CN105319263B - 一种信标检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种信标检测装置，包括控制处理单元、微弱信号处理单元和电源；微弱信号处理单元的第一输入端接收外部传感器信号，第二输入端连接控制处理单元的第一输出端，电源端连接电源的第一输出端；控制处理单元的输入接口连接微弱信号处理单元的输出端，控制处理单元的第一电源端连接电源的第二输出端，第二电源端连接电源的第三输出端；控制处理单元的第二输出端作为与外部水声通信设备的接口；电源的第一输入端、第二输入端和第三输入端对应的连接控制处理单元的第一开关控制信号输出端、第二开关控制信号输出端和第三开关控制信号输出端；该装置通过检测漏磁检测器辐射的超低频信号来确定漏磁检测器的过站时间，具有低功耗的特点。

Description

一种信标检测装置

技术领域

本发明属于信号处理技术领域，更具体地，涉及一种信标检测装置。

背景技术

管道作为运输产业之一，对国民经济起着非常重要的作用。管道在建设和运营过程中，由于各种原因不可避免的会产生凹陷、变形、腐蚀以及由外力所致的穿孔、管道位移等风险，如果任由这些风险发生，随之而来的就是爆炸、泄露，对人民的生命财产及生态环境造成不可估量的损失。

管道的金属损失缺陷包括机械损伤和腐蚀等体积型缺陷，主要检测方法有漏磁检测、超声波检测、涡流检测；其中，超声波检测和漏磁检测应用最为广泛。漏磁检测器在管道中运行，通过磁场的变化确定管道缺陷，但外界无法确定缺陷位置信息，可在管道外定点布置一种信标检测装置，漏磁检测器在管道中运行时向外辐射超低频信号，信标检测装置可以检测漏磁检测器辐射的超低频信号来确定漏磁检测器的过站时间，进而可以确定管道缺陷的位置信息。

系统要求信标检测器的重量不能太重，电源一般采用内置式可充电电池，所携带的电池容量小，这就要求信标检测器的功耗尽量小。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种信标检测装置，其目的在于提供应用于高背景噪声场景的超低频信号低功耗检测装置。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种信标检测装置，包括控制处理单元、微弱信号处理单元和电源；

其中，微弱信号处理单元的第一输入端作为外部辐射信号接口，第二输入端连接控制处理单元的第一输出端，电源输入端连接电源的第一输出端；

控制处理单元的信号输入端连接微弱信号处理单元的输出端，控制处理单元的第一电源输入端连接电源的第二输出端，第二电源输入端连接电源的第三输出端；控制处理单元的第二输出端作为信标检测装置与外部水声通信设备的接口；

电源的第一输入端连接控制处理单元的第一开关控制信号输出端、第二输入端连接控制处理单元的第二开关控制信号输出端、第三输入端连接控制处理单元的第三开关控制信号输出端、第四输入端用于连接外部电源；

其中，微弱信号处理单元用于对接收到的外部漏磁检测器辐射信号进行处理，转换为差分信号；控制处理单元用于对所述差分信号进行数字信号处理，获取漏磁检测器的过站时间，并把过站时间通过外部水声通信传输出去；所述电源在控制处理单元作用下，分别为外部传感器、微弱信号处理单元和控制处理单元供电，可根据具体工作状态开启或关闭其中部分模块的电源，以降低功耗。

优选的，电源包括第一隔离电源模块、第二隔离电源模块和负载开关；

其中，第一隔离电源模块的输入端作为电源的第四输入端；第一隔离电源模块的第二输出端作为电源的第二输出端，用于连接控制处理单元的第一电源输入端，第三输出端作为电源的第三输出端，用于连接控制处理单元的第二电源输入端；

负载开关的第一输入端连接第一隔离电源模块的第一输出端；第二输入端作为电源的第一输入端，连接控制处理单元的第一开关控制信号输出端，第三输入端作为电源的第二输入端，连接控制处理单元的第二开关控制信号输出端；

第二隔离电源模块的第一输入端与所述第一隔离电源模块的输入端并联，第二输入端作为电源的第三输入端，用于连接控制处理单元的第三开关控制信号输出端；输出端作为电源的第一输出端，用于连接微弱信号处理单元的电源输入端；

其中，第一隔离电源模块为控制处理单元供电，第二隔离电源模块为微弱信号处理单元供电；微弱信号处理单元与控制处理单元的电源分别由第一隔离电源模块与第二隔离电源模块提供，使得外部电源、微弱信号处理单元和控制处理单元之间的电源互相隔离，避免模块之间的干扰。

