埋地非金屬管道定位儀的設(shè)計

(1.長沙學(xué)院 電子信息與電氣工程學(xué)院，長沙 410022；2.湖南普奇水環(huán)境研究院有限公司，長沙 410201)

0 引言

隨著城市化建設(shè)的普及，國內(nèi)相繼在供水、排水和天然氣輸送管網(wǎng)中鋪設(shè)越來越多聚乙烯材質(zhì)制成的塑料管(簡稱PE管)。

PE管具有耐磨、耐腐蝕、質(zhì)輕、流體流動阻力小、使用壽命長、安裝方便等許多優(yōu)點(diǎn)。但PE管材為惰性材質(zhì)，不導(dǎo)電、不導(dǎo)磁，埋地敷設(shè)后，很難精準(zhǔn)探測其位置及埋深[1]。目前對于金屬管道已經(jīng)有比較成熟的探測技術(shù)[2]。但是對于PE等非金屬材質(zhì)管道的探測技術(shù)，均具有一定的局限性。如：探地雷達(dá)定位法，只適用于管徑較大，埋設(shè)較淺，地面平坦的管道，易受地質(zhì)條件、周圍環(huán)境影響，不適用于管網(wǎng)密集、管道類型復(fù)雜地區(qū)[3]；超聲定位法，容易受管道周圍交通狀況、 道路施工其他聲源等外加聲場影響，水平、垂直精度和檢出率較低[3]；示蹤導(dǎo)線法、地面標(biāo)識法，雖然方法簡單實(shí)用，但需要在管道施工時鋪設(shè)輔助設(shè)施，不適用于運(yùn)行期的非金屬管道[4-5]。

近年來，在役埋地管道穿孔、泄漏等事故時有發(fā)生。管網(wǎng)日常維護(hù)、搶險和城市建設(shè)施工過程中的開挖現(xiàn)象越來越普遍，由于難以確定地下非金屬管道的具體位置，無法完全避免施工開挖造成挖斷、挖漏等第三方破壞事故，給人民群眾的生命和財產(chǎn)造成損失，也給管理和維護(hù)管網(wǎng)安全帶來了很大的難題。

因此，開發(fā)一種操作方便、體積小巧、成本低廉的埋地非金屬管道定位儀器，準(zhǔn)確定位埋地PE管道具有重要意義。

本設(shè)計的非金屬管道定位儀采用音頻定位法，利用聲波在管道內(nèi)傳播時會發(fā)出特定頻率的聲波，以及在管道正上方與周圍土壤之間聲音的差異，對管道進(jìn)行定位[3]。主要由音頻信號發(fā)射機(jī)和音頻信號接收機(jī)組成。發(fā)射機(jī)為一個音頻振動器，有恒頻、變頻和脈沖發(fā)射3種探測模式，可以根據(jù)管道現(xiàn)場地質(zhì)情況、埋深深度來選擇不同的發(fā)射頻率，根據(jù)探測距離來調(diào)節(jié)發(fā)射功率。

接收機(jī)接收音頻振動器發(fā)射的信號，將接收機(jī)的接收信號頻率調(diào)整到和發(fā)射機(jī)相同的頻率，將外界雜音過濾除掉，只接收音頻振動器發(fā)出的音頻信號。

如圖1所示，定位儀工作時，通過音頻信號發(fā)射機(jī)向管道內(nèi)發(fā)射一個特定頻率的音頻信號，音頻信號帶動氣體振動，沿管道往前傳播，通過管壁上方土壤傳到地面。由于音頻信號是在管道內(nèi)傳播的，所以在管線點(diǎn)位置音頻信號最強(qiáng)。使用接收機(jī)在管道上方的地面上采集音頻信號并解算，從而實(shí)現(xiàn)對埋地非金屬管道的準(zhǔn)確定位。

圖1 埋地非金屬管道定位儀的工作原理示意圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 發(fā)射機(jī)

如圖2所示，發(fā)射機(jī)主要由STM32主控芯片，OLED顯示屏，鍵盤，藍(lán)牙接收電路，移動控制端，隔離電路，信號幅值調(diào)節(jié)電路，音頻功率放大電路和高音驅(qū)動頭組成。音頻信號由主控器內(nèi)部定時器產(chǎn)生，主控器通過幅值調(diào)節(jié)電路和音頻功率放大電路，實(shí)現(xiàn)輸出信號幅值和功率的精確調(diào)節(jié)。

