CN101886744A - 便携式检测管道故障内检设备的超声定位装置及定位方法 - Google Patents

Abstract

一种便携式检测管道故障内检设备的超声定位装置及定位方法，属于超声波定位技术领域，该装置包括超声信号处理单元、通讯单元、外部接口单元、超声探测头发射/接收单元和电源单元；本发明可以通过通信模块、水声换能器实现与上位机的无线通信及水声通信功能，适用于陆地及海洋上；具有电源报警电路，实时的上报装置的供电情况，在电量不足的情况下提醒工作人员及时充电；本发明采用便携式检测方式，大大的节省了安装布线的费用，大大降低了系统的造价。

Description

便携式检测管道故障内检设备的超声定位装置及定位方法

技术领域

本发明涉及超声波定位技术，特别涉及一种便携式检测管道故障内检设备的超声定位装置及定位方法。

背景技术

随着管道内检技术的发展，各种先进的内检设备应用于管道内检领域。目前管道内检设备定位技术大多还是基于无线通信装置，通过在陆地相隔一定距离安放无线通信接收器来接收由内检装置发射出的无线电波实现与上位机的信息通信。但是由于现场实际的复杂性，无线通信电波在深埋的地下中能量很容易消耗且传输距离短或是由于自身电源系统失效等故障情况无法发送定位信号，失去了与地面的联系，影响了内检设备的定位，有的甚至造成严重的经济损失；由于无线通信无法在海洋中传播的缺点，限制了该方法在海洋管道中的应用，所以目前对于海洋管道中内检设备的定位技术还没有很好的方法。

发明内容

为解决以上探测器之不足，本发明提出一种便携式检测管道故障内检设备的超声定位装置及定位方法，以达到在复杂的地面环境及海洋管道中检测的目的。

本发明的技术方案是这样实现的：该装置包括超声信号处理单元、通讯单元、外部接口单元、超声探测头发射/接收单元、电源单元，超声信号处理单元的指令输入端连接通讯单元的第一超声波指令输出端，超声信号处理单元的单片机指令输入端连接通讯单元的第二超声波指令输出端，超声信号处理单元的功率放大信号输出端连接超声探测头发射/接收单元的输入端，超声探测头发射/接收单元的输出端连接超声信号处理单元的回波信号输入端，超声信号处理单元的功放信号输出端连接通信单元的第一检测结果输入端，超声信号处理单元的DSP数据输出端连接通信单元的第二检测结果输入端，超声信号处理单元的报警信号输入端连接电源单元的输出端，超声信号处理单元的串口电路输入输出端连接外部接口单元的输入输出端；

所述的超声信号处理单元由微处理器模块和信号处理模块组成，微处理器模块的单片机数据输入输出端连接信号处理模块的DSP信号输入输出端；

所述的微处理器模块包括超声波发射电路、功率放大电路、单片机微处理器、电磁继电器、滤波/放大电路、电源报警电路，超声波发射电路的输出端连接功率放大电路的输入端，超声波发射电路的输入端连接单片机微处理器的第一输出端，单片机微处理器的第二输出端连接电磁继电器的输入端，滤波/放大电路的输出端连接单片机微处理器的第一输入端，电源报警电路的输出端连接单片机微处理器的第二输入端；

信号处理模块包括信号放大电路、A/D转换电路、DSP信号处理器、FLASH存储器(7-4)、D/A转换电路、串口电路、功放电路、滤波电路，信号放大电路的输出端连接滤波电路的输入端，滤波电路的输出端连接A/D转换电路的输入端，A/D转换电路的输出端连接DSP信号处理器的输入输，DSP信号处理器的第一输入输出端连接FLASH存储器的输入输出端，DSP信号处理器的输出端连接D/A转换电路的输入端，D/A转换电路的输出端连接功放电路的输入端，串口电路的第一输入输出端连接DSP信号处理器的第二输入输出端；

所述的滤波电路由低通滤波电路、微分电路、带通滤波电路、电平比较电路组成，低通滤波电路的输出端连接微分电路的输入端，微分电路的输出端连接带通滤波电路的输入端，带通滤波电路的输出端连接电平比较电路的输入端，电平比较电路的输出端作为滤波电路的输出端，低通滤波电路的输入端作为滤波电路的输入端；

