本實(shí)用新型涉及一種信號(hào)采集模塊，特別涉及一種用于燃?xì)夤芫W(wǎng)泄漏瞬變壓力波的實(shí)時(shí)采集模塊。

背景技術(shù)：

隨著城市燃?xì)庑枨蟮募眲≡黾樱鞘腥細(xì)夤芫W(wǎng)規(guī)模日趨龐大，安全隱患和風(fēng)險(xiǎn)也隨之增加。研發(fā)適用于城市燃?xì)夤芫W(wǎng)的泄漏智能檢測(cè)技術(shù)，對(duì)于減少損失，保護(hù)人民生命和財(cái)產(chǎn)安全，保障城市燃?xì)夤芫W(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。燃?xì)夤芫W(wǎng)發(fā)生泄漏時(shí)，泄漏點(diǎn)處產(chǎn)生的泄漏瞬變壓力波能夠在管網(wǎng)內(nèi)通過(guò)管道和燃?xì)饨橘|(zhì)向泄漏點(diǎn)的上下游傳播。通過(guò)檢測(cè)并分析這種泄漏瞬變壓力波的特性能夠?yàn)闇?zhǔn)確判斷燃?xì)庑孤┎⒕_定位管道泄漏點(diǎn)提供可靠依據(jù)。由于一個(gè)城市的燃?xì)夤芫W(wǎng)分布范圍廣，空間跨度大，為了對(duì)整個(gè)管網(wǎng)內(nèi)的泄漏瞬變壓力波信號(hào)實(shí)施全面的監(jiān)控，需要構(gòu)建基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的管網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)中的多個(gè)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)采集管網(wǎng)中各管段內(nèi)燃?xì)獾膲毫?、流量以及泄漏瞬變壓力波參?shù)，這些參數(shù)上傳至遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)處理中心，遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)處理中心根據(jù)泄漏瞬變壓力波信號(hào)中所包含的各種特征來(lái)分析和判斷是否有泄漏的產(chǎn)生。因此燃?xì)夤芫W(wǎng)泄漏瞬變壓力波信號(hào)采集的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性決定了燃?xì)庑孤┡袛嗟年P(guān)鍵因素。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了保證對(duì)燃?xì)夤芫W(wǎng)泄漏瞬變壓力波信號(hào)采集實(shí)時(shí)準(zhǔn)確，本實(shí)用新型提供一種燃?xì)夤芫W(wǎng)泄漏瞬變壓力波實(shí)時(shí)采集模塊.

為實(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型的目的，采用了下述的技術(shù)方案：一種燃?xì)夤芫W(wǎng)泄漏瞬變壓力波實(shí)時(shí)采集模塊，包括信號(hào)采集單元、信號(hào)調(diào)理單元、模數(shù)轉(zhuǎn)換單元、光耦隔離單元、時(shí)間同步單元、ZigBee模塊和電源管理單元；信號(hào)采集單元進(jìn)行信號(hào)實(shí)時(shí)采集并將所采集的信號(hào)輸入信號(hào)調(diào)理單元，所述信號(hào)調(diào)理單元對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波和放大處理后將信號(hào)輸入模數(shù)轉(zhuǎn)換單元，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換單元將信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后將信號(hào)輸入后輸入光耦隔離單元，所述光耦隔離單元將信號(hào)進(jìn)行隔離處理并將信號(hào)輸入ZigBee模塊，所述ZigBee模塊將信號(hào)進(jìn)行打包并經(jīng)過(guò)天線進(jìn)行上傳，所述電源管理單元分別對(duì)信號(hào)采集單元、信號(hào)調(diào)理單元、模數(shù)轉(zhuǎn)換單元、光耦隔離單元、時(shí)間同步單元、ZigBee模塊供電；進(jìn)一步的，所述的ZigBee模塊采用CC2530芯片；進(jìn)一步的，所述CC2530芯片RF_P與RF_N管腳通過(guò)巴倫匹配電路與RFX2401C芯片連接；進(jìn)一步的，所述的一種燃?xì)夤芫W(wǎng)泄漏瞬變壓力波實(shí)時(shí)采集模塊，其特征在于所述電源管理單元由電源管理模塊、蓄電池和光伏模塊構(gòu)成，通過(guò)光伏模塊或蓄電池對(duì)電源管理模塊供電，光伏模塊可對(duì)蓄電池充電；進(jìn)一步的，所述時(shí)間同步單元采用GPS同步時(shí)鐘模塊；進(jìn)一步的，所述信號(hào)采集單元傳感器采用壓電式動(dòng)態(tài)壓力傳感器；進(jìn)一步的，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換單元采用ADS8325芯片實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換。

