基于TMS320VC5402供水管道漏水检测仪设计

第 ３１ 卷 第 ４ 期 ２ ０ １ ２年１ ２月
计 算 技 术 与 自 动 化 Ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ
文 章 编 号 ：１００３－６１９９（２０１２）０４－００４３－０４
Ｖｏｌ．３１，Ｎｏ．４ Ｄｅｃ．２ ０ １ ２
基于 ＴＭＳ３２０ＶＣ５４０２供水管道漏水检测仪设计
（４）
２ 漏 水 检 测 的 原 理
图１ 漏水点定位示意图
２．１ 管 道 泄 漏 信 号 的 频 率 特 性
管道漏水是一种承压状态下的水射现象。当
某处漏水时，压力 水 从 管 道 裂 口 处 向 外 喷 射，压 力
水与管道裂口缝隙间的摩擦产生管道振动。研究
指 出 ，铸 铁 供 水 管 道 的 漏 水 声 音 信 号 频 率 主 要 集 中
收 稿 日 期 ：２０１２－０７－１７ 基金项目：广东省工业攻关项目资 助 （２０１１Ｂ０８０７０１０４５）；广 州 市 科 技 攻 关 项 目 资 助 （２０１２Ｊ４３００１１２）；广 州 市 珠 江 科 技 新 星 专 项 项 目
（２０１１Ｊ２２０００８４）；中 央 高 校 基 金 基 本 科 研 业 务 费 项 目 （２０１１２Ｍ０１２６） 作 者 简 介 ：邹 文 欢 （１９８８— ），男 ，广 西 北 流 人 ，硕 士 研 究 生 ，控 制 理 论 与 控 制 工 程 专 业 ，研 究 方 向 ：智 能 仪 表 与 信 号 处 理 （Ｅ－ｍａｉｌ：ｗｅｎ－
（Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，Ｓｏｕｔｈ Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ ５１０６４０，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｉｍｉｎｇ ａｔ ｔｈｅ ｆｅａｔｕｒｅｓ ｏｆ ｃｕｒｒｅｎｔ ｄｏｍｅｓｔｉｃ ｗａｔｅｒ ｓｕｐｐｌｙ ｐｉｐｅｌｉｎｅ ｌｅａｋａｇｅ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｂｙ ｍａｎｕａｌ ｌｉｓｔｅｎｉｎｇ，ｉ．ｅ．
Ｒｘ１ｘ２ （ｍ）＝ Ｅ［ｘ１（ｋ）ｘ２（ｋ－ｍ）］
（７）
其中，Ｅ 表示数学期望；ｍ 是时间参数。
实际中 的 观 测 数 据 总 是 有 限 的，对 于 Ｎ 个 观
测 值 的 离 散 时 间 信 号 ，互 相 关 函 数 的 无 偏 估 计 为 ：
Ｎ－１－ｍ
∑ ＾Ｒｘ１ｘ２
（ｍ）＝
Ｎ
１ －ｍ
ｘ１（ｋ）ｘ２（ｋ－ｍ）
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｐｉｐｅｌｉｎｅ ｌｅａｋａｇｅ；ＤＳＰ；ｐｏｗｅｒ ｓｐｅｃｔｒｕｍ；ｃｒｏｓｓ－ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ
１ 引 言
供水管道泄漏对我国城市供水造成严重的浪 费。目前我国大部分城市使用的检漏手段基本上 还是以人工听音的方法为主。听漏工人借助简单 的 听 漏 仪 器 ，沿 着 供 水 管 道 走 线 在 路 面 逐 米 听 测 地 下声音，并 根 据 经 验 来 判 断 地 下 管 道 是 否 存 在 漏 水。这种人工听 漏 的 方 法 可 靠 性 低、抗 干 扰 性 差，
ｋ＝０
（８）
其中：０≤ ｍ ≤ Ｎ －１
根据相 关 函 数 的 性 质，在 相 关 性 最 强 的 时 刻
＾Ｒｘ１ｘ２ （ｍ）将达到峰值。所 以，两 路 传 感 器 的 时 间 差 的 确 定 就 变 成 了 相 关 函 数 峰 值 位 置 的 检 测 。对 于 长
