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摘 要：设计天然气出口流量检测仪，进行天然气管道进出口压力和流量的准确检测，提出基于嵌入式ARM的天然气出口流量检测仪设计方案。进行天然气管道出口流量检测仪的总体设计构架，系统总体结构包括天然气流量传感器模块、集成控制模块、总线模块、接口模块和人机交互模块等组成，采用时钟控制電路进行天然气流量检测的时钟采样和中断复位，结合ARM处理器进行流量检测的中央集成控制，建立VIX总线模块进行控制指令的集成调度和传输。在DSP集成信息处理环境下进行天然气出口流量检测仪的硬件开发，主要对流量的采集单元、中央控制单元以及人机交互单元进行集成电路设计，实现检测仪的优化设计。测试结果表明，设计的天然气出口流量检测仪能准确实现天然气流量检测，检测精度较高，人机交互性和可靠性较强。
关键词：嵌入式ARM； 天然气管道； 流量； 检测仪； 仪器仪表
Abstract： Design natural gas outlet flow detector to accurately detect the inlet and outlet pressure and flow rate of natural gas pipeline， the design scheme of natural gas outlet flow detector based on embedded ARM is put forward. The overall design frame of natural gas pipeline outlet flow detector is presented， which includes natural gas flow sensor module， integrated control module， bus module， the interface module and man-machine interaction module， and so on. Clock control circuit is used for natural gas flow detection clock sampling and interrupt reset， and ARM processor for central integrated control of flow detection. The VIX bus module is established for the integrated dispatch and transmission of the control instructions， and the hardware development of the natural gas outlet flow detector is carried out under the DSP integrated information processing environment， which mainly deals with the collection unit of the flow rate. The central control unit and the human-computer interaction unit are designed to realize the optimal design of the detector. The test results show that the designed natural gas flow detector can accurately realize the natural gas flow detection， and the detection accuracy is high. Man-machine interaction and reliability are better.
Key words： embedded ARM； natural gas pipeline； flow rate； detector； instrument
引言
随着国家对天然气西气东输工程投入的不断增大，对西气东输工程沿线的管道设施设备的监测和管理的智能化和集成化程度越来越高，研究智能的天然气输送管道设施的智能监测仪器仪表，成为广大工程技术人员关注的重点课题。在采用管道进行天然气远程输送过程中，需要对天然气管道的进出口压力和流量进行准确的检测，分析管道输送天然气的压力信息、流量强度以及输出压强等，结合流量检测结果进行管道状态的实时监测，相关的流量检测技术在实现天然气管道的泄漏监测、故障诊断以及工况分析等方面具有重要意义[1]。
随着集成电子技术和嵌入式处理技术的发展，采用集成DSP信号处理芯片和嵌入式的ARM处理器进行流量检测仪的开发，能提高天然气出口流量检测的精度和稳定性。为了提高天然气管道的流量检测能力，从而保障天然气管道的稳定可靠运行，实现天然气运输管道的实时状态监测[2]，本文提出一种基于嵌入式ARM的天然气出口流量检测仪设计方法。首先进行天然气出口流量检测仪的总体设计构造分析，天然气出口流量检测仪远程自动控制系统采用局部总线控制方法，在嵌入式环境下进行系统的模块化设计，然后进行系统的硬件开发，结合嵌入式ARM处理器进行天然气出口流量检测仪的集成设计和计算机控制，流量检测仪天然气流量传感器模块、集成控制模块、总线模块、接口模块和人机交互模块等，采用模块化开发设计方案，结合DSP和嵌入式系统，进行检测仪的集成硬件电路设计，实现检测仪的优化开发设计，最后进行实验测试，展示了本文设计的天然气出口流量检测仪的优越性能。
1 仪器的总体设计构架和功能组成
1.1 天然气出口流量检测仪总体设计分析
