器STM32F103RCT6為核心，利用C語言進(jìn)行編程，具體的開發(fā)環(huán)境是MDK5集成開發(fā)環(huán)境[9]。

3.1 下位機主程序設(shè)計

控制程序設(shè)計引用模塊化設(shè)計思想，依據(jù)功能將控制程序分別分離開來，隨后通過模塊化編程手段進(jìn)行程序編寫。這種模塊化編程方法提高軟件系統(tǒng)的可移植性、可擴展性、穩(wěn)定性。利用上位機可以實現(xiàn)測量參數(shù)設(shè)定、數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)保存，從而能實現(xiàn)遠(yuǎn)端控制，方便操作。綜合考慮絕緣測量系統(tǒng)的各個功能，通過系統(tǒng)軟件來實現(xiàn)以下幾個功能：

1）配置I/O，實現(xiàn)主控芯片與AD采樣芯片進(jìn)行通信，完成聲波信號采集和數(shù)據(jù)讀取。

2）啟動STM32內(nèi)部DAC模塊，控制其產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)正弦波信號。

3）I/O管腳分配，實現(xiàn)模擬電路開關(guān)閉合。

4）采用SPI通信協(xié)議，實現(xiàn)AD測試信號的讀取。

5）測量監(jiān)控電源電壓和傳感器輸出電壓，檢測電源點亮和傳感器連接狀態(tài)。

6）實現(xiàn)系統(tǒng)的RS232通信功能，使上位機和下位機之間可以完成指令的收發(fā)。

系統(tǒng)軟件設(shè)計過程中，將軟件部分分成系統(tǒng)初始化程序、電源監(jiān)控控制、定時器程序、傳感器監(jiān)控控制、信號采集程序、DA測試正弦信號產(chǎn)生控制、串口通信程序、Flash存儲器操作函數(shù)等模塊，再將這些模塊化程序整合成系統(tǒng)總體功能程序?qū)崿F(xiàn)絕緣測量系統(tǒng)的各個功能，下位機主程序流程圖如圖6所示。

圖6 下位機主程序流程圖

3.2 上位機軟件程序設(shè)計

根據(jù)管道探測系統(tǒng)設(shè)計要求，在windows系統(tǒng)下基于虛擬儀器的軟件開發(fā)平臺（Labview），采用G語言開發(fā)管道探測系統(tǒng)顯示界面，上位機界面的整體功能方案如圖7所示。上位機主控程序采用Labview進(jìn)行設(shè)計，基于Labview平臺的G語言具有簡單、穩(wěn)定、安全的特點，簡化編程環(huán)境和操作難度，大大提高編程能力。該程序通過設(shè)計的串口與下位機數(shù)字檢波系統(tǒng)之間建立通信，實現(xiàn)指令的發(fā)送和數(shù)據(jù)接收，接收的數(shù)據(jù)可以進(jìn)行簡單的數(shù)據(jù)處理后按照一定的格式進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲，為后續(xù)的研究工作提供數(shù)據(jù)備份。

圖7 上位機程序框圖

4 系統(tǒng)實現(xiàn)與試驗測試

4.1 管道水平位置探測試驗方案

聲波式地下管道探測系統(tǒng)設(shè)計控制板的實物與管道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)界面如圖8所示。

圖8 控制板實物圖與管道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)界面

實驗時，首先需要施加振動源給地下管道，引起管道震動，振動信號沿管道進(jìn)行傳輸時，管道上的振動信號會向四周散射，在地面上可以使用振動檢波系統(tǒng)檢測振動信號，一般管道正上方振動信號最強，因此可以將最強振動信號位置標(biāo)定為管道水平位置。

采用聲波探測法對地下管道水平位置進(jìn)行探測，首先通過管道口位置大概判斷其基本敷設(shè)走向，然后確定下個測試大概位置，以垂直管道走向的平面設(shè)置探測點，為了保證探測點覆蓋管道實際位置，布置7個探測點（如圖9中A、B、C、D、E、F、G），最后通過分析找出最強震動信號點設(shè)為管道位置（最強信號點位置必須是7探測點中間位置，并且探測7個探測點信號強度滿足中間強，兩邊弱的特點），然后通過現(xiàn)有探測結(jié)果大概預(yù)測下一個探測點位，重復(fù)以上步驟繼續(xù)探測。

圖9 聲波探測地下管道探測點位分布模型圖

4.2 實際試驗分析

本次地下管道探測實驗采用敷設(shè)深度約2m，管道周長70cm的地下天然氣管道，為了防止損壞燃?xì)夤艿?，采用木棍敲擊管道。由于木棍打擊力度有限，引起管道振動幅度很小，在大地耦合作用下，管到振動信號傳播距離不會太遠(yuǎn)，因此本次實驗分別探測5m和10m處管道振動信號，并且給出5m振動信號波形，如圖10所示。同時，此次實驗通過木棒敲擊管道產(chǎn)生的振源是單次振源，所以數(shù)字檢波系統(tǒng)檢測到的信號也是單脈沖信號，而且檢波系統(tǒng)也會檢測到由于木棒敲擊引起的管道自振信號。

圖10

本次實驗在距離人工振源5m處進(jìn)行探測，7個探測點成一條近似垂直于管道的直線，從圖中很容易發(fā)現(xiàn)第四個探測點振動信號最強約為1.22V，并且兩側(cè)信號逐漸變小。

通過聲波信號圖讀出其信號峰值，依次為0.4V、0.6V、0.88V、1.22V、0.79V、0.5V、0.38V。管道5m處與10m處的7點震動信號強度如圖11所示，可以發(fā)現(xiàn)D探測點震動信號最強，因此可以認(rèn)為第四探測點位置即是所探測5m處地下管道的所在位置。采取同樣的方式對下管道10m處進(jìn)行探測并分析數(shù)據(jù)，最大震動信號為0.16V，得到10m管道位置為D探測點位置。

圖11 管道5m處與10m處的7點震動信號強度

在對管道5m和10m位置探測之后，根據(jù)實際管道敷設(shè)位置，對探測數(shù)據(jù)精度進(jìn)行分析，計算探測位置與實際位置之間誤差，10次5m和10m位置探測誤差如表1所示。由表可知：5m處水平探測位置誤差為3cm（管道半徑11.15cm），10m處水平探測位置誤差7cm，兩處探測誤差滿足探測需求。

表1 5m和10m位置探測點10次探測誤差

5 結(jié)語

針對目前國內(nèi)地下管道探測設(shè)備發(fā)展較慢的情況方法下，本文對現(xiàn)有地下管道探測設(shè)備的探測方法和探測原理進(jìn)行研究分析，結(jié)合現(xiàn)有地下管道敷設(shè)現(xiàn)狀，提出一種基于STM32微處理器的聲波式管道探測儀的總體設(shè)計方案，完成了系統(tǒng)硬件的設(shè)計制作與調(diào)試以及系統(tǒng)軟件的編寫，其中信號采集系統(tǒng)采用集成設(shè)計，使震動傳感器檢測到的模擬震動信號在采集端實現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換，減小模擬信號傳輸距離，增強信號的抗干擾能力，提高信號的信噪比和采集數(shù)據(jù)的可靠性，更好的還原地下管道的震動信號。經(jīng)過實驗測試分析，管道探測系統(tǒng)工作穩(wěn)定，數(shù)據(jù)采集傳輸速度快，地下管道水平位置精度滿足工程探測要求。