引 言

天然氣管道是整個(gè)西氣東輸工程的主要載體，通過天然氣管道網(wǎng)絡(luò)將天然氣（包括油田生產(chǎn)的伴生氣）從開采地輸送到目的地，實(shí)現(xiàn)天然氣的運(yùn)輸和使用，天然氣管道是輸送天然氣的唯一方式。該管道采用的是X100 和 X120 管道鋼，其強(qiáng)度、韌性和可焊性較高，在天然氣管道網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)中，由大量的管道閥門控制天然氣的傳輸和開關(guān)，由于輸氣管道系統(tǒng)是個(gè)連續(xù)密閉的輸送系統(tǒng)，通過開關(guān)閥門控制天然氣的進(jìn)氣吞吐量，需要對(duì)天然氣管道閥門進(jìn)行遠(yuǎn)程自動(dòng)控制，提高對(duì)整個(gè)管網(wǎng)的智能監(jiān)測(cè)和控制水平，研究天然氣管道閥門的遠(yuǎn)程自動(dòng)控制方法具有重要意義[1]。

隨著集成芯片制造技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，以及現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)革新的需求，大量的儀器儀表、控制系統(tǒng)、D/A和 A/D轉(zhuǎn)化器都需要采用DSP進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)高速處理與控制。DSP具有處理速度快、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、同步精度高和采樣精度與速度性能較好等優(yōu)點(diǎn)，成為廣大電子與控制儀器設(shè)備設(shè)計(jì)者的首選[2]。對(duì)此，本文提出一種基于ZigBee技術(shù)和TMS320VC5509ADSP集成主動(dòng)控制的天然氣管道閥門遠(yuǎn)程自動(dòng)控制裝置設(shè)計(jì)方法。首先進(jìn)行了系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)，然后進(jìn)行系統(tǒng)的模塊化電路設(shè)計(jì)，最后通過仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了性能測(cè)試， 展示了本文控制系統(tǒng)的優(yōu)越性能。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)及指標(biāo)描述

在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下構(gòu)建遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，采用ZigBee 技術(shù)對(duì)天然氣管道閥門進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，結(jié)合ZigBee 和GPRS 通信技術(shù)對(duì)天然氣管網(wǎng)進(jìn)行智能監(jiān)測(cè)控制，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程作業(yè)和智能控制，為了構(gòu)建這一系統(tǒng)，首先進(jìn)行系統(tǒng)的總體模塊設(shè)計(jì) [3]。天然氣管道閥門遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)主要分為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)采集模塊，即傳感器模塊、時(shí)鐘電路模塊、數(shù)據(jù)通信模塊、ZigBee 管道壓力數(shù)據(jù)處理模塊、供電模塊、程序加載模塊和ARM 主控模塊以及人機(jī)交互的液晶顯示模塊等[4]。系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)構(gòu)造如圖 1 所示。

圖 1中，天然氣管道閥門遠(yuǎn)程控制的DSP信息處理模塊作為整個(gè)管道的物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控的核心單元，主要是進(jìn)行天然氣管道閥門遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的信息采集和數(shù)據(jù)感知，如獲得管道中天然氣的壓力、流量等信息數(shù)據(jù)，獲得控制系統(tǒng)需要的原始信息，并作為閥門開關(guān)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)輸入，提供主控的DSP信息處理單元進(jìn)行遠(yuǎn)程控制和指令執(zhí)行。選用 TI公司生產(chǎn)的MS320VC5509A作為主控電路模塊的集成 DSP芯片，集成控制電路提供 E2PROM、SDRAM，主機(jī)接口（EHPI）， I2C總線傳感器通過敏感元件和換能器實(shí)現(xiàn)信號(hào)的采集，天然氣管道閥門遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的控制中心單元是系統(tǒng)的中樞神經(jīng)， ADC將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成 DSP可以處理的并行數(shù)據(jù)，本文采用DSP邏輯編程控制ARM主控單元，經(jīng)過處理的數(shù)字信號(hào)經(jīng)DAC轉(zhuǎn)換，采用收發(fā)轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行控制信號(hào)基陣的預(yù)處理， 設(shè)計(jì)ADC和抗鏡像濾波器，在模擬信號(hào)預(yù)處理機(jī)的輸出端進(jìn)行信號(hào)調(diào)制，采用信道均衡算法進(jìn)行時(shí)鐘發(fā)生器設(shè)計(jì) [5]。在上述進(jìn)行了系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行系統(tǒng)的功能分析和指標(biāo)描述。