本文设计的天然气出口流量检测仪主要包括硬件模块化设计和电子线路的集成设计两大部分，对天然气出口流量的检测主要采用压力传感器和流量传感器进行原始数据采集，设计传感器模块进行出口压强、出口压力、差压的幅度、绝压幅度等信息采集，结合对应信号的频谱图和时域波形图分析方法进行出口流量特征提取[3]，采用谱分析方法进行出口流量的可视化图谱分析。采集的原始数据输入到检测仪的AD模块中进行数模转换控制，将原始的压力信息转换为计算机可识别的电信息，采用嵌入式ARM处理器设计中央处理器模块进行天然气出口流量检测仪的智能信息处理和集成信息分析，设计微处理器进行天然气出口流量的电位信息处理，构建电磁共振式耦合器进行天然气出口流量特征分析。结合供电频率和电压进行输出耦合性控制，用DSP和RAM作为天然气出口流量检测仪的核心处理器，建立天然气出口流量检测仪的正交解调电路进行信号调制解调处理[4]，采用总线控制技术进行流量载荷输出控制，采用程序交叉编译方法进行总线开发设计，使用逻辑可编程的应用程序中进行天然气出口流量检测仪的嵌入式开发设计。系统总体结构包括天然气流量传感器模块、集成控制模块、总线模块、接口模块和人机交互模块等组成。根据上述设计原理，得到总体设计构架如图1所示。 1.2 设计技术指标及功能结构
根据图1所示的总体结构构架，结合天然气出口流量检测仪的应用环境，分析本文设计的天然气出口流量检测仪的技术指标，系统设计的核心为信号处理芯片的选择，采用ADI公司ADSP21160处理器作为数字处理芯片，采用定點DSP芯片ADSP2101/2103/2105作为流量检测仪的控制中枢单元[5-7]，在Linux内核下进行检测仪的总线开发，检测仪的技术指标描述为：
（1）出口流量检测的主频为120 MHz，管道的最大输出功率为12 KW，流量检测放大量为80 dB。
（2）流量数据采集的采样率>200 KHz，D/A分辨率不低于12位。
（3）基阵阻抗匹配强度为3 dB左右，输出静态功率损耗为20 W。
（4）天然气流量自动调速匹配的控制误差级12 dB 采用时钟控制电路进行天然气流量检测的时钟采样和中断复位，结合ARM处理器进行流量检测的中央集成控制，得到本文设计的天然气出口流量检测仪的功能组成如图2所示。
2 检测仪的硬件模块化设计与实现
采用ADSP21160处理器仪器作为核心处理芯片，在嵌入式ARM处理器控制下进行天然气出口流量检测仪外围结构和核心功能模块开发，建立VIX总线模块进行控制指令的集成调度和传输。在DSP集成信息处理环境下进行天然气出口流量检测仪的硬件开发，主要对流量的采集单元、中央控制单元以及人机交互单元进行集成电路设计[8-10]，对各个功能模块的硬件设计描述如下；
（1）天然气流量传感器模块。传感器模块实现对天然气出口流量检测仪的传感信息采集功能，采用压力传感器和磁力计进行管道的输出流量信息采集和压力信息采集，采用低功耗的GT8340 32进行传感器模块的功率放大处理，使用电流传感器测量每个冲程的电流大小。传感器模块电路设计如图3所示。
（2）集成控制模块。集成控制模块是整个流量检测仪的核心，采用AD8021作为放大器进行输出压力传感信号放大，采用Mux101多路开关进行控制器的输出电平控制和流量误差控制[11]，选择AD8021的反馈电阻进行程序控制和一级放大。以S3C2440A ARM9处理器作为控制和运算核心，得集成控制模块电路如图4所示。
（3）总线模块。总线模块采用2 片16-bit 宽度的32M SDRAM 组成，通过SPI接口进行输入串口设计，构建复位电路进行输出反馈控制，采用VIX总线实现天然气出口流量检测输出数据的同步时钟控制，得到总线模块设计如图5所示。
（4）人机交互模块。人机交互模块实现对天然气出口流量检测仪的自动控制和人机交互设计功能，采用AD转换电路实现对天然气输出流量信息的功率谱分析，提取图谱特征，在人机交互模块中实现可视化的图谱分析，采用FLAH作为人机交互模块的GUI[12]。人机交互模块实现对天然气出口流量检测仪的自动控制和人机交互设计功能，采用AD转换电路实现对天然气输出流量信息的功率谱分析，提取图谱特征，在人机交互模块中实现可视化的图谱分析，采用FLAH作为人机交互模块的GUI，采用嵌入式ARM处理器作为计算机处理中心单元，进行输出控制，得到人机交互模块电路设计如图6所示。
综上对天然气出口流量检测仪的模块化设计，在DSP集成信息处理环境下进行天然气出口流量检测仪的硬件开发，采用AD8674进行控制指令加载，当天然气出口流量检测仪的负载超过阈值时进行时钟复位，用PCI总线扩展卡与检测仪的元件自动配置，实现对检测仪的集成设计和开发。
3 实验测试分析
为了测试本文设计的天然气出口流量检测仪的性能，进行系统仿真和实验分析，硬件测试建立在Simulink仿真平台基础上，采用Visual DSP 4.5进行检测仪的硬件调试，以CompactPCI作为标准软件框架，进行检测仪的软件开发和硬件测试，对天然气出口流量传感器采集的A/D采样频率12 KHz，D/A转换控制增益为24 dB，对天然气出口流量检测的采样点数为1 024点，在人机交互模块中用户可查看到每个采样点，设置触发的方向和触发电平，进行流量检测过程中的触发和中断复位，得到检测仪的数据采集面板如图7所示。
在输出界面得到天然气出口流量的多通道采集结果如图8所示，图8中分别为出口压力、压强、流量以及差压参数。
分析图8得知，采用本文方法进行天然气出口流量检测，能有效检测输出流量的各类参数，检测结果准确，人机交互性较强，具有很好的可操作性和工程应用性。
4 结束语
对天然气管道的进出口压力和流量进行准确的检测，分析管道输送天然气的压力信息、流量强度以及输出压强等，结合流量检测结果进行管道状态的实时监测，本文提出一种基于嵌入式ARM的天然气出口流量检测仪设计方法。在嵌入式环境下进行系统的模块化设计，重点对天然气流量传感器模块、集成控制模块、总线模块、接口模块和人机交互模块等进行详细设计，并进行了天然气流量检测仪的集成开发。研究得知，本文设计的检测仪能准确实现对天然气管道出口压力、压强、流量和差压信息检测，人机交互性和可靠性较好，具有很好的应用价值。
参考文献
[1] KIM W， KIM C. Spatiotemporal saliency detection using textural contrast and its applications[J]. IEEE Transactions on Circuits and Systems for Video Technology， 2014， 24（4）：646-659.
