基于DSP天然气管道阀门远程自动控制装置设计

引 言

天然气管道是整个西气东输工程的主要载体，通过天然气管道网络将天然气（包括油田生产的伴生气）从开采地输送到目的地，实现天然气的运输和使用，天然气管道是输送天然气的唯一方式。该管道采用的是X100 和 X120 管道钢，其强度、韧性和可焊性较高，在天然气管道网络的设计中，由大量的管道阀门控制天然气的传输和开关，由于输气管道系统是个连续密闭的输送系统，通过开关阀门控制天然气的进气吞吐量，需要对天然气管道阀门进行远程自动控制，提高对整个管网的智能监测和控制水平，研究天然气管道阀门的远程自动控制方法具有重要意义[1]。

随着集成芯片制造技术的进步和发展，以及现代科学技术革新的需求，大量的仪器仪表、控制系统、D/A和 A/D转化器都需要采用DSP进行设计，实现数据采集和数据高速处理与控制。DSP具有处理速度快、实时性强、同步精度高和采样精度与速度性能较好等优点，成为广大电子与控制仪器设备设计者的首选[2]。对此，本文提出一种基于ZigBee技术和TMS320VC5509ADSP集成主动控制的天然气管道阀门远程自动控制装置设计方法。首先进行了系统的总体设计，然后进行系统的模块化电路设计，最后通过仿真实验进行了性能测试， 展示了本文控制系统的优越性能。

1 系统总体设计及指标描述

在物联网环境下构建远程控制系统，采用ZigBee 技术对天然气管道阀门进行远程控制，结合ZigBee 和GPRS 通信技术对天然气管网进行智能监测控制，实现远程作业和智能控制，为了构建这一系统，首先进行系统的总体模块设计 [3]。天然气管道阀门远程控制系统主要分为无线传感器网络的数据采集模块，即传感器模块、时钟电路模块、数据通信模块、ZigBee 管道压力数据处理模块、供电模块、程序加载模块和ARM 主控模块以及人机交互的液晶显示模块等[4]。系统的模块化设计结构构造如图 1 所示。

图 1中，天然气管道阀门远程控制的DSP信息处理模块作为整个管道的物联网监控的核心单元，主要是进行天然气管道阀门远程控制系统的信息采集和数据感知，如获得管道中天然气的压力、流量等信息数据，获得控制系统需要的原始信息，并作为阀门开关远程控制系统的数据输入，提供主控的DSP信息处理单元进行远程控制和指令执行。选用 TI公司生产的MS320VC5509A作为主控电路模块的集成 DSP芯片，集成控制电路提供 E2PROM、SDRAM，主机接口（EHPI）， I2C总线传感器通过敏感元件和换能器实现信号的采集，天然气管道阀门远程控制系统的控制中心单元是系统的中枢神经， ADC将模拟信号转换成 DSP可以处理的并行数据，本文采用DSP逻辑编程控制ARM主控单元，经过处理的数字信号经DAC转换，采用收发转换电路进行控制信号基阵的预处理， 设计ADC和抗镜像滤波器，在模拟信号预处理机的输出端进行信号调制，采用信道均衡算法进行时钟发生器设计 [5]。在上述进行了系统总体设计的基础上，进行系统的功能分析和指标描述。

本文采用 Aeroflex 公司发布的 3280 系列高端逻辑芯片控 制器作为天然气管道阀门远程自动控制系统的核心处理器，该 核心处理器的容量为 64 MB，CPU 采用三星 S3C2440，3281 的频率范围为 3 Hz ～ 3 GHz，天然气管道阀门远程自动控制 系统采用 220 V 供电。在 ZigBee下的物联网监控平台中，整 个天然气管道阀门远程自动控制系统包括信号调理电路、数 据采集电路和滤波电路系统供电模块、DC-DC 电源转换模块， 天然气管道阀门远程自动控制系统抗干扰滤波的通带截至频 率 ωP 需要 2M+2 个存储单元来存储天然气管道阀门的分散控 制信息：{x（n － m），m=0，1，…，M} 和 {y（n － m），m=0，1，…， M}，天然气管道阀门的底层模块中的抗干扰滤波函数为 ：