所述的通讯单元包括水声换能器(2-1)和通讯模块(2-2)；

所述的电源单元包括蓄电池和电源管理充电转换模块；

本发明信号传递过程如下：

本发明装置在未进行定位前，DSP信号处理器处于省电模式，当单片机微处理器通过通信模块或是水声换能器接收到发射超声波信号指令后，单片机微处理器控制超声波发射电路通过超声波发生探测头发射一定频率的超声波，并通过电磁继电器激活DSP信号处理器，当超声波遇到内检设备后反射回来的超声信号经过信号处理模块的处理，通过A/D转换电路送入DSP信号处理器中，应用小波变换理论的去噪功能及时间序列分析ARAM模型的拟合作用，对回波信号进行消噪处理，通过超声波测距理论计算出内检设备的定位距离数据并保存在FLASH存储器中，同时通过通信模块或是通过水声换能器将数据直接传送到上位机；

便携式检测管道故障内检设备的超声定位装置的定位方法，步骤如下：

步骤1：利用小波变换的多分辨率特性，对回波信号进行去噪处理：采用db8小波对回波信号进行四层分解，对小波分解系数的高频部分进行软阈值量化处理，得到分解后的小波系数；

步骤2：重新拟合回波信号，建立时间序列模型ARMA(m，n)，定义ARMA模型为：

式中y_t代表系统的输出数据，y_t-1…y_t-n是表示同一序列的不同t时刻的输出数据，其反应了时间前后的关系；n代表模型的阶数，描述了系统的动态记忆性，即当前的输出只与前n个时刻的历史观测值有关，而与n时刻之前的数据无线性关系；m代表滑动模型的阶数；a_i表示自回归系数，也称权数，描述了t-i时刻的输出数据对t时刻数据的影响程度；d_i表示滑动平均系数；

均为不可测量的外部白噪声，根据模型的AIC准则，选择模型的阶数为ARMA(2，1)进行数据拟合处理；

步骤3：拟合后的数据通过超声波定位理论S＝VT/2进行定位计算处理，其中S表示定位的距离；V表示超声波的速度；T表示超声波的往返时间；

本发明优点：通过无线通信模块、水声换能器实现与上位机的无线通信及水声通信功能，适用于陆地及海洋；接收无线或是水声操作指令，及时调整自身的工作状态，并将检测信息传送到上位机；通过串口通道实现与PC机相连接，进行系统状态检测和相应的参数设置，保证装置工作状态正常；利用db8小波的分解特性及ARMA(m，n)时间序列分析模型实现对回波信号的拟合整理作用，采用基于超声检测定位技术实现管道内检设备的定位处理；硬件上采用双CPU即基于单片机AT89S51及DSPTMS320LF2407A的微处理器结构完成回波信号的处理、计算和通信功能；微处理器采用两种工作模式：省电模式和工作模式，在接收到定位指令后，微处理器进入工作模式，由单片机微处理器激发电磁继电器，由电磁继电器唤醒信号处理器，进行大量的信号处理工作，实现信号处理、计算及通信等多种复杂工作；具有电源报警电路，实时的上报装置的供电情况，在电量不足的情况下提醒工作人员及时充电；本发明采用便携式检测方式，大大的节省了安装布线的费用，大大降低了系统的造价。