[2] YAN Qiong， XU Li， SHI Jianping， et al. Hierarchical saliency detection[C]//CVPR’13：Proceedings of the 2013 IEEE Conference on Computer Vision and Pattern Recognition.Portland， OR， USA ：IEEE Computer Society， 2013：1155-1162. [3] 杜遠坤，王磊. 基于物联网的无线实时定位仪器的设计与实现[J]. 现代电子技术，2016，39（24）：79-82，87.
[4] 郝文泽， 胡雄， 徐轻尘， 等. 利用微波调制激光技术测速的实验研究[J]. 红外与激光工程， 2017， 46（3）： 306002-0306002（5）.
[5] 马雪. 基于FPGA嵌入式设计的水声信号采集系统[J]. 舰船电子工程，2017，37（3）：135-139.
[6] 陆兴华，谢辉迪，许剑锐. 基于近场通讯和物联网的饭堂自动计价系统[J]. 智能计算机与应用，2015，5（6）： 94-97.
[7] 陆兴华，范太霖，谢振汉. 基于ARM的多模式智能控制嵌入式系统设计[J]. 计算机与数字工程， 2016，44（4）： 667-670，674.
[8] 古明江，胡光波. 电源方舱电动机加油泵故障诊断及系统实现[J]. 舰船电子工程， 2018，38（2）：119-123.
[9] 甄建军，张毅，胡光波. 基于螺旋平面线圈的感应电能传输技术研究[J]. 电气自动化，2014，36（2）： 78-80.
[10]张毅，周丙寅，胡光波. 井下直线电机泵故障检测仪硬件系统设计[J]. 计算机与数字工程，2012，40（11）： 162-166.
[11]GOFERMAN S， ZELNIKMANOR L， TAL A. Context-aware saliency detection[J]. IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence， 2012， 34（10）：1915-1926.
[12]LIU Nian， HAN Junwei. DHSNet：deep hierarchical saliency network for salient object detection[C]//Proceedings of the 2016 IEEE Conference on Computer Vision and Pattern Recognition. Las Vegas， NV， United States：IEEE Computer Society， 2016：678-686.
关键词：嵌入式ARM； 天然气管道； 流量； 检测仪； 仪器仪表
Abstract： Design natural gas outlet flow detector to accurately detect the inlet and outlet pressure and flow rate of natural gas pipeline， the design scheme of natural gas outlet flow detector based on embedded ARM is put forward. The overall design frame of natural gas pipeline outlet flow detector is presented， which includes natural gas flow sensor module， integrated control module， bus module， the interface module and man-machine interaction module， and so on. Clock control circuit is used for natural gas flow detection clock sampling and interrupt reset， and ARM processor for central integrated control of flow detection. The VIX bus module is established for the integrated dispatch and transmission of the control instructions， and the hardware development of the natural gas outlet flow detector is carried out under the DSP integrated information processing environment， which mainly deals with the collection unit of the flow rate. The central control unit and the human-computer interaction unit are designed to realize the optimal design of the detector. The test results show that the designed natural gas flow detector can accurately realize the natural gas flow detection， and the detection accuracy is high. Man-machine interaction and reliability are better.
