一种基于ARM-Linux的分布式管道泄漏监测系统

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针对中国输油管道现场具体情况，设计一套基于嵌入式ARM-Linux和LabVIEW的分布式管道泄漏监测系统，包括远程测控终端(RTU)、监测PC以及工业局域网。详细论述了系统架构、硬件组成、软件流程等。通过实际开发与应用，证明此设计完全适用于输油管道特殊现场，不仅降低了成本与功耗，还提高了效率，为长距离石油管道运输系统正常良好地运行提供了有力的技术支持。
输油管道泄漏监测技术是当今石油化工领域科研工作者研究的热门课题[1]。目前，输油管道现场应用的泄漏监测系统存在各种问题。首先，现场很多站点正在使用太阳能阀室设计，而广泛使用于全国各地输油管道监测系统中的基于PC的采集传输设备,因其高功耗、高成本的缺点不适合在太阳能阀室中应用。其次，许多现场管道为分布式网络布局，一个站点可能安置了多个测量节点，并且在主站有多个监控PC获得现场数据进行监测，很多监测系统的多通道采集和多用户处理能力达不到满意要求。再次，由于一些现场会使用电话线拨号网络或微波无线网络，带宽和稳定性无法达到正常网络环境要求，很多现场设备因经常出现数据丢失的情况而不能对泄漏发生做出及时判断定位。所以针对这种情况需要应用一些专门机制来保证网络通信的实时性和完整性，为输油管道泄漏监测与定位提供准确的数据来源。为解决上述泄漏监测系统的问题，设计了一套基于ARM的分布式管道泄漏监测系统。
在当今嵌入式应用领域，ARM由于性价比、功耗、可靠性在同类产品中非常突出，尤其是结合开源的嵌入式Linux操作系统以后,得到了越来越多设计者的青睐[2]。在本输油管道泄漏监测设计中，远程测控终端(RTU)采用ARM和嵌入式Linux的方案,监控PC采用LabVIEW图形编程方案，所有节点通过基于TCP/IP协议的局域网进行通信。
1 系统概述
管道泄漏检测系统采用分布式网络结构，由多个主站监测PC和多个从站远程测控终端(RTU)组成。图1是分布式管道泄漏监测系统结构示意图。



系统基于负压波原理，通过安装在各个管道测量节点的压力变送器测得压力变化情况,并通过从站RTU将各个节点信号数据传送给主站监测PC。当管道网络中某段发生破裂时, 主站监测PC能立即接收到管段内输送介质泄漏瞬间所产生的泄漏信号, 通过比较数据库中的模型来确定管道是否发生泄漏，利用管道两端节点RTU传送信号的时差确定泄漏位置。多个主站监测PC可同时监测整个管道网络的状态。
2 系统硬件组成原理
2.1 RTU硬件组成原理
S3C2440是SAMSUNG公司生产的一款基于ARM920T内核的32位RISC微处理器,其具有低功耗、高速的处理计算能力，负责控制整个RTU。以太网控制器通过隔离器高速、稳定地将系统接入局域网。GPS校时模块把导航信息通过UART总线传送至S3C2440芯片，利用秒脉冲中断实现RTU自动高精度时钟同步。由于S3C2440已经集成了SD模块，直接外接SD物理层接口实现本地数据储存功能。
根据系统要求设计的RTU系统框图如图2所示。



2.2 A/D模块硬件设计
RTU工作时，首先由信号调理单元电路获取压力变送器采集到的电流信号,经由光电隔离芯片和数字滤波器得到适合于模/数转换器（ADC）的输出。模/数转换器(ADC)采用一款内置序列器的4通道、200 kS/s、12 bit AD7923芯片。AD7923芯片由AD780芯片提供2.5 V参考电压。该A/D模块通过SPI总线将转换后的数字信号传送给ARM核心控制模块进一步处理。A/D模块接口电路如图3所示。