附图说明

图1为本发明便携式检测管道故障内检设备的超声定位装置结构框图；

图2为本发明便携式检测管道故障内检设备的超声定位装置超声波发射电路、功率放大电路原理图；

图3为本发明便携式检测管道故障内检设备的超声定位装置滤波/放大电路原理图；

图4为本发明便携式检测管道故障内检设备的超声定位装置电源报警电路原理图；

图5为本发明便携式检测管道故障内检设备的超声定位装置通讯模块电路原理图；

图6为本发明便携式检测管道故障内检设备的超声定位装置信号放大电路、滤波电路原理图；

图7为本发明便携式检测管道故障内检设备的超声定位装置功放电路原理图；

图8为本发明便携式检测管道故障内检设备的超声定位装置DSP信号处理器、A/D转换电路、D/A转换电路原理图；

图9为本发明便携式检测管道故障内检设备的超声定位装置的定位方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1～图8所示，该装置由超声信号处理单元(1)、通讯单元(2)、外部接口单元(3)、超声探测头发射/接收单元(4)、电源单元(5)组成，超声信号处理单元(1)的指令输入端连接通讯单元(2)的第一超声波指令输出端，超声信号处理单元(1)的单片机指令输入端连接通讯单元(2)的第二超声波指令输出端，超声信号处理单元(1)的功率放大信号输出端连接超声探测头发射/接收单元(4)的输入端，超声探测头发射/接收单元(4)的输出端连接超声信号处理单元(1)的回波信号输入端，超声信号处理单元(1)的功放信号输出端连接通信单元(2)的第一检测结果输入端，超声信号处理单元(1)的DSP数据输出端连接通信单元(2)的第二检测结果输入端，超声信号处理单元(1)的报警信号输入端连接电源单元(5)的输出端，超声信号处理单元(1)的串口电路输入输出端连接外部接口单元(3)的输入输出端；

所述的超声信号处理单元(1)由微处理器模块(6)和信号处理模块(7)组成，微处理器模块(6)的单片机数据输入输出端连接信号处理模块(7)的DSP信号输入输出端；

所述的微处理器模块(6)由超声波发射电路(6-1)、功率放大电路(6-2)、单片机微处理器(6-3)、电磁继电器(6-4)、滤波/放大电路(6-5)、电源报警电路(6-6)组成，超声波发射电路(6-1)的输出端连接功率放大电路(6-2)的输入端，超声波发射电路(6-1)的输入端连接单片机微处理器(6-3)的第一输出端，单片机微处理器(6-3)的第二输出端连接电磁继电器(6-4)的输入端，滤波/放大电路(6-5)的输出端连接单片机微处理器(6-3)的第一输入端，电源报警电路(6-6)的输出端连接单片机微处理器(6-3)的第二输入端；

超声波发射电路(6-1)由三极管、二极管、变压器、电阻和电容组成，三极管由第一三极管Q1和第二三极管Q2组成，二极管由第一二极管D1和第二二极管D2组成，电阻由第一电阻R1、第二电阻R2和第三电阻R3组成，第一电阻R1的一端连接三极管的基极，第二电阻R2的一端连接第二三极管Q2的基极，第一二极管Q1的集电极连接第二电容C2的一端、变压器T1的主线圈的一端，第一三极管Q1的发射极连接第二三极管Q2的发射极并接地，第二三极管Q2的集电极连接第二电容C2的另一端、变压器T1的主线圈的另一端，变压器T1的主线圈的中心连接第一电容C1的一端和第三电阻R3的一端，第一电容C1的另一端接地，第三电阻R3的另一端接12V的电压，变压器T1的副线圈的一端连接第一二极管D1的正极、第二二极管D2的负极，变压器T1的副线圈的另一端接地，第一二极管D1的负极和第二二极管D2的正极连接并作为超声波发射电路(6-1)的输出端；

功率放大电路采用晶体振荡器电路，内部有储能组件供电，选择1MHz晶体，可以产生50KHz的脉冲超声波，经过功率放大电路(6-2)可以产生频率为500KHz的脉冲超声波；

功率放大电路(6-2)由三极管、变压器、晶振、电阻和电容组成，其中，电阻由第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7组成，电容由第三电解电容C3和第四电容C4组成，超声波发射电路(6-1)的输出端连接第四电阻R4的一端，第四电阻R4的另一端连接第三三极管Q3的基极，第三三极管Q3的集电极连接第二变压器T2原线圈的一端，第三三极管Q3的发射极接地，第二变压器T2原线圈的另一端连接第三电解电容C3的一端、第五电阻R5的一端，第五电阻R5的另一端接地，第二变压器T2副线圈的一端连接晶振Y1的一端、第六电阻R6的一端、第七电阻R7的一端，第二变压器T2副线圈的另一端连接第三电解电容C3的另一端、晶振Y1的另一端、第六电阻R6的另一端，第七电阻R7的另一端连接第四电容C4的一端，第四电容C4的另一端连接超声波发生探测头(4)的输入端；