Key words： embedded ARM； natural gas pipeline； flow rate； detector； instrument
引言
随着国家对天然气西气东输工程投入的不断增大，对西气东输工程沿线的管道设施设备的监测和管理的智能化和集成化程度越来越高，研究智能的天然气输送管道设施的智能监测仪器仪表，成为广大工程技术人员关注的重点课题。在采用管道进行天然气远程输送过程中，需要对天然气管道的进出口压力和流量进行准确的检测，分析管道输送天然气的压力信息、流量强度以及输出压强等，结合流量检测结果进行管道状态的实时监测，相关的流量检测技术在实现天然气管道的泄漏监测、故障诊断以及工况分析等方面具有重要意义[1]。
随着集成电子技术和嵌入式处理技术的发展，采用集成DSP信号处理芯片和嵌入式的ARM处理器进行流量检测仪的开发，能提高天然气出口流量检测的精度和稳定性。为了提高天然气管道的流量检测能力，从而保障天然气管道的稳定可靠运行，实现天然气运输管道的实时状态监测[2]，本文提出一种基于嵌入式ARM的天然气出口流量检测仪设计方法。首先进行天然气出口流量检测仪的总体设计构造分析，天然气出口流量检测仪远程自动控制系统采用局部总线控制方法，在嵌入式环境下进行系统的模块化设计，然后进行系统的硬件开发，结合嵌入式ARM处理器进行天然气出口流量检测仪的集成设计和计算机控制，流量检测仪天然气流量传感器模块、集成控制模块、总线模块、接口模块和人机交互模块等，采用模块化开发设计方案，结合DSP和嵌入式系统，进行检测仪的集成硬件电路设计，实现检测仪的优化开发设计，最后进行实验测试，展示了本文设计的天然气出口流量检测仪的优越性能。
1 仪器的总体设计构架和功能组成
1.1 天然气出口流量检测仪总体设计分析
本文设计的天然气出口流量检测仪主要包括硬件模块化设计和电子线路的集成设计两大部分，对天然气出口流量的检测主要采用压力传感器和流量传感器进行原始数据采集，设计传感器模块进行出口压强、出口压力、差压的幅度、绝压幅度等信息采集，结合对应信号的频谱图和时域波形图分析方法进行出口流量特征提取[3]，采用谱分析方法进行出口流量的可视化图谱分析。采集的原始数据输入到检测仪的AD模块中进行数模转换控制，将原始的压力信息转换为计算机可识别的电信息，采用嵌入式ARM处理器设计中央处理器模块进行天然气出口流量检测仪的智能信息处理和集成信息分析，设计微处理器进行天然气出口流量的电位信息处理，构建电磁共振式耦合器进行天然气出口流量特征分析。结合供电频率和电压进行输出耦合性控制，用DSP和RAM作为天然气出口流量检测仪的核心处理器，建立天然气出口流量检测仪的正交解调电路进行信号调制解调处理[4]，采用总线控制技术进行流量载荷输出控制，采用程序交叉编译方法进行总线开发设计，使用逻辑可编程的应用程序中进行天然气出口流量检测仪的嵌入式开发设计。系统总体结构包括天然气流量传感器模块、集成控制模块、总线模块、接口模块和人机交互模块等组成。根据上述设计原理，得到总体设计构架如图1所示。 1.2 设计技术指标及功能结构
根据图1所示的总体结构构架，结合天然气出口流量检测仪的应用环境，分析本文设计的天然气出口流量检测仪的技术指标，系统设计的核心为信号处理芯片的选择，采用ADI公司ADSP21160处理器作为数字处理芯片，采用定點DSP芯片ADSP2101/2103/2105作为流量检测仪的控制中枢单元[5-7]，在Linux内核下进行检测仪的总线开发，检测仪的技术指标描述为：
（1）出口流量检测的主频为120 MHz，管道的最大输出功率为12 KW，流量检测放大量为80 dB。
（2）流量数据采集的采样率>200 KHz，D/A分辨率不低于12位。
（3）基阵阻抗匹配强度为3 dB左右，输出静态功率损耗为20 W。
（4）天然气流量自动调速匹配的控制误差级12 dB
2 检测仪的硬件模块化设计与实现
