专利名称：一种高精度地下管线探测仪的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种探测仪，具体是涉及一种新型高精度地下管线探测仪，其可 以探测地下的金属管线以及非金属管线。
背景技术：
随着高度现代化和人民生活水平的日益提高，对基础设施建设的总体要求越来越 高。地下管网(包括市政、供水、煤气和天然气、电力、电讯、排污等管线网络系统)是基础 设施建设的重要组成部分，日夜肩负着传送信息、输送能量和排除生活垃圾等重要任务，是 社会赖以生存和发展的物质基础，是不可缺少的生命线，因而地下管网的建设对社会发展 的影响举足轻重。由于历史原因，我国许多城市地下管网分布不清，档案资料管理不够规范，某些厂 矿企业地下管网的铺设甚至没有竣工图纸。上述这些都给城市、工矿企业的建设与改造以 及管线的使用与维护带来很多的困难。在施工过程中，地下管线被破坏的情况时有发生，挖 断煤气管道、自来水管道、电线电缆而停水、停电、通信中断、煤气泄漏的事件屡见不鲜，这 些事故给人们的生活带来了很多不便，更给城市造成巨大损失。而且各类管道由于埋地时 间长而出现老化、发脆、剥离、脱落，造成管道的腐蚀、穿孔，可能引起泄漏，因此，对地下管 线进行精确定位并进行安全检测，及时发现腐蚀点、破损点的精确位置，防止跑冒滴漏，都 非常有必要。对地下管线实施安全检测，进行主动维护，准确把握管线状况并根据一定的优 选原则，对一些严重缺陷进行及时维修就可以大量避免事故发生，同时也能延长管道寿命， 比管线发生事故后被动维护，可以大大降低代价，其经济效益十分可观。由此可见，地下管线的探测对城市地下管网建设和维修是必不可少的，而且非常 重要。对于金属管线探测，目前主要有(一)磁偶极感应法，利用发射线圈产生的电磁场在 金属管线中感应电流所产生的电磁场异常；(二)电偶极感应法，利用发射机两端接地产生 的电磁场在管线中感应产生的信号。并且探测技术比较成熟。近年来，非金属管线大量应 用，因为它具有抗污染性强、不易腐蚀、造价低、易于埋设和维修等优点，已经越来越多的用 来代替金属管线，预计2015年地下管线中非金属管线将占到90 %，但是，由于非金属管线 不导电也不导磁，常用的金属管线探测仪常对其无能为力。
发明内容本实用新型高精度地下管线探测仪能够弥补当前金属管线探测仪的不足。将现代 地下管线探测仪技术、数字信号处理技术推广应用于管线探测领域，实现了对金属和非金 属管线都能实现精度探测的功能。本课题设计的新型高精度地下管线探测仪具有两个特 点一是该仪器采用先进的小波滤波技术，实现仪器的高精度；二是采用先进高性能的集 成芯片实现各模块的功能，从而仪器的稳定性较高。该项目的开发应用必将在管线探测技 术领域与数字信号去噪技术领域起到重要的作用，该技术的开发应用必将取得重大的经济 效益和社会效益。[0006]本实用新型的技术方案为一种新型高精度地下管线探测仪，包括发射机单元、取 样系统、取样门、A/D转换器、滤波单元、信号处理机和液晶显示器，在系统时钟控制下，一 路信号作为触发脉冲信号送至发射机单元，由发射机单元产生同频发射脉冲信号，该信号 直接耦合到发射天线，再由发射天线将此电磁波定向辐射入地下的探测区域；另一路信号 送至取样系统中的步进脉冲发生器，输出的步进脉冲触发取样脉冲发生器产生步进取样脉 冲；取样脉冲控制取样门的开关，对接收天线送回的回波信号进行变换取样，变换后的信号 成为低频信号，送入所述A/D转换器对回波信号进行模数转换，数字回波信号经滤波单元 处理后再送入信号处理机进行处理，处理结果由液晶显示器输出显示。前述的高精度地下管线探测仪，优选的方案在于，还包括与信号处理机相连的一 存储设备，用来存储需要保存的回波信号。本实用新型的有益效果能够弥补当前金属管线探测仪的不足，并且性能价格比 高。该新型管线探测仪采用了离散小波变换检测技术来进行滤噪，能更好的显示地下的介 质分布情况，有效地对小间距并行管线及拐点、终点、分支点和变坡点进行分析。该新型管 线探测仪采用超宽带动态发射技术，能够自动调整脉冲的幅度和宽度，有效增加探测深度。 该新型管线探测仪可同时检测金属管线和非金属管线。