本实施例在水声换能器(2-1)和单片机微处理器(6-3)之间采用了滤波/放大电路(6-5)，目的是为了保证接收到的声信号为正确的操作指令；

滤波/放大电路(6-5)由放大电路和滤波电路组成，其中放大电路由电阻、电容、放大芯片U1组成，所述电阻由第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5组成，电容由第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3组成，水声换能器(2-1)的输出端连接U1的1脚，U1的2脚连接第一电阻R1的一端，第一电阻R1的另一端连接第一电容C1的一端，第二电容C2的一端连接U1的3脚，第一电容C1的另一端、第二电容C2的另一端、U1的4脚、第三电容C3的一端相连并接地，U1的5脚连接第三电容C3的另一端，U1的6脚连接第三电阻R3的一端、第四电阻R4的一端，U1的8脚连接第二电阻R2的一端，第二电阻R2的另一端连接U1的7脚、第三电阻R3的另一端并接电源VCC，第四电阻R4的另一端连接第四电容C4的一端、第五电阻R5的一端，第四电容C4的另一端接地，第五电阻R5的另一端作为放大电路的输出端连接滤波电路；滤波电路由运算放大器、电阻、电容组成，其中电阻由第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8组成，电容由第五电容C5、第六电容C6、第七电容C7组成，放大电路的输出端连接第六电阻R6的一端、运算放大器U2的反相输入端，第六电阻R6的另一端连接第五电容C5的一端、第六电容C6的一端，第五电容C5的另一端接地，第六电容C6的另一端、第七电容C7的一端、第七电阻R7的一端相连并连接运算放大器U2的输出端，运算放大器U2的正相输入端连接第七电容C7、第七电阻R7、第八电阻R8的一端，第八电阻R8的另一端接地，运算放大器U2的输出端连接单片机微处理器(6-3)的输入端；

电源报警电路(6-6)由三极管、发光二极管和电阻组成，其中三极管由第一三极管Q1、第二三极管Q2组成，电阻由第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3组成，第一三极管Q1的基极连接发光二极管LED1的负极、第一电阻R1的一端、第二电阻R2的一端，第一三极管Q1的集电极连接发光二极管LED1的正极、第一电阻R1的另一端并接地，第一三极管Q1的发射极连接第三电阻R3的一端、第二三极管Q2的基极，第二电阻R2的另一端、第三电阻R3的另一端、第二三极管Q2的集电极相连并接电源VCC，电源报警电路(6-6)的输出端连接单片机微处理器(6-3)的15脚；

本实施例的通信单元(2)的通信模块(2-2)采用NRF2401模块，通过NRF2401模块与单片机微处理器(6-3)连接实现无线通信。本实施例采用单片机的型号为AT89S51，其片内含有4Kbytes的可系统编程的Flash只读存储器，NRF2401模块与AT89S51相连：NRF2401的CLK1、DATA、CE、PWR_UP、TX_EN五个引脚分别与AT89S51的P3.0/RXD、P3.1/TXD、P2.0、P2.1、P2.2五个引脚相连接；NRF2401有四种工作模式：收发模式、配置模式、空闲模式和关机模式，NRF2401的工作模式由PWR_UP、CE、TX_EN三个引脚决定，NRF2401与AT89S51的数据通信由CLK和DATA两个引脚完成；

信号处理模块(7)包括信号放大电路(7-1)、A/D转换电路(7-2)、DSP信号处理器(7-3)、FLASH存储器(7-4)、D/A转换电路(7-5)、串口电路(7-6)、功放电路(7-7)、滤波电路(8)，信号放大电路(7-1)的输出端连接滤波电路(8)的输入端，滤波电路(8)的输出端连接A/D转换电路(7-2)的输入端，A/D转换电路(7-2)的输出端连接DSP信号处理器(7-3)的输入输，DSP信号处理器(7-3)的第一输入输出端连接FLASH存储器(7-4)的输入输出端，DSP信号处理器(7-3)的输出端连接D/A转换电路(7-5)的输入端，D/A转换电路(7-5)的输出端连接功放电路(7-7)的输入端，串口电路(7-6)的第一输入输出端连接DSP信号处理器的第二输入输出端；