采用ADSP21160处理器仪器作为核心处理芯片，在嵌入式ARM处理器控制下进行天然气出口流量检测仪外围结构和核心功能模块开发，建立VIX总线模块进行控制指令的集成调度和传输。在DSP集成信息处理环境下进行天然气出口流量检测仪的硬件开发，主要对流量的采集单元、中央控制单元以及人机交互单元进行集成电路设计[8-10]，对各个功能模块的硬件设计描述如下；
（1）天然气流量传感器模块。传感器模块实现对天然气出口流量检测仪的传感信息采集功能，采用压力传感器和磁力计进行管道的输出流量信息采集和压力信息采集，采用低功耗的GT8340 32进行传感器模块的功率放大处理，使用电流传感器测量每个冲程的电流大小。传感器模块电路设计如图3所示。
（2）集成控制模块。集成控制模块是整个流量检测仪的核心，采用AD8021作为放大器进行输出压力传感信号放大，采用Mux101多路开关进行控制器的输出电平控制和流量误差控制[11]，选择AD8021的反馈电阻进行程序控制和一级放大。以S3C2440A ARM9处理器作为控制和运算核心，得集成控制模块电路如图4所示。
（3）总线模块。总线模块采用2 片16-bit 宽度的32M SDRAM 组成，通过SPI接口进行输入串口设计，构建复位电路进行输出反馈控制，采用VIX总线实现天然气出口流量检测输出数据的同步时钟控制，得到总线模块设计如图5所示。
（4）人机交互模块。人机交互模块实现对天然气出口流量检测仪的自动控制和人机交互设计功能，采用AD转换电路实现对天然气输出流量信息的功率谱分析，提取图谱特征，在人机交互模块中实现可视化的图谱分析，采用FLAH作为人机交互模块的GUI[12]。人机交互模块实现对天然气出口流量检测仪的自动控制和人机交互设计功能，采用AD转换电路实现对天然气输出流量信息的功率谱分析，提取图谱特征，在人机交互模块中实现可视化的图谱分析，采用FLAH作为人机交互模块的GUI，采用嵌入式ARM处理器作为计算机处理中心单元，进行输出控制，得到人机交互模块电路设计如图6所示。
综上对天然气出口流量检测仪的模块化设计，在DSP集成信息处理环境下进行天然气出口流量检测仪的硬件开发，采用AD8674进行控制指令加载，当天然气出口流量检测仪的负载超过阈值时进行时钟复位，用PCI总线扩展卡与检测仪的元件自动配置，实现对检测仪的集成设计和开发。
3 实验测试分析
为了测试本文设计的天然气出口流量检测仪的性能，进行系统仿真和实验分析，硬件测试建立在Simulink仿真平台基础上，采用Visual DSP 4.5进行检测仪的硬件调试，以CompactPCI作为标准软件框架，进行检测仪的软件开发和硬件测试，对天然气出口流量传感器采集的A/D采样频率12 KHz，D/A转换控制增益为24 dB，对天然气出口流量检测的采样点数为1 024点，在人机交互模块中用户可查看到每个采样点，设置触发的方向和触发电平，进行流量检测过程中的触发和中断复位，得到检测仪的数据采集面板如图7所示。
在输出界面得到天然气出口流量的多通道采集结果如图8所示，图8中分别为出口压力、压强、流量以及差压参数。
分析图8得知，采用本文方法进行天然气出口流量检测，能有效检测输出流量的各类参数，检测结果准确，人机交互性较强，具有很好的可操作性和工程应用性。
4 结束语
对天然气管道的进出口压力和流量进行准确的检测，分析管道输送天然气的压力信息、流量强度以及输出压强等，结合流量检测结果进行管道状态的实时监测，本文提出一种基于嵌入式ARM的天然气出口流量检测仪设计方法。在嵌入式环境下进行系统的模块化设计，重点对天然气流量传感器模块、集成控制模块、总线模块、接口模块和人机交互模块等进行详细设计，并进行了天然气流量检测仪的集成开发。研究得知，本文设计的检测仪能准确实现对天然气管道出口压力、压强、流量和差压信息检测，人机交互性和可靠性较好，具有很好的应用价值。
参考文献
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[9] 甄建军，张毅，胡光波. 基于螺旋平面线圈的感应电能传输技术研究[J]. 电气自动化，2014，36（2）： 78-80.
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