·891· 计算机应用研究 2005 年 基 于 ARM 处 理 器 的 地 下 输 水 管 道 渗 漏 检 测 仪 孙天泽 1 , 袁文菊 2, 王越峰 1 , 易 松华3 ( 1. 清华 大学 计算 机与 信息 管理 中心 , 北京 100084; 2. 中国 地质 大 学 地 下信 息 探 测技 术 与 仪器 教 育 部重 点 实 验室 , 北京 100083; 3. 北 京麦克 泰软 件技 术有 限公 司, 北 京 100094) 摘 要: 根 据相 关检 测的 基本 原理 , 提 出使 用相 关检 测 方法 进 行 漏水 检 测。 结 合 ARM 嵌 入 式 处理 器 的 低 功 耗 特性 , 设 计了 一种 低功 耗、便携 式地 下输 水管 道渗漏 检测 仪方 案。 关键 词: 嵌 入式 ; 数 据采 集; 相 关; ARM 中图 法分 类号 : TP368. 2 文章 编号 : 1001- 3695( 2005) 04- 0198- 02 文献 标识 码: A Detection Instrument of Underground Conveying Water Pipelines Based on ARM Processor SUN Tian-ze1, YUAN Wen-ju2, WANG Yue-feng1 , YI Song-hua3 ( 1. Computer & Information Management Center, Tsinghua University, Beijing 100084 , China; 2. Geo-detection Laboratory of Ministry of Education, China University of Geosciences, Beijing 100083, China; 3. Limited Company of Maiketai in Beijing, Beijing 100094 , China) Abstract: Gives an idea of water leakage using correlation detection method which according to the basic principle of correla- tion detection. With the low power feature of ARM processor, designed an scheme of low power, portable detector of under wa- ter pipes leakage. Key words: Embedded; Data Acquire; Relevant; ARM 地下自来水管道的泄漏检 测和维 修是城 市给水 工程中 的 一个重要环节。在我国的城市给水系统中, 每年因泄漏而造成 的浪费相当 惊 人。据 统 计漏 水 率 平 均 达到 供 水 量 的 10% 以 上, 有些地区超过 20% 。每年有数 十亿吨的自 来水白 白流失, 造成巨大水资源浪费和重大的经济损失。目前, 在一些发达国 家已经广泛地采用声学检测设备做例行的漏点检测工作, 我国 也曾先后引进若干台这类先 进设备, 除 去价格 因素, 设备的 操 作、性能都有局限性。通 常都是 在多个 点放置 多台仪 器, 构 成 分布式系统, 利用相 关算法 得出具 体的漏 水地点。很 明显, 使 用这种检测方法的可移动性为零, 应用的效果不好。要想检测 的范围广, 则必须安 装多台 设备, 成本会 增加很 多。如果把 这 种大型仪器开发成类似掌上 设备, 随着 检测人 员的走 动, 检 测 点随之变化, 必然会 扩大此 类产品 的应用。近 几年来, 随着 低 功耗处理器 ARM 的出现, 信号 采集存 储系统 的功耗 和体积 不 断减少, 满足便携式的要求, 使得掌上仪器的开发成为可能。 1 相关检测的基本原理 相关检测是利用相关原 理对某 些物理 量进行 检测。两 个 信号的互相关函数是一个有用的统计量, 它可以用来了解两个 已知( 随机的或非 随机 的) 信 号之 间的 相似程 度, 或者 两个 已 知( 相似或相同) 信号之间的时间 关系。对两个信号 进行时 差 调整, 就可以求得相关函 数的最 大值, 从而了 解它们 之间的 相 似程度。如果已知这两个信号是相似的, 则这个时差就等于它 们之间的时间延迟。相关检测的基本原理如图 1 所示。 设一条均匀直管道某处( O 点) 漏水, O 点处的泄漏引起向 收稿日期: 2004- 03- 17; 修返日期: 2004- 06- 01 漏点两侧管壁中传播的声 信号 s( t) 和 n( t) , 在漏 点两 侧旋 转 传感器 A, B 接触管道露出部位, 在 A, B 两处 观测点 的声压 信 号分别为 x( t) = s( t) + n1 ( t) 式中 n1 ( t) 和 n2( t) 均为高斯噪声, 信号与噪声统计独立。