圖2 音頻發(fā)射裝置原理框圖

2.1.1 主控模塊

如圖3所示，主控制器采用STM32F103C8T6單片機(jī)，單片機(jī)的引腳OSC_IN、OSC_OUT外接一個8 MHz的石英晶體振蕩器作為系統(tǒng)時鐘。引腳PA5、PA6用IIC接口連接OLED顯示屏，用來顯示輸出模式、信號頻率、輸出功率等參數(shù)。引腳PA8輸出PWM音頻信號。引腳PB12、PB13、PB14、PB15接4個獨(dú)立式按鍵，用來設(shè)置探測模式、調(diào)節(jié)輸出音頻信號頻率和發(fā)射功率等參數(shù)。引腳PB4、PB5、PB6連接x9c102s數(shù)字電位器，用來調(diào)節(jié)音頻功率放大電路的放大倍數(shù)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

圖3 主控制器硬件連接圖

2.1.2 音頻功率放大模塊

在本設(shè)計中，需要將主控制器輸出的微弱音頻模擬信號進(jìn)行放大。音頻功率放大模塊可以將輸入的音頻模擬信號進(jìn)行放大，使其能驅(qū)動一定阻抗的高音驅(qū)動頭。

功放模塊采用TPA3116功放芯片來完成，TPA3116是TI公司出品的一款高效的數(shù)字音頻功率放大芯片，片內(nèi)集成的120 m歐姆MOSFET，可提供高達(dá)7.5 A的輸出電流，具有高效率、性能好、非線性失真低等優(yōu)點(diǎn)[6]。在電源電壓滿足的情況下，可以提供2×50 W的功率。TPA3116可以輸入單端信號和差分信號，兩路輸入分別為左右聲道，并且內(nèi)置了故障保護(hù)電路，保證芯片正常工作，其外部連接電路如圖4所示。本設(shè)計中使用的主要引腳功能如下。

RINP：右聲道音頻輸入正極。

RINN：右聲道音頻輸入負(fù)極。

PLIMIT：功率限制水平調(diào)整，在GVDD到GND之間連接一個電阻分壓器來設(shè)定功率限制。

BSNR：右聲道負(fù)輸出引導(dǎo)，需要連接280nF的電容至OUTNR。

OUTNR：右聲道音頻輸出負(fù)極。

OUTPR：右聲道音頻輸出正極。

BSPR：右聲道正輸出引導(dǎo)，需要連接280nF的電容至OUTPR。

音頻信號由數(shù)字電位器引腳3端通過電容C26輸入TPA3116功放芯片右聲道音頻正極RINP，通過電容C27將右聲道音頻負(fù)極RINN輸入交流接地，電容C27的值等于正極上的輸入電容C26。其他未使用的信號輸入端接地，以實(shí)現(xiàn)最佳的噪聲性能。

圖4 音頻功率放大電路原理圖

2.1.3 電源模塊

發(fā)射機(jī)需要提供3種不同的電壓值才能正常工作，使用降壓穩(wěn)壓技術(shù)設(shè)計電源模塊來使發(fā)射機(jī)可以用同一個電池供電。電源模塊電路如圖5所示。采用三次降壓方式，18 V直流電源為音頻功放電路供電。18 V直流電源經(jīng)過LM2596S DC-DC直流可調(diào)降壓穩(wěn)壓模塊后輸出5 V直流電壓為藍(lán)牙通信模塊、隔離電路和信號幅值調(diào)節(jié)電路供電，再利用AMS1117降壓穩(wěn)壓芯片將5 V轉(zhuǎn)換輸出3.3 V直流電壓為STM32微控制器和OLED顯示屏供電。

圖5 電源電路原理圖

2.1.4 藍(lán)牙模塊

將手機(jī)等無線設(shè)備當(dāng)做主機(jī)，將音頻發(fā)射機(jī)作為從機(jī)，將主控制器與手機(jī)進(jìn)行無線連接，通過手機(jī)藍(lán)牙發(fā)送不同的指令來實(shí)現(xiàn)輸出信號模式和參數(shù)的無線調(diào)節(jié)控制?？刂葡到y(tǒng)中采用BT04-A藍(lán)牙模塊，直接將其RX、TX端口連接到STM32F103芯片的USART_TXD和USART_RXD，如圖6所示。

圖6 藍(lán)牙模塊連接電路圖

圖7 數(shù)字電位器連接電路圖

2.1.5 數(shù)字電位器模塊

數(shù)字電位器通過微控制器寫入數(shù)字量來調(diào)整阻值，具有阻值調(diào)節(jié)范圍大、調(diào)節(jié)的阻值精準(zhǔn)、穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，是一種新型的可編程電阻器。本設(shè)計中采用數(shù)字電位器對輸出的3.3 V峰值信號進(jìn)行分壓，調(diào)節(jié)輸出信號的電壓幅值，電路連接如圖7所示。主控芯片引腳PE12、PE13、PE14引腳分別連接數(shù)字電位器的CS、INC和U/D三根信號控制線。CS控制片選，低電平有效。INC控阻值調(diào)整，INC下降沿使數(shù)字電位器阻值加、或者減10歐姆。U/D控制阻值調(diào)整方向，高電平為加、低電平為減。