所述的滤波电路由低通滤波电路(8-1)、微分电路(8-2)、带通滤波电路(8-3)、电平比较电路(8-4)组成，低通滤波电路(8-1)的输出端连接微分电路(8-2)的输入端，微分电路(8-2)的输出端连接带通滤波电路(83)的输入端，带通滤波电路(8-3)的输出端连接电平比较电路(8-4)的输入端，电平比较电路(8-4)的输出端作为滤波电路的输出端，低通滤波电路(8-1)的输入端作为滤波电路(8)的输入端；

信号放大电路(7-1)由电阻、电容、信号放大芯片U1组成，电阻由第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5组成，电容由第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4组成；超声波发生探测头(4)的输出端连接U1的1脚，U1的2脚连接第一电阻R1的一端，第一电阻R1的另一端连接第一电容C1的一端，第二电容C2的一端连接U1的3脚，第二电容C2的另一端连接第一电容C1的另一端、第三电容C3的一端、U1的4脚并接地，第三电容C3的另一端连接U1的5脚，U1的6脚连接第三电阻R3的一端、第四电阻R4的一端，U1的7脚连接第三电阻R3的另一端、第二电阻R2的一端并接电源VCC，第二电阻R2的另一端连接U1的8脚，第四电阻R4的另一端连接第四电容C4的一端，第五电阻R5的一端、第四电容C4的另一端接地，第三电阻R5的另一端作为信号放大电路(7-1)的输出端；

低通滤波电路(8-1)由运算放大器、电阻、电容组成，其中，电阻由第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8组成，电容由第五电容C5、第六电容C6、第七电容C7组成，信号放大电路(7-1)的输出端连接第六电阻R6的一端，第六电阻R6的另一端连接第六电容C6的一端、运算放大器U2的反相输入端、第五电容C5的一端，第五电容C5的另一端接地，第六电容C6的另一端、第七电容C7的一端、第七电阻R7的一端连接运算放大器U2的输出端，运算放大器U2的正相输入端连接第七电容C7的另一端、第七电阻R7的另一端、第八电阻R8的一端，第八电阻R8的另一端接地，运算放大器U2的输出端作为低通滤波电路(8-1)的输出端；

微分电路(8-2)由运算放大器、电阻、电容组成，其中，电阻由第九电阻R9、第十电阻R10、第十一电阻R11组成，电容由第八电容C8、第九电容C9、第十电容C10组成，低通滤波电路(8-1)的输出端连接第九电阻R9的一端，第九电阻R9的另一端连接第八电容C8的一端，第八电容C8的另一端连接运算放大器U3的反相输入端、第十电阻R10的一端、第十电容C10的一端，第十电阻R10的另一端、第十电容C10的另一端相连并连接运算放大器U3的输出端，运算放大器U3正相输入端连接第十一电阻R11的一端、第九电容C9的一端，第十一电阻R11的另一端、第九电容C9的另一端相连并接地，运算放大器的输出端作为微分电路(8-2)的输出端；

带通滤波电路(8-3)由运算放大器、电阻、电容组成，电阻由第十二电阻R12、第十三电阻R13、第十四电阻R14、第十五电阻R15组成，电容由第十一电容C11、第十二电容C12、第十三电容C13组成，微分电路(8-2)的输出端连接第十二电阻R12的一端，第十二电阻R12的另一端连接第十一电容C11的一端、第十四电阻R14的一端、第十二电容C12的一端，第十二电容C12的另一端连接第十三电阻R13的一端、第四运算放大器U4的反相输入端，第十四电阻R14的另一端、第十三电容C13、第十五电阻R15的一端连接第四运算放大器U4的输出端，第四运算放大器U4的正相输入端连接第十三电容C13的另一端、第十五电阻R15的另一端并接第十六电阻R16的一端，第十六电阻R16的另一端接地，运算放大器U4的输出端作为带通滤波电路(8-3)的输出端；

电平比较电路(8-4)运算放大器、电阻、电容组成，电阻由第十七电阻R17、第十八电阻R18、第十九电阻R19组成，电容由第十四电容C14、第十五电容C15组成，带通滤波电路(8-3)的输出端连接第十四电容C14的一端，第十四电容C14的另一端连接第五运算放大器U5的反相输入端，第五运算放大器U5的正相输入端连接第十八电阻R18的一端、第十七电阻R17的一端、第十五电容C15的一端，第十八电阻的中心连接第十五电容C15的一端，第十八电阻R18的另一端连接5V电压，第十五电容C15的另一端、第十七电阻R17的另一端相连并接地，第五运算放大器U5的输出端连接第十九电阻R19的一端，第十九电阻R19的另一端接5V电压，第五运算放大器U5的输出端作为电平比较电路(8-4)的输出端，连接A/D转换电路的输入端；其中A/D转换芯片的型号为AD9240；