图1为本实用新型新型高精度地下管线探测仪结构框图。图2为步进系统原理框图。图3为发射机电路图。图4为步进脉冲发生器电路原理框图。图5为取样脉形成电路图。图6为取样门电路图。图7为AD1674电路图。图8为小波变换信号流示意图，其中，图8(a)为小波分解(DWT)信号流示意图，图 8(b)为小波重构(IDWT)信号流示意图。图9为小波变换电路框图，其中，图9(a)为小波分解(DWT)电路结构图，图9 (b) 为小波重构(IDWT)电路结构图，其中，D :18位寄存器，A :18位加法器，S :18位减法器，数 字框表示18位移位寄存器，框中数字是移位位数，其中，所有连线均表示18位总线。图10为液晶控制板TOPRO LCDC-VRAM216显存示意图。图11为2. 5伏电源电路图。图12为液晶控制板与液晶屏及DSP连接示意图。图13为液晶控制板与DSP的电路连接图。图14为控制电路示意图。图15为键盘电路示意图。图16为DSP与SDRAM的连接示意图。图17-22是本实用新型新型高精度地下管线探测仪的软件工作流程图。其中，图 17为软件整体示意图；图18为初始化流程图；图19为主循环流程图；图20为定时器中断 流程图；图21为键盘中断流程图；图22为采样程序流程图。
具体实施方式

以下结合附图与具体实施方法对本实用新型做进一步详细的描述如图1本实用新型新型高精度地下管线探测仪结构框图可以看出，其包括发射机 单元、取样系统、取样门、A/D转换器、滤波单元、信号处理机和液晶显示器，在系统时钟控 制下，分别产生两路信号，其中一路作为触发脉冲信号送至发射机单元，由发射机单元产生 同频发射脉冲信号，该信号直接耦合到发射天线，再由发射天线将此电磁波定向辐射入地 下的探测区域；另一路送至取样系统中的步进脉冲发生器，输出的步进脉冲触发取样脉冲 发生器产生步进取样脉冲；取样脉冲控制取样门的开关，对接收天线送回的回波信号进行 变换取样，变换后的信号成为低频信号，送入所述A/D转换器对回波信号进行模数转换，数 字回波信号经滤波单元处理后再送入信号处理机进行处理，处理结果由液晶显示器输出显 示。还包括与信号处理机相连的一存储设备，用来存储需要保存的回波信号。整个系统所需的控制电路集成在FPGA上，用来产生探地雷达信号处理机中各模 块所需的控制信号。分频器将引入FPGA的时钟信号分为DSP工作时钟和控制系统时钟， 控制系统时钟一路作为触发脉冲信号送至发射机，由发射机产生同频发射脉冲信号，该信 号直接耦合到发射天线，再由天线将此电磁波定向辐射入地下的探测区域；采样时序控制 电路产生的同步信号经FPGA用于产生步进脉冲发生器所需的触发信号、控制步进延时递 增的数字控制数据和相应的锁存信号，由此产生所需的步进脉冲，步进脉冲送至取样脉冲 形成电路，产生取样脉冲指令信号，用来控制送至取样门的开关速度，接收天线接收到的回 波信号在取样门被整形成形状相似但是频率很低的信号，采样时序控制电路产生的A/D采 样时钟信号控制A/D转换器对回波信号进行模数转化滤波后，送入探地雷达信号主处理机 DSP中。数字化后的回波信号在DSP中经信号处理后以伪彩色图像的方式在液晶屏上显示。 存储设备用来存储需要保存的回波信号。键盘上设置有功能键和数字键，在功能键的控制 下实现回波信号的采集、处理、显示，数字键可以对需要显示的图像进行参数设置。如图3中的发射机电路，利用双极型晶体管工作在雪崩区的雪崩开关特性，首先 用一个电感Ll与电阻Rl和电容Cl串联，使电路的等效负载增加，保证在较低的电源电压 下可以产生较高的电压输出，同时对脉冲宽度、上升时间、下降时间的影响很小。其次采用 双极性晶体管BFS17，使得电路能够产生幅度更高的脉冲，同时它的功率损耗更小。该电路 采用并行同步触发的方式工作，电路中不存在雪崩延迟，产生的脉冲上升时间更短。电路设 计选用两个双极性晶体管并联应用是因为在满足相同输出幅度的条件下，双管电路中的 电容值可以取得较小，使电路的恢复时间减小，提高了脉冲的重复频率；同时晶体管承受的 功率损耗减少近一半，这有效地保证了晶体管的安全工作能力。