本文采用 Aeroflex 公司發(fā)布的 3280 系列高端邏輯芯片控 制器作為天然氣管道閥門遠(yuǎn)程自動(dòng)控制系統(tǒng)的核心處理器，該 核心處理器的容量為 64 MB，CPU 采用三星 S3C2440，3281 的頻率范圍為 3 Hz ～ 3 GHz，天然氣管道閥門遠(yuǎn)程自動(dòng)控制 系統(tǒng)采用 220 V 供電。在 ZigBee下的物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控平臺(tái)中，整 個(gè)天然氣管道閥門遠(yuǎn)程自動(dòng)控制系統(tǒng)包括信號(hào)調(diào)理電路、數(shù) 據(jù)采集電路和濾波電路系統(tǒng)供電模塊、DC-DC 電源轉(zhuǎn)換模塊， 天然氣管道閥門遠(yuǎn)程自動(dòng)控制系統(tǒng)抗干擾濾波的通帶截至頻 率 ωP 需要 2M+2 個(gè)存儲(chǔ)單元來存儲(chǔ)天然氣管道閥門的分散控 制信息：{x（n － m），m=0，1，…，M} 和 {y（n － m），m=0，1，…， M}，天然氣管道閥門的底層模塊中的抗干擾濾波函數(shù)為 ：

結(jié)合圖 2 進(jìn)行濾波模塊的電路設(shè)計(jì)，再通過應(yīng)用程序 bootloader 讀取 A/D 采樣值，可實(shí)現(xiàn)前置放大濾波控制功能 和整流輸出功能的要求。 

2 遠(yuǎn)程自動(dòng)控制裝置的模塊化電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 

在進(jìn)行了系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和性能指標(biāo)分析的基礎(chǔ)上， 即可進(jìn)行天然氣管道閥門遠(yuǎn)程自動(dòng)控制裝置的功能化模塊 的硬件電路設(shè)計(jì)。在天然氣管道閥門遠(yuǎn)程自動(dòng)控制系統(tǒng)硬件 中，除主要控制部件（MCU、DSP、EMPU、SOC）外，還 包括 LM1117-33 功率輸出增益抑制模塊。通過存儲(chǔ)器分配測(cè) 量電流的準(zhǔn)確值，采用了兩線制的共模抑制方法，用外部電 源給整個(gè)系統(tǒng)供＋ 5 V 和 ±12 V 的電壓，外接恒定的 4 mA 電流源，通過電容濾波網(wǎng)絡(luò)來對(duì)電源進(jìn)行濾波，得到放大器 電源的電流為 3.3 mA。電源芯片選用 TPS767HD301，基于 TPS767HD3XX 系列電源芯片為天然氣閥門遠(yuǎn)程自動(dòng)控制裝置 的 DSP 提供 1.5 V ～ 1.6 V 的可調(diào)電壓，得到輸出電壓方程為：

式中，Vref=1.183 4 V，可通過 LT1587 產(chǎn)生 3.3 V 的電壓給 閥門遠(yuǎn)程控制的主控電路。

為了使得控制系統(tǒng)的輸出端具有穩(wěn)定的控制輸出，需要 設(shè)計(jì)一個(gè)動(dòng)態(tài)增益控制模塊，得到動(dòng)態(tài)增益控制模塊的設(shè)計(jì) 框圖如圖 3 所示。