本实施例中D/A转换电路(7-5)的后级采用了功放电路(7-7)，其中使用了信号放大器OPA603与NPN型三极管串联的方式实现信号的增强作用；其中D/A转换芯片的型号为DAC8544；

功放电路(7-7)由运算放大器、三极管、电感、电容、电容组成，电阻由第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4组成，电容由第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5、第六电容C6组成，电感由第一电感L1、第二电感L2、第三电感L3、第四电感L4组成，D/A转换电路(7-5)的输出端连接第一电阻R1的一端，第一电阻R1的另一端连接第二电阻R2的一端、运算放大器的反相输入端，运算放大器的正相输入端连接第一电容C1的一端、第四电阻R4的一端、第三电阻R3的一端，第一电容C1的另一端、第四电阻R4的另一端、第二电阻R2的另一端相连并连接运算放大器的输出端、第二电容C2的一端，第二电容C2的另一端连接第一电感L1的一端、三极管的基极，第一电感L1的另一端接地，三极管的集电极连接第四电容C4的一端、第二电感L2的一端，第二电感L2的另一端、第三电容C3的一端相连并接电源VCC，第三电容C3的另一端接地，第四电容C4的另一端连接第三电感L3的一端，第三电感L3的另一端连接第五电容C5的一端、第四电感L4的一端，第五电容C5的另一端连接第六电容C6的一端并接地，第六电容C6的另一端连接第四电感L4的另一端，并连接水声换能器(2-1)的输出端；

本实施例中DSP信号处理器(7-3)的信号为TMS320LF2407A，为保证DSP信号处理器(7-3)能够稳定可靠的工作，时钟电路采用已有的时钟源芯片U7，它能够提供给系统一个稳定的时钟信号，DSP信号处理器(7-3)包含了重要的SPI通信接口：SPISIMO、SPISOMI、SPISCK、SPISTE，DSP信号处理器(7-3)利用这四个接口实现与单片机微处理器(6-3)的实时通信；在实施例中，DSP信号处理器(7-3)主要的工作是对复杂的回波信号进行处理，利用DSP信号处理器(7-3)强大的数字信号处理能力，实现有效信号的利用，精确的定位出故障内检装置在管道中的位置，图8中U6是D/A转换芯片，本装置中采用16位分辨率、电压输出、4通道、并行接口的DAC8544D/A转换器来实现数模信号的转换；为防止经简单滤波电路传输回来的信号衰减的问题，本实施例在A/D转换电路中选用型号为74LS245的缓冲驱动器U4、U5来增强信号的驱动能力，U2为型号为AT29LV020A的FLASH闪存芯片；

本实施例的电源单元(5)由连接电源报警电路(6-6)的蓄电池(5-1)和电源管理充电转换模块(5-2)组成，电源管理充电模块(5-2)提供单片机微处理器(6-3)、DSP信号处理器(7-3)等芯片的工作电压，电源报警电路时刻检测蓄电池的供电电压，当供电电压低于提前设置的电压的设定值时，发出报警电压信号到单片机微处理器(6-3)，触发报警中断，发送信号到上位机；