结合图 2 进行滤波模块的电路设计，再通过应用程序 bootloader 读取 A/D 采样值，可实现前置放大滤波控制功能 和整流输出功能的要求。 

2 远程自动控制装置的模块化电路设计与实现 

在进行了系统总体结构设计和性能指标分析的基础上， 即可进行天然气管道阀门远程自动控制装置的功能化模块 的硬件电路设计。在天然气管道阀门远程自动控制系统硬件 中，除主要控制部件（MCU、DSP、EMPU、SOC）外，还 包括 LM1117-33 功率输出增益抑制模块。通过存储器分配测 量电流的准确值，采用了两线制的共模抑制方法，用外部电 源给整个系统供＋ 5 V 和 ±12 V 的电压，外接恒定的 4 mA 电流源，通过电容滤波网络来对电源进行滤波，得到放大器 电源的电流为 3.3 mA。电源芯片选用 TPS767HD301，基于 TPS767HD3XX 系列电源芯片为天然气阀门远程自动控制装置 的 DSP 提供 1.5 V ～ 1.6 V 的可调电压，得到输出电压方程为：

式中，Vref=1.183 4 V，可通过 LT1587 产生 3.3 V 的电压给 阀门远程控制的主控电路。

为了使得控制系统的输出端具有稳定的控制输出，需要 设计一个动态增益控制模块，得到动态增益控制模块的设计 框图如图 3 所示。

图3 中，通过 I/O 接口（D/A、A/D、I/O 口等）可进行 信号调理，并进行 PCI 桥接实现控制系统与 PC 机的 A/D 采 样。采用 ADUM1201 和 PCA82C250 接收远程控制指令，其 中，天然气管道阀门远程控制的 DSP 逻辑编程控制和 DSP 信 号处理器是远程控制系统的数据处理中心，负责与控制终端 进行上位机通信。考虑天然气管道阀门控制系统的非线性特性 和不确定性，天然气管道阀门的远程控制系统要求通过 CAN （Controller Area Network）总线实时上传控制信号执行指令， 通过上述控制程序设计，进行程序加载，设计程序加载电路， 程序加载电路和主控电路采用 AT25HP512 作为从机，在动态 增益控制模块中放置 6 个 1 nF 的高频旁路电容、2 个 10 nF 电容以及 4 个 0.1 uF 电容。对天然气管道阀门远程自动控制 包括对控制系统的数据采集、控制误差测量、远程中断控制， 远程控制的中断程序包括外设中断和内核中断，通过对天然 气管道中的压力数据和流量数据进行采集，实现阀门远程中 断 I/O 操作，通过上述设计，实现对整个基于 ZigBee 技术和 TMS320VC5509A DSP 集成芯片的天然气管道阀门远程自动控 制装置设计，硬件电路如图 4 所示。 

3 仿真实验及系统测试 

为了测试本文设计的天然气管道阀门远程自动控制装置 在进行远程控制和自动开关中断中的性能，进行系统测试和仿 真实验。使用 Agilent 33220A 函数信号发生器，输入天然气管 道阀门远程自动控制信号为 30 mV 峰峰值的正弦波，频率范 围 15 Hz ～ 234 kHz，实验中，采用 PHLIPS 的 PCA82C250 作为 CAN 总线驱动器，运放供电为＋12 V 和－12 V，主控 模块通过一个 5 Ω电阻与 CAN 总线相连，通过 Agilent 混合 示波器进行控制信息人工交互，通过上述仿真环境和实验方 法描述，采用本文设计的天然气管道阀门远程自动控制装置进 行管道阀门的远程自动控制，采用 Matlab 编程进行算法设计， 然后采用 SPI E2PROM 进行程序加载，加载程序为 ：

从图 5 可见，采用本文方法进行天然气管道阀门远程自 动控制装置设计，能有效实现对天然气管道中压力数据和流 量数据的采集，实现天然气管道阀门远程 自动控制和开关操作，从而提高了天然气 管网的监测和自动控制能力。 

4 结 语

为了提高对天然气管道的远程控制和 管理能力，基于 ZigBee 技术和 DSP 技术， 设计了一款改进的天然气管道阀门远程自 动控制装置，进行了系统的传感器模块供 电模块、程序加载模块和 ARM 主控模块 等功能模块的电路设计和集成实现，结果 表明，采用本文设计的自动控制装置进行 天然气管道阀门远程自动控制，系统的稳 定性和可靠性较好，具有较好的应用价值。