本實(shí)用新型的積極有益技術(shù)效果在于：經(jīng)測(cè)試證明，本實(shí)用新型的燃?xì)夤芫W(wǎng)泄漏瞬變壓力波實(shí)時(shí)采集模塊具有很高的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性，所采集的泄漏瞬變壓力波信號(hào)完全能夠滿足遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)處理中心的要求。

附圖說(shuō)明

圖1 燃?xì)夤芫W(wǎng)泄漏瞬變壓力波實(shí)時(shí)采集模塊硬件結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2 信號(hào)調(diào)理單元濾波電路。

圖3 信號(hào)調(diào)理單元信號(hào)放大電路。

圖4 模數(shù)轉(zhuǎn)換單元的基準(zhǔn)電源處理電路原理圖。

圖5 模數(shù)轉(zhuǎn)換單元的電路原理圖。

圖6 信號(hào)隔離電路示意圖。

圖7 CC2530無(wú)線微處理器同RFX2401C芯片的接口電路圖。

具體實(shí)施方式

本實(shí)用新型提供的一種燃?xì)夤芫W(wǎng)泄漏瞬變壓力波實(shí)時(shí)采集模塊，包括信號(hào)采集單元、信號(hào)調(diào)理單元、模數(shù)轉(zhuǎn)換單元、光耦隔離單元、時(shí)間同步單元、ZigBee模塊和電源管理單元；信號(hào)采集單元進(jìn)行信號(hào)實(shí)時(shí)采集并將所采集的信號(hào)輸入信號(hào)調(diào)理單元，所述信號(hào)調(diào)理單元對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波和放大處理后將信號(hào)輸入模數(shù)轉(zhuǎn)換單元，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換單元將信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后將信號(hào)輸入后輸入光耦隔離單元，所述光耦隔離單元將信號(hào)進(jìn)行隔離處理并將信號(hào)輸入ZigBee模塊，所述ZigBee模塊將信號(hào)進(jìn)行打包并經(jīng)過(guò)天線進(jìn)行發(fā)送，所述電源管理單元分別對(duì)信號(hào)采集單元、信號(hào)調(diào)理單元、模數(shù)轉(zhuǎn)換單元、光耦隔離單元、時(shí)間同步單元、ZigBee模塊供電。

本實(shí)用新型提供的一種燃?xì)夤芫W(wǎng)泄漏瞬變壓力波實(shí)時(shí)采集模塊主要負(fù)責(zé)對(duì)燃?xì)夤芫W(wǎng)內(nèi)的泄漏瞬變壓力波信號(hào)進(jìn)行采集和處理，并將采集的信息以多跳路由的方式傳遞給網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。從節(jié)能和系統(tǒng)集成的角度考慮， ZigBee模塊中可采用CC2530為硬件核心。

信號(hào)采集單元主要由壓電式動(dòng)態(tài)壓力傳感器及其相關(guān)外圍電路實(shí)現(xiàn)，負(fù)責(zé)將管道內(nèi)介質(zhì)的瞬變壓力波轉(zhuǎn)換為微弱電壓信號(hào)。

信號(hào)調(diào)理單元負(fù)責(zé)對(duì)壓電式動(dòng)態(tài)壓力傳感器輸出的微弱電壓信號(hào)進(jìn)行濾波和放大處理，從而得到適合模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入的電壓范圍。圖2為信號(hào)調(diào)理單元濾波電路實(shí)施例，通過(guò)整定信號(hào)調(diào)理單元濾波電路的電阻值和電容值，能夠?qū)崿F(xiàn)截止頻率為10kHz的泄漏瞬變壓力波信號(hào)低通濾波器。圖3為信號(hào)調(diào)理單元信號(hào)放大電路，其中U1A和U2B為NE5532運(yùn)算放大器。信號(hào)調(diào)理單元信號(hào)放大電路中的核心器件為VCA821增益可調(diào)，通過(guò)調(diào)整可調(diào)電阻P2和P4的阻值，從而改變VCA821寬帶運(yùn)算放大器Vg端的控制電壓，實(shí)現(xiàn)增益從-40dB至40dB的線性調(diào)整，滿足了不同強(qiáng)度信號(hào)的放大需要。