优选的，微弱信号处理单元包括依次串联的输入保护电路、低通滤波电路、陷波器、可调增益放大电路和单端转差分电路；

其中，输入保护电路用于对接收到的外部辐射信号进行限幅，避免信号幅度过大损坏后级电路；低通滤波电路用于对输入保护电路的输出信号进行低通滤波；

陷波器用于滤除低通滤波电路输出信号里的工频信号；消除工频信号对接收到的外部辐射信号的干扰；可调增益放大电路用于对陷波器的输出信号进行放大，放大倍数由控制处理单元控制；

单端转差分电路用于将可调增益放大电路输出的单端信号转为差分信号，以增强微弱信号处理单元与控制处理单元之间信号传输的抗干扰能力。

优选的，控制处理单元包括模数转换电路、可编程逻辑器件(CPLD)、数字信号处理器件(DSP)、GPS(Global Position System，全球定位系统)、日历钟模块和运算控制模块；

模数转换电路的第一端作为控制处理单元的信号输入端；CPLD的第一端连接模数转换电路的第二端，收发串口数据；CPLD的第二端连接GPS的第二端；CPLD的第三端连接日历时钟芯片的第二端，接收时间戳、中断信号，时间信号；DSP的第一端连接CPLD的第四端，传输并口数据，第二端通过SPI总线连接日历芯片的第一端，第三端通过SPI总线连接运算控制模块的第一端；GPS的第一端通过RS232总线连接DSP的第四端；

运算控制模块第二端作为控制处理单元的第三开关控制信号输出端，输出微弱信号处理单元及外部传感器模块电源控制信号；第三端作为控制处理单元的第二开关控制信号输出端，输出DSP、CPLD、模数转换电路电源控制信号；第四端作为控制处理单元的第一开关控制信号输出端，输出GPS电源控制信号；

第五端作为控制处理单元第二输出端；第六端作为控制处理单元的第一输出端；第七端连接电源的外部电源接口，接收外部电源电压采样信号；

其中，模数转换电路将微弱信号处理单元输出的差分模拟信号转变为数字信号；CPLD用于把模数转换电路输出的串行的数字信号转换为并行数据信号，处理日历钟模块发送的时间戳、中断信号与时间等数据，处理GPS发送的秒脉冲；

DSP用于处理CPLD发送的并行数据信号，实时检测接收到的信号的最大值，并获取最大值出现的时间点；该时间点就是漏磁检测器的过站时间点；

GPS用于为信标检测装置提供时间基准，在可接收到GPS信号的地点，DSP从GPS中读取当前的时间信息，日历钟模块实时存储该时间信息；以该时间信息作为GPS信号消失后漏磁检测器过站时间的基准；

运算控制模块用于接收并上传DSP发送的漏磁检测器的过站时间信息；并对外部电源电压进行监测，当外部电源电压采样值下降到临界值时，通过运算控制模块第五端的RS422接口上传警报；并根据检测到的漏磁检测器发射的信号的值实时调整微弱信号处理单元可调增益放大电路的增益；并对信标检测装置与外部水声通信设备的接口进行系统休眠指令的监测；

控制电源根据系统需求关闭除了运算控制模块与日历钟模块之外其他电路的电源，使信标检测装置进入低功耗模式；具体地，日历钟模块和运算控制模块处于常电状态，在信标检测装置下潜之前，通过GPS对日历钟模块进行校时；下潜后，运算控制模块通过第一开关控制信号SW_GPS信号关闭GPS模块的供电电源；当下潜后的信标检测装置通过水声通信设备收到信标检测装置待命的命令，运算控制模块通过第二开关控制信号SW_DSP关闭负载开关的所有输出，通过第三开关控制信号SW_TEN信号关闭第二隔离电源模块的输出；这时，信标检测装置只有低功耗的运算控制模块和日历钟模块在工作，其它所有的模块都不工作，系统进入低功耗模式。

优选地，可调增益放大电路的放大倍数根据当前输入DSP芯片的信号幅值的大小进行实时调整，使得输入DSP芯片的信号满足其信号处理幅值的门限。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)本发明提供的信标检测装置，由于采用了可调增益放大技术，因此具有微弱超低频信号检测能力；试验结果表明，能检测到频率为22Hz±1Hz的超低频信号，对于漏磁检测器发射的22Hz正弦信号具有极强的检测能力；

(2)本发明提供的信标检测装置，由于采用了高性能的DSP，可实时检测漏磁监测器发射的22Hz的正弦信号，并对该信号进行实时FFT运算，获取输入信号幅值的最大值，并把输入信号幅值最大值信号的时刻作为漏磁检测器的过站时间上传；根据过站时间及漏磁检测器的运行速度数据，可获取管道破损或缺陷的位置，进而为后期管道的维修或更换提供精确的位置信息；

