Advanced Materials Research Online: 2012-05-14
ISSN: 1662-8985, Vols. 518-523, pp 1436-1441
doi:10.4028/www.scientific.net/AMR.518-523.1436
copy; 2012 Trans Tech Publications, Switzerland
Acoustic Signal Acquisition and Analysis System Based on Digital Signal Processor
Yang Liu1, a, Yong Tie1, b, *, Shun Na 1, c, Dong Li1
College of Electronic and Information Engineering, Inner Mongolia University, Huhhot, Inner Mongolia, 010021, P.R. China;
ayangliuimu@163.com, btieyongs@163.com, cwnashun@sina.com, *corresponding author
Keywords: Environmental protection; Leak location; Signal processing; TMS320VC5410
Abstract. Leak detection and calibration of pipe internal roughness in a water distribution network are significant issue for environment pollution around the world. In recent years the problem of leak detection in pipelines, tanks, and process vessels has been the focus of many man-hours of effort. Acquisition the acoustic signal around the leakage to determine the location and size of leaks is emerging as an important tool. A double acoustic data acquisition and signal processing system based on the TI digital signal processor TMS320VC5410 and analog to digital converter TLC320AD50C is presented in this paper. The system design is introduced, with emphasis on the digital signal processor minimal system and TMS320VC5410 interface circuit which consists of two chips of A/D TLC320AD50C. The software development of the data acquisition and signal analysis is introduced. The system can be used in the application of real-time acoustic signal acquisition and leak location.
Introduction
During the recent years,With the government, enterprises and society paying more and more attention to the safety and environment of gas pipeline, the safety inspection of gas pipeline, especially the leakage detection, becomes more and more important large pipeline networks have been constructed in order to convey natural and industrial gases from the production to the consumption sites [1].With the increasing number of
Pipelines,the accidents of pipelines leakage are also increasing frequently. Leaks in pipelines cause unnecessary waste of scarce resources and often endanger the environment. Leaks of hazardous fluids such as crude oil, gasoline, chlorinated solvents can result in very serious environmental pollution if the leak is not quickly detected and repaired. With increasing public awareness and concern for the environment, pipeline leak incidents recently shown that the cost to a company can be far more than the down time and clean up expenses [2]. Large and complex pipe networks for distribution of water to cities cost many millions of dollars to construct, operate, and maintain. Particular, leaks from the pipelines can lead to considerable product losses and to the exposure of the road to water. Therefore, the safe operation of these complex systems is of significant importance due to the serious consequences that may result from natural phenomenon and man made operation.therefore,it is of great
Social significance to make an accurate and practical pipeline leakage detection and positioning system
To prevent and reduce the probability of pipeline leakage accidents.
Pipeline leakage detection are various, different leak detection methods are applied to monitor the integrity of a pipeline. Broadly speaking they can be classified into three categories. One of the most simply method is biological method in which experienced persons or trained dogs can detect and locate a leak by visual inspection, odour or sound. By employing various computer software packages, software-based method can be used to detect leaks in a pipeline. Although the software-based methods have more advantages than biological method in that they can monitor the leakage real-time, the complexity and reliability of the soft packages vary significantly. In order to overcome the drawbacks of the biological method and the software-based method a useful detection technique hardware-based method was proposed. Different hardware devices and software packages are used to assist the detection and localization of a leak [3,4]. The cause of leaks may be ascribed to several factors, such as corrosion, cracks, and defects in the pipe joints. When a leak occurs, noise will be generated as the fluid escape from the pipeline. The wave of the noise propagates with a speed determined by the physical properties of the fluid in the pipeline. The acoustic detector detects these waves and consequently the leaks [5]. Typical devices used include acoustic sensors and gas detectors, negative pressure detectors and infrared thermography. To improve the performance of the leak detection and localization, the acoustic signal acquisition and analysis system need possess high memory and real-time processing ability. There is currently a variety of available commercial leak detection techniques ranging from simple physical inspection to acoustic methods. With digital signal processing (DSP) processor penetrating into various applications, the leak detection using general purpose DSP processor is very challenging work in todayrsquo;s commercial and engineering fields [6,7]. Many industrial companies have been engaged in leak detection DSP processor based leak detection research and development.