經(jīng)過(guò)調(diào)理的燃?xì)夤芫W(wǎng)泄漏瞬變壓力波信號(hào)送入模數(shù)轉(zhuǎn)換單元，可以采用ADS8325芯片作為模數(shù)轉(zhuǎn)換單元的核心。ADS8325的最高采樣頻率100kHz，轉(zhuǎn)換精度為16位，并具有較寬的電壓工作范圍，能夠在2.7到5.5V范圍內(nèi)正常工作。ADS8325具有硬件SPI接口，用此接口同CC2530無(wú)線微處理器的硬件SPI接口連接，進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。ADS8325和CC2530無(wú)線微處理器之間需要采用PC900V光耦進(jìn)行信號(hào)隔離，以防止高頻干擾信號(hào)進(jìn)入CC2530無(wú)線微處理器。CC2530無(wú)線微處理器內(nèi)部已經(jīng)集成了SPI總線，只要將相應(yīng)的I/O口P1.4、P1.5、P1.6和P1.7配置為外設(shè)，然后將USART配置成SPI方式即可將P1.4、P1.5、P1.6和P1.7四個(gè)引腳配置為SPI接口的CSN、SCK、MOSI和MISO引腳，SPI的主從模式通過(guò)相關(guān)的寄存器來(lái)選擇。

ZigBee模塊功能可采用CC2530無(wú)線微處理器實(shí)現(xiàn)，它是一款兼具微處理器和無(wú)線傳輸功能的射頻SOC。這里可以進(jìn)一步選擇CC2530F256芯片作為傳感器節(jié)點(diǎn)的核心，傳感器節(jié)點(diǎn)使用的數(shù)據(jù)處理和無(wú)線傳輸單元應(yīng)該滿足如下要求：外形盡量小，集成度盡量高，功耗低且支持睡眠模式，運(yùn)行速度要盡量快，要有足夠的外部通用I/O端口和通信接口，成本要盡量低且安全性有保證。

由于CC2530無(wú)線微處理器的無(wú)線傳輸距離在開(kāi)闊地帶為200m左右，且其穿墻功能不強(qiáng)，為提高ZigBee網(wǎng)絡(luò)的傳輸距離與復(fù)雜室內(nèi)環(huán)境中的穿透能力，系統(tǒng)采用了RFX2401C芯片對(duì)CC2530發(fā)送的無(wú)線射頻信號(hào)進(jìn)行功率放大。經(jīng)測(cè)試，采用了RFX2401C芯片的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)傳輸距離可達(dá)500~1000m，最遠(yuǎn)1500m，且穿透能力得到了較大的提升。RFX2401C芯片通過(guò)巴倫匹配電路與CC2530無(wú)線微處理器射頻輸入輸出端的RF_P和RF_N管腳連接。

時(shí)間同步單元由GPS同步時(shí)鐘模塊組成， GPS同步時(shí)鐘模塊在接收到包含當(dāng)前時(shí)間基準(zhǔn)信息的衛(wèi)星電文后，輸出的秒脈沖信號(hào)與GPS 時(shí)間基準(zhǔn)的同步誤差在50ns內(nèi)。管網(wǎng)中的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)分別連接一個(gè)GPS模塊，就可以實(shí)現(xiàn)高精度的數(shù)據(jù)同步采集。

電源管理單元由光伏模塊、蓄電池和電源管理模塊組成。為了滿足傳感器節(jié)點(diǎn)不間斷供電的需要，本實(shí)用新型配置了蓄電池和光伏模塊，在光線充足的情況下采用光伏供電，并且為蓄電池充電，在光線不足時(shí)采用蓄電池供電。而電源模塊的功能是把蓄電池提供的12V電壓轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的5V電壓和3.3V電壓，供各電路使用。

由多個(gè)燃?xì)夤芫W(wǎng)泄漏瞬變壓力波實(shí)時(shí)采集模塊組成的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)開(kāi)始運(yùn)行后，CC2530無(wú)線微處理器首先申請(qǐng)加入網(wǎng)絡(luò)，成功后定時(shí)啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)燃?xì)夤芫W(wǎng)泄漏瞬變壓力波信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的結(jié)果送數(shù)據(jù)傳輸單元RF前端，經(jīng)過(guò)天線進(jìn)行發(fā)送。

本實(shí)用新型提供一種燃?xì)夤芫W(wǎng)泄漏瞬變壓力波實(shí)時(shí)采集模塊具有實(shí)時(shí)檢測(cè)，準(zhǔn)確性高的優(yōu)點(diǎn)，完全能夠滿足遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)處理中心的要求。