(3)本发明提供的信标检测装置，利用电源里负载开关与隔离电源模块的输出控制功能，可根据该装置的具体工作状态开启或关闭其中部分电路的电源，从而达到降低功耗的目的；试验结果表明，该装置的待机功耗可低至0.156W，信标检测装置充电后在水下工作的时间更长，单位时间内可以检测更长的管道；

(4)本发明提供的信标检测装置，其电源由外接电池提供，且微弱信号处理单元与控制处理单元分开供电，分别由第一隔离电源模块和第二隔离电源模块供电；这样保证外部电池、微弱信号处理单元与控制处理单元之间的电源互相隔离，避免模块之间的相互干扰，可以提高信标检测装置的抗外界电磁干扰能力，具有在恶劣外界电磁环境下工作的能力。

附图说明

图1是本发明提供的信标检测装置的系统框图；

图2是本发明提供的信标检测装置的电源示意框图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明提供的信标检测装置，包括电源、微弱信号处理单元和控制处理单元，其系统组成如图1所示；

其中，微弱信号处理单元的第一输入端作为外部辐射信号接口，第二输入端连接控制处理单元的第一输出端，电源输入端连接电源的第一输出端；

控制处理单元的信号输入端连接微弱信号处理单元的输出端，控制处理单元的第一电源输入端连接电源的第二输出端，第二电源输入端连接电源的第三输出端；控制处理单元的第二输出端作为信标检测装置与外部水声通信设备的接口；

电源的第一输入端连接控制处理单元的第一开关控制信号输出端、第二输入端连接控制处理单元的第二开关控制信号输出端、第三输入端连接控制处理单元的第三开关控制信号输出端、第四输入端用于连接外部电源；

其中，微弱信号处理单元包括输入保护电路、低通滤波电路、50Hz陷波器、可调增益放大电路、单端转差分电路；

实施例中，输入保护电路采用二极管实现；低通滤波电路采用6阶40Hz切比雪夫低通滤波器组成；50Hz陷波器由Q值可调的双T陷波器构成，陷波深度25dB；可调增益放大电路包括多路电子开关TS5A3359、运算放大器AD8622和电阻；其最大增益为80dB，增益根据需要分为5档可调，分别为0dB、20dB、40dB、60dB、80dB；单端转差分电路采用运算放大器AD8622。

控制处理单元包括模数转换器件ADS1281、可编程逻辑器件XC6SLX9、日历钟模块PCF2129AT、数字信号处理器件TMS320C6747、运算控制模块C8051F996和GPS模块M12MT；

模数转换器件把微弱信号处理单元处理后的模拟信号转为串行数字信号送入可编程逻辑器件CPLD；CPLD进行串并变换以及地址译码后送入数字信号处理器件DSP，并且接收GPS模块和日历钟模块的秒脉冲、中断输出等信号；日历钟模块存储并实时保存DSP芯片设置的时间参数，并把中断等信号传给CPLD；DSP芯片接收可编程逻辑器件的数据并实时运算，把收到信号的最大值以及收到最大值的时刻传入运算控制模块，并且接收GPS模块的时间信息实时设置日历钟模块；运算控制模块接收DSP的输入数据，并把时间及信号幅值通过RS422传入水声通信设备，运算控制模块实时采集外部电池电压数据，当外部电池电压下降到临界值时通过RS422传入水声通信设备并报警，运算控制模块根据该装置的工作状态和需要打开或关闭该装置的部分模块及芯片的电源，达到降功耗目的；实施例里，电池电压的临界值取10.85V。

实施例的电源与系统其他模块的连接关系如图2所示，电源包括两个隔离电源模块和一个负载开关；外部电池提供+12V电压，通过第一隔离电源模块PKV 3211 PI输出+5V分别给日历钟模块PCF2129AT、运算控制模块C80151F996供电，一路受运算控制模块控制的+5V通过负载开关TPS22960分别给DSP、CPLD、模数转换电路和GPS模块供电；第二隔离电源模块TEN 3-1221把+12V电压转变为+5V和-5V一组电源后给微弱信号处理单元及传感器供电，该组电源有远程控制功能，可以根据需要由运算控制模块断开这组电源的输出，当该组电源输出被断开时，微弱信号处理单元和外部传感器都将断电，起到了节省系统电源的目的。

实施例提供的信标检测装置的工作过程具体如下：在下潜之前，信标检测装置开机，运算控制模块初始化，检测到有GPS信号，DSP实时的把该GPS时间信息写入日历钟模块，并通过控制信号SW_TEN切断微弱信号处理单元及外部传感器的电源；

在信标检测装置沉入海底管道的过程中，GPS信号消失；此后，信标检测装置的时间以日历钟模块的时间为准，运算控制模块通过控制信号SW_DSP和SW_GPS切断负载开关的全部输出，DSP、CPLD、模数转换电路及GPS模块的电源被切断，系统进入待机模式；信标检测装置被释放到管道附近时，系统一直处于待机模式；