度为 Ｎ 的传感器信号，时间差τ为：
对ｘＮ （ｎ）真实功率谱＾Ｐ（ｅｊω ）的估计［５］，即：
Ｎ－１
∑ ＾Ｐ（ω）＝
１ Ｎ
ＸＮ
（ω）２
＝
１ Ｎ
ｘ（ｎ）ｅ－ｊωｎ ２
ｎ＝０
（１）
由 于 周 期 图 法 谱 估 计 的 方 差 性 能 不 太 好 ，本 文
采用改进的周期图法对管道的振动信号进行功率
谱估计。将采集到的数据分成 Ｌ 段，每段有 Ｍ 个数
在 １０００Ｈｚ～２０００Ｈｚ之 间 。 ［４］ 本 文 采 用 改 进 周 期
图法对传感器采集到的管道振动信号进行功率谱
估计。周 期 图 法 是 把 采 集 到 的 Ｎ 点 随 机 数 据
ｘＮ （ｎ）视为能量有限的 信 号，直 接 取 其 傅 里 叶 变 换
得到ｘＮ （ω），然后 再 取 其 幅 值 平 方 并 除 以 Ｎ，作 为
需要耗费大量人力。且听漏工人需要多年的经验 积累才能对地下管道泄漏声音有一个较为准确的 认 识 。 随 着 微 电 子 技 术 的 快 速 发 展 ，泄 漏 噪 声 相 关 检测法得了广泛的应用。该方法通过传感器采集 供 水 管 道 的 振 动 信 号 ，并 对 这 些 信 号 进 行 功 率 谱 估 计 来 判 断 管 道 是 否 存 在 泄 漏 。 若 管 道 存 在 泄 漏 ，则 在 管 道 上 的 两 点 同 时 采 集 泄 漏 噪 声 ，然 后 对 这 两 路 噪声进行互相关运算求 出 时 间差 来进 行 漏 水 点 定 位 。 ［１］
４５
数据采集模块、ＺｉＢｅｅ无 线 通 信 模 块 和 单 片 机 人 机 接口模块构成。系统框图如图２所示。
２５００Ｈｚ。
图 ２ 漏 水 检 测 仪 硬 件 框 图
ห้องสมุดไป่ตู้
ＤＳＰ 最 小 系 统 模 块 由 ＤＳＰ、ＣＰＬＤ、ＲＡＭ 和 ＦＬＡＳＨ 构成。为了实现较快的 启 动 速 度，设 计 时 把保存程序的 ＦＬＡＳＨ 芯片地址划分 到 ＤＳＰ 的 数 据区，ＤＳＰ 上 电 后 采 用 并 行 ｂｏｏｔｌｏａｄｅｒ将 片 外 程 序 搬 到 片 内 程 序 区 并 运 行 。 ［２］ ＲＡＭ 芯 片 与 ＦＬＡＳＨ 芯片由 ＣＰＬＤ 通过地址线 Ａ１５实现片选， 其中 ＤＳＰ 片外 ＲＡＭ 芯片的地址分配为 ４０００Ｈ～ ７ＦＦＦＨ，ＦＬＡＳＨ 芯 片 的 地 址 为 ８０００Ｈ ～ ＦＦＦＦＨ。
ｈｕａｎｚ＠１６３．ｃｏｍ）；罗 飞 （１９５７— ），男 ，教 授 ，博 士 生 导 师 ，博 士 ，研 究 方 向 ：智 能 控 制 技 术 和 控 制 系 统 分 析 与 集 成 。
４４
计算技术与自动化
２０１２ 年 １２ 月
本文根据 泄 漏 噪 声 相 关 检 测 法，设 计 了 基 于 ＴＩ（Ｔｅｘａｓ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ）公 司 １６ 位 定 点 ＤＳＰ 芯 片 ＴＭＳ ３２０ＶＣ５４０２（以下简称 ＶＣ５４０２）和５１单片机 的漏水检测仪。其中 ＤＳＰ 用于管道振动数据的采 集、算法处理及主从机之间通 信，５１ 单 片 机 用 于 人 机接口。ＶＣ５４０２属于 ＴＩ公司 Ｃ５０００超低功耗产 品，功耗低至４０ｍＷ，运行频率最高可达 １００ＭＨｚ， 适用于 音 频 信 号 处 理 的 嵌 入 式 场 合 。 ［２，３］ 该 ＤＳＰ 完全满足漏水检测仪处理大量数据低功耗和实时 性要求。
２．２ 漏水点定位原理
若 供 水 管 道 发 生 泄 漏 ，泄 漏 声 音 信 号 就 会 沿 着
管 壁 向 管 道 两 端 传 播 。在 该 管 道 上 的 安 置 两 个 传 感
器 ，对 这 两 个 传 感 器 采 集 到 的 信 号 进 行 互 相 关 分 析
即可对漏水点进行定位［６］。假设管道泄漏位置 如 图