本实施例中的外部接口单元(3)采用串口芯片，通过串口芯片连接上位机。

本实施例信号传递过程如下：

水声换能器(2-1)将接收到的水声信号转换为电信号后，经滤波/放大电路(6-5)放大后送入单片机微处理器(6-3)的片内A/D中，将模拟信号转换为数字信号，经过单片机微处理器(6-3)对接收到的数字信号校验，确认所接收的信号为定位检测指令时，单片机微处理器(6-3)激活电磁继电器(6-4)对DSP信号处理器(7-3)进行上电操作，使DSP信号处理器(7-3)工作在工作模式，以进行后续数字信号处理工作；与此同时，单片机微处理器(6-3)执行定位检测操作，控制超声波发射电路(6-1)发射频率为50KHz的超声波信号，经过功率放大电路(6-2)将超声信号放大送入超声探测头发射/接收单元(4)中，发射出频率为500KHz的超声波信号，当超声信号遇到内检设备后会经过设备表面反射回波，通过超声探测头发射/接收单元(4)对超声回波信号进行处理，回波信号通过信号放大电路(7-1)，送入滤波电路(8)中的低通滤波(8-1)、微分电路(8-2)、带通滤波(8-3)及电平比较(8-4)，最后将经过简单处理的滤波电路送入A/D转换电路(72)变为数字信号送入DSP信号处理器(7-3)中进行复杂的信号处理步骤，通过超声定位检测原理精确定位管道故障内检设备的位置，并将定位结果通过D/A转换电路(7-5)将数字信号变为可传输的连续信号，经过功放电路(7-7)送入水声换能器(2-1)发送回上位机，同时将结果保存在FLASH存储器(7-4)内。

本发明装置是基于超声波测距定位原理设计出来应用与管道故障内检设备定位检测领域的专用装置，超声波定位方法流程如图9所示，过程如下：

单片机微处理器(6-3)接收定位检测指令进行初始化设置，将休眠中的DSP信号处理器(7-3)唤醒进入工作模式，DSP信号处理器(7-3)进行初始化设置；单片机微处理器(6-3)控制超声发射电路发射超声波，并检测超声波是否发射完毕；检测有无回波信号，如果没有回波信号被接收到，则重复超声波发射，否则接收检测到的超声波回拨信号；将检测到的回波信号，送入DSP信号处理器(7-3)中，按一下步骤定位计算：

步骤1：利用小波变换的多分辨率特性，对回波信号进行去噪处理：采用db8小波对回波信号进行四层分解，对小波分解系数的高频部分进行软阈值量化处理，得到分解后的小波系数：

步骤2：重新拟合回波信号，建立时间序列模型ARMA(m，n)，定义ARMA模型为：

式中y_t代表系统的输出数据，y_t-1…y_t-n是表示同一序列的不同t时刻的输出数据，其反应了时间前后的关系；n代表模型的阶数，描述了系统的动态记忆性，即当前的输出只与前n个时刻的历史观测值有关，而与n时刻之前的数据无线性关系；m代表滑动模型的阶数；a_i表示自回归系数，也称权数，描述了t-i时刻的输出数据对t时刻数据的影响程度；d_i表示滑动平均系数；

为不可测量的外部白噪声，根据模型的AIC准则，选择模型的阶数为ARMA(2，1)进行数据拟合处理；

步骤3：拟合后的数据通过超声波定位理论S＝VT/2进行定位计算处理，其中S表示定位的距离；V表示超声波的速度；T表示超声波的往返时间；

启动无线通信模块(2-2)或是通过水声换能器(2-1)，开启与外部上位机的通信通道；为了防止进入死区，本实施例采用了X25045定时器看门狗芯片，若系统走死，不能定时访问X25045的片选端，X25045将能对系统复位，提高了系统的可靠性，给系统提供独立的保护系统。

Claims (8)

1.一种便携式检测管道故障内检设备的超声定位装置，其特征在于：该装置包括超声信号处理单元(1)、通讯单元(2)、外部接口单元(3)、超声探测头发射/接收单元(4)、电源单元(5)，超声信号处理单元(1)的指令输入端连接通讯单元(2)的第一超声波指令输出端，超声信号处理单元(1)的单片机指令输入端连接通讯单元(2)的第二超声波指令输出端，超声信号处理单元(1)的功率放大信号输出端连接超声探测头发射/接收单元(4)的输入端，超声探测头发射/接收单元(4)的输出端连接超声信号处理单元(1)的回波信号输入端，超声信号处理单元(1)的功放信号输出端连接通信单元(2)的第一检测结果输入端，超声信号处理单元(1)的9SP数据输出端连接通信单元(2)的第二检测结果输入端，超声信号处理单元(1)的报警信号输入端连接电源单元(5)的输出端，超声信号处理单元(1)的串口电路输入输出端连接外部接口单元(3)的输入输出端。