This paper is concerned with the design of reliable system that would enable the rapid detection of leaks. Digital signal processing is
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基于数字信号处理器的声信号采集与分析系统
关键词：环保；泄漏定位；信号处理；TMS320VC5410
摘要：给水管网管道内水源的泄漏检测与标定是世界各国环境污染的重要课题。近年来，管道、储罐和工艺容器中的泄漏检测问题一直是许多公司工作的重点。采集泄漏周围的声信号，确定泄漏的位置和大小，正成为泄漏检测的重要工具。本文介绍了一种基于TI数字信号处理器TMS320VC5410和模数转换器TLC320AD50C的双声数据采集与信号处理系统。介绍了系统设计，重点介绍了由两片A/D芯片TLC320AD50C组成的数字信号处理器最小系统和TMS320VC5410接口电路，并介绍了数据采集和信号分析的软件开发。该系统可用于实时声信号采集和泄漏定位。
前言
近年来，伴随着政府、企业及社会对燃气管道安全及环境的日益重视，燃气管道的安全巡检，尤其是泄露检测越来越显得重要。为了将天然气和工业气体从生产地输送到消费地，人们建造了大型管网[1]。随着管道的不断增多，管道泄露的事故也在频繁上升，管道泄漏造成稀缺资源的不必要浪费，并经常危害环境。原油、汽油、氯化溶剂等危险液体的泄漏，如果不及时发现和修复，会造成非常严重的环境污染。随着公众对环境的意识和关注的程度不断提高，最近发生的管道泄漏事故表明，一家公司的成本可能远远超过停工时间和清理费用[2]。向城市供水的大型复杂管网的建设、运营和维护费用高达数百万美元。特别是，管道泄漏会导致大量产品损失和道路暴露在水下。因此，这些复杂系统的安全运行具有十分重要的意义，其严重后果可能是由自然现象和人为操作造成的。所以制作一个精确、实用的管道泄漏检测定位系统，用来预防和降低管道泄漏事故发生的概率是非常具有社会意义的。
管道泄漏的检测方法多种多样，采用不同的泄漏检测方法来监测管道的完整性。大体上可以分为三类。最简单的方法之一是生物方法，其中有经验的人或训练有素的狗可以通过目测、气味或声音来检测和定位泄漏。通过使用各种计算机软件包，基于软件的方法可用于检测管道中的泄漏。基于软件的方法具有比生物方法更优越的优点，因为它们能够实时监测泄漏，软包装的复杂性和可靠性变化很大，但是软件的方法制作复杂而且容易受到环境的影响。为了克服生物法和软件法的缺点，提出了一种实用的检测技术软件amp;硬件法。不同的硬件设备和软件包用于帮助检测和定位泄漏[3,4]。泄漏的原因可以归结为几个因素，如腐蚀、裂纹和管道接头缺陷。当发生泄漏时，流体从管道中逸出时会产生噪声。噪声波的传播速度取决于管道中流体的物理性质。声波探测器探测到这些波，因此泄漏的位置便可以通过这些波来进行定位[5]。使用的典型设备包括声学传感器和气体探测器、负压探测器和红外热像仪。为了提高泄漏检测和定位的性能，声信号采集与分析系统需要具有较高的存储和实时处理能力。目前有多种商业泄漏检测技术，比如从简单的物理检测到声学方法。带数字信号处理（DSP）处理器，深入先进材料在线研究在各种应用中，使用通用数字信号处理器进行泄漏检测在当今商业和工程领域是非常具有挑战性的工作[6,7]。很多工业企业都在从事基于DSP处理器的泄漏检测的研究和开发。
本文设计了一个可靠的系统，能够快速检测泄漏。数字信号处理涉及信号的数字表示和使用数字硬件来分析、修改或提取这些信号中的信息。设计了基于德州仪器公司TMS320VC5410和TLC320AD50C的管道泄漏检测定位信号采集分析系统。TMS320VC5410是为便携式设备设计的16位定点DSP处理器。TLC320AD50C是16位A/D转换。系统采用声传感器采集泄漏产生的模拟信号。然后，两个TLC320AD50C将模拟信号转换成数字信号，并发送到数字信号处理器。DSP处理器TMS320VC5410计算两个信号的相关函数，然后提供泄漏位置信息。
原理与项目