１所示。设管道长度为Ｌ，漏水点Ｏ 距离Ａ 传感器的
距离为 Ｌａ，距离 Ｂ 传感器 的 距 离 为Ｌｂ（设 Ｌａ 大 于 Ｌｂ），泄漏噪声沿管道传输的速度为Ｖ，那么泄 漏 噪 声沿管道传输到 Ａ 点和Ｂ 点的时间差：
τ＝
Ｌａ －Ｌｂ Ｖ
＝
Ｌａ
－
（Ｌ Ｖ
－Ｌａ
）＝
２Ｌａ －Ｌ Ｖ
得 ：Ｌａ
＝
Ｌ ＋τＶ ２
τ ＝ Ｎ －ｍｐ ｆ
（９）
其中，ｍｐ 是相关函数的峰 值 位 置；ｆ 是 传 感 器 的采样频率。
３ 漏水检测仪结构设计
３．１ 硬件电路设计 漏水检测仪 硬 件 部 分 由 ＤＳＰ 最 小 系 统 模 块、
第 ３１ 卷 第 ４ 期
邹文欢等：基于 ＴＭＳ３２０ＶＣ５４０２供水管道漏水检测仪设计
邹 文 欢 ，罗 飞 ，许 玉 格
（华南理工大学 自动化科学与工程学院，广东 广州 ５１０６４０）
摘 要：针对当前国内供水管道听音检漏方法可靠性低、抗干扰性差等特点，本文根据供水管道 泄 漏 声
信号的频率分布特点及互相 关 检 测 法，设 计 基 于 ＴＭＳ３２０ＶＣ５４０２ 的 漏 水 检 测 仪。 该 仪 器 采 用 改 进 周 期 图 法对管道振动信号进行功率谱估计来判断管道是否存在泄漏。 在 对 漏 水 点 定 位 时，使 用 两 台 漏 水 检 测 仪 同 时采集管道泄漏声信号并用互相关算法计算漏水点的位置。文中给出漏水检测仪的硬件设计框图和软件 流程图。整个系统由 ＤＳＰ 最小系统、数据采集模块、无 线 通 信 模 块 以 及 单 片 机 人 机 接 口 模 块 构 成 。 实 验 结 果 表 明 ，该 仪 器 具 有 较 好 的 检 漏 能 力 且 定 位 误 差 在 半 米 以 内 。
ｌｏｗ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｐｏｏｒ ａｎｔｉ－ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ，ａｎｄ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｓｉｇｎａｌ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｏｆ ｔｈｅ ｗａｔｅｒ ｓｕｐｐｌｙ ｐｉｐｅｌｉｎｅ ｌｅａｋ－ ａｇｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｃｒｏｓｓ－ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｄｅｓｉｇｎｓ ａ ｌｅａｋａｇｅ ｄｅｔｅｃｔｏｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ＴＭＳ３２０ＶＣ５４０２．Ｔｈｅ ｄｅｔｅｃｔｏｒ ｕ－ ｓｅｓ ｍｏｄｉｆｉｅｄ ｐｅｒｉｏｄｏｇｒａｍ ｔｏ ｅｓｔｉｍａｔｅ ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｓｐｅｃｔｒｕｍ ｏｆ ｔｈｅ ｐｉｐｅ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｓｉｇｎａｌ ａｎｄ ｔｈｅｎ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅ ｗｈｅｔｈｅｒ ｔｈｅｒｅ ｉｓ ａ ｌｅａｋａｇｅ．