s( t) 为漏点源信号, △t 为两个不同接收点之间产生的时间差。 y( t) = s( t - △ t) + n2( t) 前放 粤 蕴粤 粤 粤辕阅 放大滤波器 韵 蕴 计算机处理 前放 月 s(t) 蕴月 月 图 1 检漏 原理框 图 在图 1 中, 设两个不同接收点位置分别为 LA 和 LB, 两传感 器之间的距离为 LAB。到达传感器 A, B 两点时间为 tA = LA /V tA = LB /V 则两者时间差为 △t = LA - LB V ( 1 ) 又 ( 2 ) 因为管道埋设在 地下, 我 们 看不 到 O 点, 也不 知道 LA 和 LAB = LA + LB LB 的长度, 已知的是 LAB和 V, 联立式( 1) 和式( 2) 得: LB = ( LAB - V·△t) 2 ( 3) 其中, LAB为 A, B 两点的距 离; V 为漏 水声传播速 度; Δt 为相 关 检测时间差; LB为漏点到 B 传感器的距离。 求出 LB( LA) 就可以找到漏点的准确位置。 检测时, 将 A, B 两个 压电传 感器分 别置于 自来水 井部 位 露出的管道两端。把埋于几米 深的地 下自来 水的微 弱漏水 声 信号转换成电信号。通过电缆 送到与 传感器 阻抗相 匹配的 放 大器输入级, 经前置放大, 通过带通滤波器进行预处理, 使管道 

第 4 期 孙天泽等: 基于 ARM 处理器的地下输水管道渗漏检测仪 ·991· 漏水声音的频率 200Hz ～2 000Hz 信号 顺利通 过, 滤掉 其他 频 率成分, 以减少噪音 的干扰。该 信号经 过电压 放大, 经数据 采 集板进行采样和量化, 然 后在计 算机中 进行处 理, 得 出时间 差 ( 时延估计值) 。 2 地下输水管道渗漏仪的系统构成 作为手持设备, 体积和待机时间是首要考虑的因素。因此 本系统选择了具有低功耗特性的嵌入式 处理器 ARM。在 数据 存储方面, 电子盘的成本过高, 如 果数据量 不是很 大, 只 用 Nor 型 Flash 就可以满足 需 求。 无线 数 据传 输也 有 多种 方案 可 以 选择, 本系统选择了 超小型 无线 数据 传输 模块 PTR2000, 其 特 点是体积小, 携带方 便; 功耗 低, 接收 状态 250uA, 待机 状态 仅 为 8uA; 接口简单, 只用 RS-232 即可完成 数据传输。整个 系统 可分成数据采集模块、接口电路和通信模块三个部分。数据采 集模块主要功能是进行数据采集工作。功能框图如图 2 所示。 粤灶葬造燥早陨灶责怎贼 月怎枣枣藻则悦蚤则糟怎蚤贼 悦杂缘猿怨远 悦孕蕴阅 粤凿凿则藻泽泽 阅葬贼葬 宰耘 杂砸粤酝 粤陨晕砸垣 粤陨晕砸 灾月蕴粤杂员 灾月蕴粤杂圆 粤陨晕蕴粤陨晕蕴垣 蕴砸悦运 杂悦蕴运 杂阅粤栽粤 悦粤蕴 酝悦哉 图 2 数据 采集框 图 接口电路的功能框图由四个部分组成: ( 1) 采样速率控制电路。用于 对输入时 钟 CLK 和 CS5360 输出的 LRCK 进行分频处理, 以控制整个系统的采样速率。 ( 2) 串并转换电路。将 CS5360 输出的串 行数据 转换为 并 行数据输出, 并产生相应的 RAM 写信号。 ( 3) 地址产生电 路。生成 RAM 的地 址 控制 信号, 每 写 完 一次 RAM, 地址自动加 1。 ( 4) 地址译码及控制电路。完成对 系统地 址总线 的译码, 产生各种必需的控制信号。 通信模块的功能是负责设备之间的数据通信, 并用相关算 法求得漏水 点。每个 设 备都 有主 或 从选 项, 从 机负 责提 供 数 据, 而主机用来进行运算, 所求 得的值 是以该 主机为 位置参 照 的。因为通信模块使用的串口连接, 因此硬件连接和软件编程 都相当简单。功能框图如图 3 所示。 电源模块 云造葬泽澡 杂阅砸粤酝 键盘 显示模块 粤砸酝 处理器 串口 图 3 系统 功能框 图 粤辕阅 模块 哉杂月 网卡 通讯模块 其中 USB 和网卡是 可选 的, 在系统 中添 加 它的 原因 是 与 PC 机进行数据交换。 3 软件设计 EP7312 处 理 器 ( 基 于 ARM720T 核) 内 部 有 128 字 节 的 BOOT ROM( 只读内存 ) 和 48KB 的 SRAM( 静态 存 储器 ) 。 当 需要下载操作系统 装 载程 序时 ( 通 常 叫做 Loader) , 处理 器 采 用内部模式方式启动, 运 行 BOOT ROM 中的 固化 程序 初始 化 内部的 COM 口, 初始化完成的 COM 口接收 2KB 数据到 SRAM 中, 2KB 程序是用来真正装载系统的, 相当于 PC 机的 BIOS( 基 本输入 / 输出系 统) 。这段 程 序装 载到 SRAM 后, 处 理器 自 动 跳转到这里并开始执行。它的功能是通过 COM 口接收数据到 DRAM( 动态随机存取存储 器) , 然后 由 DRAM 写入 Flash。 