目前，有多种可用的泄漏检测和定位技术，从简单的物理检测到声学方法。这在很大程度上取决于泄漏的局部特性，这些特性包括管道材料完整性的中断、水的释放和特征噪声的发射或某些其他信号的显示。最古老的非系统的泄漏检测方法之一是视觉观察。地表积水和异常植被生长可能是输水干管受损的迹象。动态系统是首选，因为它们可以在管道运行时使用。静态泄漏检测方法在检测到泄漏后非常有用，以便找到其位置。管道的连续监测产生了许多泄漏检测技术。计量偏差或补偿容积平衡法是主要方法。这种方法受到体积测量精度及其相关变化的限制。压力监测和流量可以检测到大泄漏。跨分段值的压差变送器可连续监测负压，这表明存在大泄漏。在依赖于设计程序的现有方法中，声学技术是应用最广泛的方法，因为从泄漏中流出的流体在管壁中产生高频振荡，并且可以使用传感器将振动数据跟踪到其来源。即使是早期的声学技术也包含了许多变化，例如使用金属棒，配备耳机，耳机下沉到管道水平，并将振动传输到监听器或听诊器之类的设备，与泄漏位置内插装置一起使用。这些技术中的大多数还没有完全消失，有些继续得到相对广泛的应用。然而，一种基于声传感器、数字信号处理器和相关算法的相关检测与定位技术正得到越来越广泛的应用。实际上，管道或系统的物理结构的任何变化，如连接、收缩、膨胀、堵塞、粗糙度过渡或泄漏，都会对输入的瞬态信号产生波反射，从而以某种方式改变系统的流量和压力响应。这些修改理论上在网络中的其他位置是明显的或可识别的，它们的识别和表征有可能揭示关于原始奇点性质以及整个系统的有用信息。当高压波通过时，泄漏通过允许一些压力流体逸出，导致初级震荡信号有所衰减。这种信号很容易被压力加速度传感器检测到。在存在噪声的情况下，从泄漏源接收到两个分离的传感器的信号可以建模为
[1]
[2]
其中，s(t)是源信号，n(t)和m(t)是环境噪声，D是两个传感器的接收时延。我们注意到，如果泄漏没有发生在管道的中间，那么两个传感器接收到的信号显示出时间延迟。通过估计两者之间的时间延迟D我们可以找到管子里的漏洞。为了对管道进行检测和定位，我们需要获取泄漏产生的信号，并估计两个传感器之间的时间延迟。因此，信号的采集和两个信号的时延的准确测量是非常重要的。本文提出了一种基于DSP的泄漏信号采集与分析系统。利用A/D转换器TLC320AD50C将声信号转换成数字信号。两个传感器之间的时间延迟可以通过数字信号处理器获得。论文的组织结构如下，第二节介绍了系统的硬件设计，第三节介绍了系统的软件，第四节得出结论。
系统硬件电路设计
采集分析系统由五部分组成：DSP（数字信号处理器）最小系统部分、信号采集部分、存储器扩展部分、CPLD部分和JTAG仿真接口。系统框图如图1所示。
图1系统结构框图
系统采用数字信号处理器（DSP）作为数据采集和信号处理的核心器件。DSP的主要任务是接收A/D数据，计算两个信号的相关函数，从而实现泄漏的定位。该系统扩展了大规模高速外部存储器，包括Flash和SRAM，不仅提供了足够的程序和数据存储空间，而且为系统升级和功能扩展奠定了基础。信号采集部分包括前端A/D转换电路（TLC320AD50C）、低通滤波器和声加速度传感器。该部分实现了声信号到数字信号的转换，为后续的软件滤波和处理提供了依据。CPLD系统为扩展存储器提供地址扩展。
根据实际性能要求，系统采用16位定点数字信号处理器TMS320VC5410作为主处理器。TMS320VC5410是一款低功耗芯片，其工作频率可达100MHz。最高信号处理能力可达100mpis。片上RAM是64k，它提供C语言编程或在定点DSP上汇编[7-9]。TMS320VC5410是一种用于快速实现各种实时信号处理算法的微处理器。由于采用哈佛结构，系统无需处理器直接访问内存。在DSP系统的设计中，最小系统是整个设计的核心。TMS320VC5410最小系统框图如图2所示。TMS320VC5410的工作电压为3.3v和2.5v，3.3v为
图2 DSP最小系统结构框图