ｗｈｅｎ ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ ｏｎ ｔｈｅ ｌｅａｋａｇｅ ｐｏｉｎｔ，ｔｗｏ ｄｅｔｅｃｔｏｒｓ ａｒｅ ｕｓｅｄ ｔｏ ｓａｍｐｌｅ ｔｈｅ ｐｉｐｅｌｉｎｅ’ｓ ｌｅａｋａｇｅ ｓｉｇｎａｌ ａｔ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｔｉｍｅ ａｎｄ ｔｈｅｎ ｃｒｏｓｓ－ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｉｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｃａｌｃｕｌａｔｅ ｔｈｅ ｌｅａｋａｇｅ ｐｏｉｎｔ．Ｔｈｅ ｈａｒｄｗａｒｅ ｓｃｈｅｍｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｃｈａｒｔ ｏｆ ｌｅａｋａｇｅ－ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ ａｒｅ ｐｒｏｖｉｄｅｄ．Ｔｈｉｓ ｄｅｔｅｃｔｏｒ ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ ｏｆ ＤＳＰ ｍｉｎｉｍｕｍ ｓｙｓｔｅｍ，ｄａｔａ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ｍｏｄｕｌｅ， ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｍｏｄｕｌｅ ａｎｄ ＭＣＵ ｍａｎ－ｍａｃｈｉｎｅ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｍｏｄｕｌｅ．Ｔｈｅ ｔｅｓｔ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｉｓ ｄｅｔｅｃｔｏｒ ｈａｓ ａ ｇｏｏｄ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｉｔｓ ｌｏｃａｔｅ ｅｒｒｏｒ ｉｓ ｗｉｔｈｉｎ ｈａｌｆ ａ ｍｅｔｅｒ．
那么只要求出时间差τ 即可知道漏水点与Ａ
点 的 距 离 。时 间 差τ 可 以 通 过 对 两 路 传 感 器 信 号 的
互相关函数进行峰值检测获得。假设Ａ 路传感器采
集到 的 信 号 为 ｘ１（ｋ），Ｂ 路 传 感 器 采 集 到 的 信 号 为
ｘ２（ｋ），则 ：
ｘ１（ｋ）＝ｓ（ｋ）＋ｎ１（ｋ）
（５）
关 键 词 ：管 道 泄 漏 ；ＤＳＰ；功 率 谱 估 计 ；互 相 关 中 图 分 类 号 ：ＴＨ８９ 文 献 标 识 码 ：Ａ
Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｗａｔｅｒ Ｓｕｐｐｌｙ Ｐｉｐｅｌｉｎｅ Ｌｅａｋａｇｅ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＴＭＳ３２０ＶＣ５４０２
ＺＯＵ Ｗｅｎ－ｈｕａｎ，ＬＵＯ Ｆｅｉ，ＸＵ Ｙｕ－ｇｅ
ｘ２（ｋ）＝αｓ（ｋ－τ）＋ｎ２（ｋ）
（６）
其中，ｋ 是离 散 时 间 变 量；ｓ（ｋ）是 漏 水 声 音 信
号；α 是 衰 减 因 子；τ 是 未 知 的 时 间 差；ｎ１（ｋ）和
ｎ２（ｋ）是 漏 水 信 号 传 播 过 程 中 叠 加 的 噪 声 。
ｘ１（ｋ）和 ｘ２（ｋ）的 互 相 关 函 数 为 ：
据，相邻段之间有５０％ 的数据重叠，则第ｉ段数据
的功率谱估计为：
Ｍ－１
∑ ＰｉＭ
（ω）＝
１ Ｍ
ｘｉ（ｎ）ｅ－ｊωｎ ２
ｎ＝０
整个序列的频谱估计为
（２）
Ｌ
∑ ＾Ｐ（ω）＝
１ Ｌ
ＰｉＭ
ｉ＝１
（ω）
（３）
对 供 水 管 道 的 振 动 数 据 进 行 功 率 谱 估 计 ，若 估
计 曲 线 显 示 在 １０００Ｈｚ～ ２０００Ｈｚ之 间 存 在 较 为 明 显 的 频 谱 尖 峰 ，则 可 以 判 断 管 道 可 能 存 在 泄 漏 。