写 入完成后, 切换到外部启动模式, 系统复位后自动跳 转到 Flash 的 0X00000000 地址运行操 作系统, 并调 度应 用程 序。 解决 了 处理器的引导问题后, 接下来就是应用程序的开发。其软件流 程图如图 4 所示。 任何一个过程 出错都将返回 错误信息袁 并 等待复位选 初始化 参数设置 数据采集 数据分析 显示结果 检测硬件设备 波特率袁主袁从设置 开始采集数据 进行相关运算袁判断是否漏水 员 分钟后自动休眠 图 4 软件流 程图 4 总结 本文 介绍 了一 种基 于 ARM 技 术的 地下 输水 管道 渗漏 检 测仪。相对于从国外引进的大型仪器来说, 该设备具有移动性 强、成本低等特点。无论测 量的水 管长度 是多少, 只要 两台 设 备就可进行测试。鉴于 ARM 处理 器的强 大功能, 完 全可以 把 该设备开发为带有 PDA 功能的检测仪, 而无须增加 硬件费用, 只要在软件上进行修改即可。 参考文献: [ 1] 张贤达 . 现 代信号 处理 [ M] . 北京: 清华 大学 出版社 , 1996 . [ 2] 沈民奋 , 等. 现代 随机 信 号 与 系统 分 析 [ M] . 北 京: 科 学 出 版社 , 1998. [ 3] M S Beck. Correlation in Instruments: Cross Correlation Flowmeters [ J] . J Phys. E: Sci. Instrum, 1981 , 14( 1) . [ 4] Lord A E, Deisher N J, Koerner R M. Attenuation of Elastic Waves in Pipelines as Applied Acoustic Emission Leak Detection[ J] . Material Evaluation, 1977, ( 11 ) . [ 5] Meyr H Spies G Bohmanm J. Real-time Estimation of Moving Time Delay[ C] . ICASSP’82. 1982. [ 6] Fushs H V Richle R. Ten Years of Experience with Leak Detecting by Acoustic Signal Analysis[ J] . Applied Acoustics, 1991, 33( 1 ) . 作者简介: 孙 天泽( 1977 - ) , 男, 助 工, 硕 士 , 主 要 研 究 方 向 为 嵌 入 式 系统 等 ; 袁 文 菊 ( 1977- ) , 女, 助教 , 硕 士, 研究 方向 为弱信 号检测 、嵌入式 系统等 。 ( 上 接第 197 页) 用关键 代码 实现 了仪器 的仿 真效 果和 影像 播 放的控制。此设计思路可用于 其他医 学仪器 仿真效 果的设 计 中。还可以把这些通用的效果开发成独立的模块, 让其他仪器 的仿真软件只需引用这样的模块就可以达到所需的效果, 那么 就可以缩短开发流程, 降低开发难度。这部分工作还有待进一 步研究, 相信有很强的实用性。 参考文献: [ 1] 朱仁 成, 孙爱芳 . Authorware 6 精彩 实例 [ M] . 北京: 电 子工 业 出版 社, 2002. [ 2] 老 虎 工 作 室 . Authorware 多 媒 体 制 作 基 础 培 训 教 程 ( 第 2 版 ) [ M] . 北京 : 人 民邮 电出版 社, 2003. 12. [ 3] 陈雷, 石 岩, 刘 景 峰 , 等. 关 于 中 医 多 媒 体 课 件 开 发 的 理 论 探 讨 [ J] . 中 华综 合临床 医学 杂志, 2003, 4( 5) : 45- 46. [ 4] 菅利荣 , 范亦刚 . 多 媒体 CAI 课 件开 发 中的 关 键技 术 [ J] . 电脑 与 信息技 术, 2002, ( 1) : 46- 49, 60. [ 5] 孙其信 , 刘卉. 用 Authorware 开 发 多 媒体 课 件 的 若干 方 法 与 技 巧 [ J] . 中 国电 化教育 , 2002 , ( 1 ) : 78- 79. [ 6] 张晓, 于 秀梅. 浅议 医学 CAI 课 件开 发 与应 用 中存 在 的 问题 [ J] . 中国医 学教 育技术 , 1999 , 13( 2) : 99- 100 . [ 7] 王国军 , 曾三槐 . 交 互式 CAI 课 件开 发 方法 初 探[ J] . 吉 首 大学 学 报( 自然 科学版 ) , 1998 , 19( 3 ) : 87- 88. 作者简介: 沈 莉 ( 1977 - ) , 女 , 上 海 人, 讲 师, 硕 士 , 研 究 方 向 为 远 程 教 育; 陈 炜 ( 1977- ) , 男, 四川遂 宁人 , 助 理工程 师, 学士 , 研 究方 向为办 公自动 化。