I/O电源，2.5v为核心电源电压。本设计采用功率芯片TPS73HD325。TPS73HD325的输入电压为5v，两个输出电压分别为3.3v和2.5v。另外，每路最大输出电流为750mA，满足系统需要。时钟可分为无源晶体和有源晶体振荡器。无源晶体需要在DSP芯片中采用振荡器，不涉及电压问题，信号电平可变。因此同一种晶体可以适用于各种不同时钟信号电压要求的数字信号处理器，其价格通常较低。因此，对于一般的应用，建议使用无源晶体，特别是适用于生产线丰富、产量大的生产厂家。与无源振荡器相比，有源晶体振荡器质量好，相对稳定。另外，它的连接方式也很简单。对于具有敏感时序要求的应用，有源晶体振荡器更为方便。TMS320VC5410的时钟信号由时钟发生器提供。时钟发生器由内部振荡器和锁相环电路组成。连接频率为10MHz的外部有源晶体振荡器，为DSP提供频率时钟输入。TMS320VC5410的内部锁相环是软件可编程的，具有很强的灵活性。它的时钟定标器提供各种时钟倍增系数，可以直接打开或关闭锁相环。当系统复位时，时钟频率由三个外部引脚的状态决定。DSP通电后，可以对存储器映射时钟模式寄存器进行软件编程，改变DSP的运行时钟频率。
TMS320VC5410的存储空间包括三部分：64k数据空间、64k程序空间和64k I/O空间。此外，程序空间可以扩展到8M，由于片上存储器容量非常有限，为了满足系统的需求，外部存储器可以进行大规模或非易失性扩展。系统采用64k SRAM GS711169和256k闪存SST39VF400作为扩展存储器。两个扩展存储器的电压为3.3v，不需要电源转换芯片。作为一种常用的可编程器件，其开发环境和逻辑功能更加强大。在DSP系统中，通常采用CPLD作为系统逻辑控制器。由于TMS320VC5410的I/O有限，逻辑或控制功能可由CPLD实现。在本设计中，结合DSP的XF节点和CPLD，实现了数据存储开关。从而使DSP的数据存储空间得到了更为合理的利用。通过在EPM7032上编写VHDL程序，实现了解码功能。
JTAG端口是符合IEEE1149.1的标准模拟接口。它用于在调试软件时提供一个实时的计算机仿真环境，以验证程序的性能。在编写了相应的程序源代码后，通过TI公司提供的专业编译器将这些代码编译成目标文件，然后将目标文件与一些必要的辅助文件连接起来，生成可在DSP处理器上执行的二进制文件。生成的二进制文件通过JTAG调试端口下载到芯片上。JTAG仿真接口可以给程序调试带来极大的方便，实时访问DSP芯片中各种存储器和寄存器的状态，方便用户监控程序的执行情况，及时调整和修改程序参数。
系统需要处理的信号由A/D转换电路输出。有源信道和无源信道的不同特性决定了对声信号进行采样时的不同采样频率。有源信道和无源信道的采样频率相同。因此，主、被动通道的A/D均为TLC320AD50C，最大采样频率为22.05kHz，典型信噪比为89dB。TLC320AD50C是TI公司生产的16位高速A/D采样芯片。任何时候采集的数据在三个时钟周期的延迟后被发送到内部数据总线，因此，在编译软件时，前三次的采样值需要从第四次删除并处理。DSP与A/D对应，接口电路的连接如下图3所示。在实际应用中，声信号的频率主要集中在低频段，如塑料管为5Hz-2Hz，金属管为1kHz-2kHz。因此TLC320AD50C满足系统的采样频率。通过A/D转换器将信号转换成数字信号后，将数字信号传输到DSP。
图3 TLC320AD50C电路接线图
系统软件设计
系统软件包括主程序、数据处理子程序、A/D控制子程序。主程序通过调用其它子程序，控制外频电源，实现测试过程控制。A/D控制子程序实现了A/D器件的控制和采样率的设置，完成了模拟信号到数字信号的转换。数据处理子程序实现数据的存储、过滤、计算，得出测量结果。数据采样子程序流程图如图4所示。
图4数据采集流程图
信号处理子程序是系统软件的核心。信号处理流程如图5所示。通过A/D转换器，输入电压信号x(t)和y(t)变为离散时间序列x(n)和y(n)，可由DSP进行处理。
图5信号处理流程图
确定时间延迟是计算定义为[9]的互相关函数，
[3]
自相关函数的一个重要性质是。结果表明，理想的自相关函数在时，
[4]
通过检测相关函数的峰值，可以得到需要估计的时延。将时延估计代入式5，可以得到泄漏的位置信息。
[5]
其中L为管道距离，V为声信号速度，Ts为TLC320AD50C的采样频率。
小结
通过本次课题的研究分析经过一步步的计算和测试最终得出了想要的东西，实际上为了验证基于瞬态的泄漏检测，需要进行数值案例研究、实验室试验和有限的现场试验。虽然所有人都在这项技术
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