圖3 中，通過 I/O 接口（D/A、A/D、I/O 口等）可進(jìn)行 信號(hào)調(diào)理，并進(jìn)行 PCI 橋接實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)與 PC 機(jī)的 A/D 采 樣。采用 ADUM1201 和 PCA82C250 接收遠(yuǎn)程控制指令，其 中，天然氣管道閥門遠(yuǎn)程控制的 DSP 邏輯編程控制和 DSP 信 號(hào)處理器是遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理中心，負(fù)責(zé)與控制終端 進(jìn)行上位機(jī)通信?？紤]天然氣管道閥門控制系統(tǒng)的非線性特性 和不確定性，天然氣管道閥門的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)要求通過 CAN （Controller Area Network）總線實(shí)時(shí)上傳控制信號(hào)執(zhí)行指令， 通過上述控制程序設(shè)計(jì)，進(jìn)行程序加載，設(shè)計(jì)程序加載電路， 程序加載電路和主控電路采用 AT25HP512 作為從機(jī)，在動(dòng)態(tài) 增益控制模塊中放置 6 個(gè) 1 nF 的高頻旁路電容、2 個(gè) 10 nF 電容以及 4 個(gè) 0.1 uF 電容。對(duì)天然氣管道閥門遠(yuǎn)程自動(dòng)控制 包括對(duì)控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、控制誤差測(cè)量、遠(yuǎn)程中斷控制， 遠(yuǎn)程控制的中斷程序包括外設(shè)中斷和內(nèi)核中斷，通過對(duì)天然 氣管道中的壓力數(shù)據(jù)和流量數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，實(shí)現(xiàn)閥門遠(yuǎn)程中 斷 I/O 操作，通過上述設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)基于 ZigBee 技術(shù)和 TMS320VC5509A DSP 集成芯片的天然氣管道閥門遠(yuǎn)程自動(dòng)控 制裝置設(shè)計(jì)，硬件電路如圖 4 所示。 

3 仿真實(shí)驗(yàn)及系統(tǒng)測(cè)試 

為了測(cè)試本文設(shè)計(jì)的天然氣管道閥門遠(yuǎn)程自動(dòng)控制裝置 在進(jìn)行遠(yuǎn)程控制和自動(dòng)開關(guān)中斷中的性能，進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試和仿 真實(shí)驗(yàn)。使用 Agilent 33220A 函數(shù)信號(hào)發(fā)生器，輸入天然氣管 道閥門遠(yuǎn)程自動(dòng)控制信號(hào)為 30 mV 峰峰值的正弦波，頻率范 圍 15 Hz ～ 234 kHz，實(shí)驗(yàn)中，采用 PHLIPS 的 PCA82C250 作為 CAN 總線驅(qū)動(dòng)器，運(yùn)放供電為＋12 V 和－12 V，主控 模塊通過一個(gè) 5 Ω電阻與 CAN 總線相連，通過 Agilent 混合 示波器進(jìn)行控制信息人工交互，通過上述仿真環(huán)境和實(shí)驗(yàn)方 法描述，采用本文設(shè)計(jì)的天然氣管道閥門遠(yuǎn)程自動(dòng)控制裝置進(jìn) 行管道閥門的遠(yuǎn)程自動(dòng)控制，采用 Matlab 編程進(jìn)行算法設(shè)計(jì)， 然后采用 SPI E2PROM 進(jìn)行程序加載，加載程序?yàn)?：

從圖 5 可見，采用本文方法進(jìn)行天然氣管道閥門遠(yuǎn)程自 動(dòng)控制裝置設(shè)計(jì)，能有效實(shí)現(xiàn)對(duì)天然氣管道中壓力數(shù)據(jù)和流 量數(shù)據(jù)的采集，實(shí)現(xiàn)天然氣管道閥門遠(yuǎn)程 自動(dòng)控制和開關(guān)操作，從而提高了天然氣 管網(wǎng)的監(jiān)測(cè)和自動(dòng)控制能力。 

4 結(jié) 語

為了提高對(duì)天然氣管道的遠(yuǎn)程控制和 管理能力，基于 ZigBee 技術(shù)和 DSP 技術(shù)， 設(shè)計(jì)了一款改進(jìn)的天然氣管道閥門遠(yuǎn)程自 動(dòng)控制裝置，進(jìn)行了系統(tǒng)的傳感器模塊供 電模塊、程序加載模塊和 ARM 主控模塊 等功能模塊的電路設(shè)計(jì)和集成實(shí)現(xiàn)，結(jié)果 表明，采用本文設(shè)計(jì)的自動(dòng)控制裝置進(jìn)行 天然氣管道閥門遠(yuǎn)程自動(dòng)控制，系統(tǒng)的穩(wěn) 定性和可靠性較好，具有較好的應(yīng)用價(jià)值。