2.2 接收機(jī)

接收機(jī)包括STM32微控制器、振動傳感器、電壓放大電路、數(shù)字濾波器、降噪模塊、觸摸屏和監(jiān)聽耳機(jī)，如圖8所示。接收機(jī)在工作狀態(tài)下，通過振動傳感器采集管道中發(fā)射機(jī)產(chǎn)生的音頻信號，然后將接收到的音頻信號傳遞到放大電路進(jìn)行信號放大處理，經(jīng)CPU進(jìn)行數(shù)字濾波/頻譜分析后，生成頻譜并發(fā)送給觸摸屏顯示出來，頻譜的幅度表示音頻信號的強(qiáng)度，幅度越大，表示音頻信號越強(qiáng)。操作人員可針對不同土質(zhì)靈活的選取不同頻率段的電信號，并根據(jù)該電信號生成頻譜，實(shí)現(xiàn)在不同的環(huán)境中定位探測，并準(zhǔn)確的判斷出管道的位置。同時還可以通過耳機(jī)監(jiān)聽音頻信號，協(xié)助操作人員做出更準(zhǔn)確的判斷。

圖8 音頻接收裝置組成結(jié)構(gòu)圖

放大電路設(shè)計:

振動傳感器將管道內(nèi)的輕微振動轉(zhuǎn)換為電壓信號，通過電壓放大電路將該信號進(jìn)行前置放大，保證信號在傳輸過程中不會因?yàn)樾盘枏?qiáng)度太小導(dǎo)致信號丟失，確保信號傳遞的完整性以及信號分析的準(zhǔn)確性[7]。

如圖9所示，電壓放大電路采用三運(yùn)放數(shù)據(jù)放大器，A1和A2組成了前級輸入，A1的同向輸入端作為第一信號U1i輸入端，A2的同向輸入端作為第二信號U2i輸入端，A3為后級的差分式減法電路，作為信號輸出端。在該電路中，由于第一級為串聯(lián)電壓負(fù)反饋，輸入電阻很高，當(dāng)A1和A2特性相同時，能夠很好地抑制共模信號，減小溫度漂移。

圖9 放大電路原理圖

2.3 設(shè)計參數(shù)

適用管道：外網(wǎng)；

頻率：1～10 000 Hz；

增益：10級可調(diào)；

音量：10級可調(diào)；

工作環(huán)境溫度：-20～+50 ℃；

探測深度：≤200 mm；

充電時間：15小時；

待機(jī)時間：7～8小時；

接收機(jī)功率：≈2 W；發(fā)射機(jī)功率：可以從5 W到50 W調(diào)節(jié)；

充電器：5 V、2 A、USB充電；

主機(jī)重量：0.7 kg；

主機(jī)尺寸：長：214 mm，寬：146 mm，高：48 mm。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

發(fā)射機(jī)控制軟件由微處理器初始化模塊、藍(lán)牙接收數(shù)據(jù)處理與信息回傳模塊、信號輸出控制模塊和屏幕顯示信息控制模塊組成。

3.1 發(fā)射機(jī)主程序設(shè)計

主程序先進(jìn)行各種外設(shè)和微控制器初始化、然后進(jìn)入無限循環(huán)，在循環(huán)程序中完成藍(lán)牙串口通信數(shù)據(jù)處理與信息回傳、音頻信號輸出及控制、按鍵掃描及處理和數(shù)據(jù)顯示更新等功能，程序流程如圖10所示。

STM32主控芯片使用一個32位定時器，帶輸出比較功能的通道產(chǎn)生PWM(脈寬調(diào)制)音頻信號，根據(jù)需要輸出的信號頻率設(shè)置ARR(自動重裝)寄存器的值，實(shí)現(xiàn)音頻信號輸出頻率控制。

所有按鍵識別及處理都在掃描按鍵的定時器中斷服務(wù)函數(shù)中實(shí)現(xiàn)；對手機(jī)發(fā)送信息的處理需要利用STM32F103芯片的串口中斷完成，然后把數(shù)據(jù)存入藍(lán)牙接收數(shù)組，再進(jìn)行數(shù)據(jù)識別及處理。

圖10 主程序流程圖

3.2 按鍵和藍(lán)牙接收程序設(shè)計

通過定時器中斷產(chǎn)生固定的時間間隔，定時掃描I/O口電平進(jìn)行參數(shù)調(diào)整按鍵檢測，可以避免使用外部中斷時在中斷服務(wù)函數(shù)中使用延時消抖的弊端?？梢詫?shí)現(xiàn)短按和長按效果，為了兼顧按鍵的靈敏度和準(zhǔn)確度，實(shí)現(xiàn)每次短按必定被檢測到且不被多次觸發(fā)，按鍵的定時掃描間隔時間設(shè)置較短。為了防止一次按鍵多次觸發(fā)，程序中判斷連續(xù)兩次按下的時間間隔，只有時間間隔超過一定時間，才會成功觸發(fā)。