当潜入海底后，通过与水声通信设备通讯的接口接收开始工作的指令，运算控制模块通过控制信号SW_TEN和SW_DSP恢复对DSP、CPLD、模数转换电路、微弱信号处理单元及外部传感器的供电；外部传感器接收漏磁检测器的22Hz超低频信号；该超低频信号接入到信标检测装置，经过低通滤波和陷波处理后，由可调增益放大电路进行40dB放大；当DSP经过FFT运算后检测22Hz信号时，将检测到的超低频信号的幅值与门限值相比，若大于门限值，则通过运算控制模块把放大模块的增益调小，若小于门限值，则将放大模块的增益调大，直到输入信号幅值满足DSP的运算需求；该过程在1us内完成；实施例里，该门限值取1.36伏。

开始存储输入信号的幅值及收到信号的时间，获取到信号幅值的最大值以及获取最大值的时间点，并通过RS422发送到水声通信设备；运算控制模块实时检测电池电压，当电池电压下降到10.85V的临界值时，通过RS422将电池电压告警信息传入水声通信设备。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种信标检测装置，其特征在于，包括控制处理单元、微弱信号处理单元和电源；

所述微弱信号处理单元的第一输入端作为连接外部辐射信号的接口，第二输入端连接控制处理单元的第一输出端，电源输入端连接电源的第一输出端；

所述控制处理单元的信号输入端连接微弱信号处理单元的输出端，控制处理单元的第一电源输入端连接电源的第二输出端，第二电源输入端连接电源的第三输出端；控制处理单元的第二输出端作为信标检测装置与外部水声通信设备的接口；

所述电源的第一输入端连接控制处理单元的第一开关控制信号输出端、第二输入端连接控制处理单元的第二开关控制信号输出端、第三输入端连接控制处理单元的第三开关控制信号输出端、第四输入端用于连接外部电源；

所述微弱信号处理单元用于对接收到的外部漏磁检测器辐射信号进行处理，转换为差分信号；所述控制处理单元用于对所述差分信号进行数字信号处理，获取漏磁检测器的过站时间；所述电源在控制处理单元作用下，分别为外部传感器、微弱信号处理单元和控制处理单元供电。

2.如权利要求1所述的信标检测装置，其特征在于，所述电源包括第一隔离电源模块、第二隔离电源模块和负载开关；

所述第一隔离电源模块的输入端作为电源的第四输入端；第一隔离电源模块的第二输出端作为电源的第二输出端，第三输出端作为电源的第三输出端；

所述负载开关的第一输入端连接第一隔离电源模块的第一输出端；第二输入端作为电源的第一输入端，第三输入端作为电源的第二输入端；

所述第二隔离电源模块的第一输入端与所述第一隔离电源模块的输入端并联，第二输入端作为电源的第三输入端，输出端作为电源的第一输出端。

3.如权利要求1或2所述的信标检测装置，其特征在于，所述微弱信号处理单元包括依次串联的输入保护电路、低通滤波电路、陷波器、可调增益放大电路和单端转差分电路；

所述输入保护电路用于对接收到的外部辐射信号进行限幅；所述低通滤波电路用于对输入保护电路的输出信号进行低通滤波；所述陷波器用于滤除低通滤波电路输出信号里的工频信号；所述可调增益放大电路用于对陷波器的输出信号进行放大；所述单端转差分电路用于将可调增益放大电路输出的单端信号转为差分信号。

4.如权利要求2所述的信标检测装置，其特征在于，所述控制处理单元包括模数转换电路、可编程逻辑器件、数字信号处理器件、GPS、日历钟模块和运算控制模块；

所述模数转换电路的第一端作为控制处理单元的信号输入端；所述可编程逻辑器件的第一端连接模数转换电路的第二端，第二端连接GPS的第二端，第三端连接日历时钟芯片的第二端；所述数字信号处理器件的第一端连接可编程逻辑器件的第四端，第二端通过SPI总线连接日历芯片的第一端，第三端通过SPI总线连接运算控制模块的第一端；所述GPS的第一端通过RS232总线连接数字信号处理器件的第四端；

所述运算控制模块第二端作为控制处理单元的第三开关控制信号输出端；第三端作为控制处理单元的第二开关控制信号输出端；第四端作为控制处理单元的第一开关控制信号输出端；第五端作为控制处理单元第二输出端；第六端作为控制处理单元的第一输出端；第七端连接电源的外部电源接口，接收外部电源电压采样信号。

5.如权利要求3所述的信标检测装置，其特征在于，所述可调增益放大电路的放大倍数根据输入数字信号处理器件的信号幅值的大小进行实时调整。