2.根据权利要求1所述的便携式检测管道故障内检设备的超声定位装置，其特征在于：所述的超声信号处理单元(1)由微处理器模块(6)和信号处理模块(7)组成，微处理器模块(6)的单片机数据输入输出端连接信号处理模块(7)的DSP信号输入输出端。

3.根据权利要求2所述的便携式检测管道故障内检设备的超声定位装置，其特征在于：所述的微处理器模块(6)包括超声波发射电路(6-1)、功率放大电路(6-2)、单片机微处理器(6-3)、电磁继电器(6-4)、滤波/放大电路(6-5)、电源报警电路(6-6)，超声波发射电路(6-1)的输出端连接功率放大电路(6-2)的输入端，超声波发射电路(6-1)的输入端连接单片机微处理器(6-3)的第一输出端，单片机微处理器(6-3)的第二输出端连接电磁继电器(6-4)的输入端，滤波/放大电路(6-5)的输出端连接单片机微处理器(6-3)的第一输入端，电源报警电路(6-6)的输出端连接单片机微处理器(6-3)的第二输入端。

4.根据权利要求2所述的便携式检测管道故障内检设备的超声定位装置，其特征在于：所述的信号处理模块(7)包括信号放大电路(7-1)、A/D转换电路(7-2)、DSP信号处理器(7-3)、FLASH存储器(7-4)、D/A转换电路(7-5)、串口电路(7-6)、功放电路(7-7)、滤波电路(8)，信号放大电路(7-1)的输出端连接滤波电路(8)的输入端，滤波电路(8)的输出端连接A/D转换电路(7-2)的输入端，A/D转换电路(7-2)的输出端连接DSP信号处理器(7-3)的输入输，9SP信号处理器(7-3)的第一输入输出端连接FLASH存储器(7-4)的输入输出端，DSP信号处理器(7-3)的输出端连接D/A转换电路(7-5)的输入端，D/A转换电路(7-5)的输出端连接功放电路(7-7)的输入端，串口电路(7-6)的第一输入输出端连接DSP信号处理器的第二输入输出端。

5.根据权利要求4所述的便携式检测管道故障内检设备的超声定位装置，其特征在于：所述的滤波电路(8)由低通滤波电路(8-1)、微分电路(8-2)、带通滤波电路(8-3)、电平比较电路(8-4)组成，低通滤波电路(8-1)的输出端连接微分电路(8-2)的输入端，微分电路(8-2)的输出端连接带通滤波电路(8-3)的输入端，带通滤波电路(8-3)的输出端连接电平比较电路(8-4)的输入端，电平比较电路(8-4)的输出端作为滤波电路的输出端，低通滤波电路(8-1)的输入端作为滤波电路(8)的输入端。

6.根据权利要求1所述的便携式检测管道故障内检设备的超声定位装置，其特征在于：所述的通讯单元(2)包括水声换能器(2-1)和通讯模块(2-2)。

7.根据权利要求1所述的便携式检测管道故障内检设备的超声定位装置，其特征在于：所述的电源单元(5)包括蓄电池(5-1)。

8.采用权利要求1所述的便携式检测管道故障内检设备的超声定位装置的定位方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：利用小波变换的多分辨率特性，对回波信号进行去噪处理：采用db8小波对回波信号进行四层分解，对小波分解系数的高频部分进行软阈值量化处理，得到分解后的小波系数；

步骤2：重新拟合回波信号，建立时间序列模型ARMA(m，n)，定义ARMA模型为：

式中y_t代表系统的输出数据，y_t-1…y_t-n是表示同一序列的不同t时刻的输出数据，其反应了时间前后的关系；n代表模型的阶数，描述了系统的动态记忆性，即当前的输出只与前n个时刻的历史观测值有关，而与n时刻之前的数据无线性关系；m代表滑动模型的阶数；a_i表示自回归系数，也称权数，描述了t-i时刻的输出数据对t时刻数据的影响程度；d_i表示滑动平均系数；

均为不可测量的外部白噪声，根据模型的AIC准则，选择模型的阶数为ARMA(2，1)进行数据拟合处理；

步骤3：拟合后的数据通过超声波定位理论S＝VT/2进行定位计算处理，其中S表示定位的距离；V表示超声波的速度；T表示超声波的往返时间。

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