藍(lán)牙串口開啟IDLE中斷，可以接收不定長度字節(jié)數(shù)據(jù)且不用數(shù)據(jù)幀幀尾。程序流程圖分別如圖11～12所示。

圖11 按鍵檢測程序流程圖

圖12 藍(lán)牙串行口程序流程圖

3.3 接收機(jī)數(shù)字濾波程序設(shè)計

管道上方接收到的音頻信號會與外界噪聲混在一起，對定位的準(zhǔn)確性形成有效干擾。為了解決這一問題，設(shè)計音頻信號數(shù)字濾波器，程序設(shè)計步驟如下：

1)對音頻數(shù)據(jù)流進(jìn)行分幀；

2)將連續(xù)兩幀數(shù)據(jù)組合，再將組合后的數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT (fast Fourier transform)變換，得到信號的頻率和幅值；

3)對FFT結(jié)果加漢寧窗；

4)對加窗后的FFT結(jié)果進(jìn)行FFT反變換；

5)將FFT反變換結(jié)果剔除不需要的頻率成分，消除邊界效應(yīng)的影響，取出中間二分之一，得到一幀實(shí)際需要的音頻數(shù)據(jù)。

按上述步驟對接收到的音頻信號進(jìn)行數(shù)字濾波，既能滿足濾波器對幅度和相位特性的嚴(yán)格要求，又可以避免模擬濾波器所無法克服的電壓漂移、溫度漂移和噪聲等問題，提高了定位的準(zhǔn)確性。

4 測試結(jié)果與分析

4.1 測試場實(shí)驗(yàn)測試

在室外開闊地域埋地PE管道三根，長度均為1 000 m，管徑分別為50 mm、150 mm、300 mm，間隔1 m，埋深50～180 cm，斜放。在不同的埋深及不同管徑情況下記錄測定的水平精度、檢出率及有效距離，測試結(jié)果如表1所示。

表1 非金屬管道探測的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

由表1可知該定位儀定位比較準(zhǔn)確，抗干擾能力強(qiáng)，不同管徑和不同埋深的平均檢出率達(dá)到80%以上，檢測有效長度達(dá)1 000 m。

4.2 市政自來水管網(wǎng)測試

由于市政自來水管道覆蓋范圍大，先從閥門井或者消防栓開始，沿著管道走向以3～5 m為一段間距，使用定位模式探測。在間距區(qū)域內(nèi)對相關(guān)點(diǎn)進(jìn)行信號采集比對，定位模式下最多可采集16個點(diǎn)位，每一個檢測點(diǎn)位可直接進(jìn)行信號柱的對比，如圖13所示。從左至右依次檢測對比各點(diǎn)信號強(qiáng)度，當(dāng)所測點(diǎn)粗柱狀條最高，數(shù)值最大，可以判斷該處為管道位置點(diǎn)。還可以通過聽耳機(jī)內(nèi)的聲音進(jìn)行各點(diǎn)的比對來協(xié)助判斷。沿管道找出下一個位置點(diǎn)，并依次做出標(biāo)記。在無法確定管道的大致走向時，以接入點(diǎn)為圓心，以3～5 m為半徑，沿著圓周線盲找，找出柱狀條最高的點(diǎn)標(biāo)記為管道第一個位置點(diǎn)，把接入點(diǎn)與第一個點(diǎn)連接起來，就可以判斷出管道大致走向。

圖13 定位信號頻譜變化圖

5 結(jié)束語

本文針對目前大量地下非金屬管道沒有明顯的地表標(biāo)識，難以確定管道的具體位置這一問題，設(shè)計了一種基于音頻定位方法的埋地非金屬管道定位儀，介紹了定位儀的工作原理，音頻發(fā)射裝置和接收裝置的系統(tǒng)組成、主要硬件原理圖和控制軟件的開發(fā)與設(shè)計。測試結(jié)果表明：該定位儀定位比較準(zhǔn)確，抗干擾能力強(qiáng)，水平精度達(dá)20 cm, 埋深探測有效深度達(dá)180 cm，不同管徑和不同埋深的平均檢出率達(dá)到80%以上，檢測有效長度達(dá)1 000 m。

該定位儀用于城市建設(shè)施工開挖過程中對埋地管道進(jìn)行探測，可以有效避免管道被挖斷，造成自來水和燃?xì)庑孤┑仁鹿剩Ｗo(hù)人民群眾的生命和財產(chǎn)安全，同時也為管理和維護(hù)城市中的埋地管網(wǎng)帶來方便。