如图4中的步进脉冲发生器，传统的步进系统采用三极管、二极管等分立元件构 成，电路复杂，调试难度大，难以产生理想的效果，美国Analog Device公司生产的高速数字 可编程延迟发生器AD9500将斜坡发生器、阶梯波发生器等主要电路集成在一个芯片内，最 小延时分辨率可达到10ps，能够满足地下管线探测仪回波信号数据采集的需要。可编程逻 辑器件ACEX1K100构成步进延时控制电路，用于产生AD9500所需的触发信号、控制步进延 时递增的数字控制数据和相应的锁存信号。触发信号送AD9500的触发输入端(TRIGGER)， 当AD9500 —次延时完成以后，ACEX1K100产生的数字控制数据加1，送往AD9500数字控制延时端，同时锁存信号锁存至AD9500的内部DAC ；当下次触发到来时，输出的脉冲信号相对 于触发信号的延时时间就会比上一次触发多一个At，由此产生步进的脉冲信号。如图5中的取样脉冲形成电路，Ql是雪崩三极管，基极通过电阻Rl接地，雪崩三 极管平时工作在截止状态。集电极通过电阻R2供电，使静态工作点工作在雪崩区域。取样 指令脉冲到达Ql的基极后，雪崩过程在Ql的集电极2发射级之间以及电容C3、C4的回路 中发生。在集电极产生负极性脉冲，在发射极产生正极性脉冲，这一组双脉冲它们通过C3、 R4和C4、R5组成的微分电路以及阶跃二极管形成取样脉冲。如图6中的取样门电路，电路中二极管桥采用肖特基二极管桥HSMS-2828实现取 样门电路，利用超低噪声运算放大器LT1128完成对取样信号的滤波和放大，场效应管Ql实 现对取样信号的保持和缓冲。如图9中的小波变化电路，两对输入信号经六个时钟周期的时延可得到一对DWT 结果yh和yg，随后每个时钟周期输出一对DWT结果。同样在IDWT中，两对yh和yg经六个 时钟周期的时延就可得到一对重构输出χ'，随后每个时钟周期输出一对重构输出。如图12液晶控制板与液晶屏及DSP控制器的连接原理图，DSP通过液晶控制板实 现对液晶屏的控制。这主要通过以下两步实现(I)DSP通过JCTR接口向液晶控制板传输数据；(2)数据在液晶控制板作用下通过JCLD接口实现在液晶屏上的显示。与 V16C6448AC的JCLD接口由生产厂方已经设计好，所以只需连接好DSP与IXDC-VRAM216液 晶控制板的JCTR接口即可。系统中VRAM216的JCTR接口采用总线方式与DSP的EMIF异步接口相连。 IXDC-VRAM216的存储空间有512K，但LQFP封装的C5509仅有14根地址线，这14根地址线 只能访问16K的空间，所以必须考虑扩充地址线的位数。C5509片内集成有通用输入输出口 GPI0，它共有八位数据线，并且GPIO 口是可编 程控制的，通过编程改变GPIO 口的控制寄存器就可以实现对GPIO的控制，这样由GPIO来 充当地址线就十分方便。系统中采用GPI00-GPI04充当高5位地址线，分别与液晶控制板 JCTR接口的A14-A18连接。此时，整个显存(512K)可看作由32个16K的子空间组成，每一 个子空间称为1页。GPI00-GPI04在这里可看作页地址选择位，通过改变GPI00-GPI04，就 可以访问到不同的页，再通过控制低14位地址线，就可以访问到该页中具体的显存单元， 这样就可以访问整个显存中的任何单元了。图13示出DSP与VRAM216液晶控制板的电路连接，DSP的控制管脚C4连接JCTR 的片选管脚CS，C4表示片选信号CE0，可用来选择地址为0x40000 0X400000byte的外部 存储空间。C4同时接到74LVT245的输出使能管脚/E上，保证外部存储地址与片内的存储地址不会被同时选通。74LVT245驱 动地址信号时，方向控制管脚DIR接+3. 3V，保证数据是由DSP端向液晶控制板方向传输的。DSP的C2管脚表示写能信号，它接到JCTR的WR管脚。74LVT245驱动数据信号 时，方向控制管脚DlR接忑。这样只有在写操作时数据由DSP传送到外部存储器。而DSP 的C3管脚由作为EMIF控制信号连接时为等待信号。由JCTR的ready管脚决定它何时有 效。C3为高电平有效，JCTR的ready管脚为低电平有效，C3与JCTR的ready管脚要通过 非门连接。[0042]DSP与JCTR地址线的连接，除前介绍的GPIO充当高位地址线外，要注意DSP的AO 应连接到JCTR的A13管脚上，DSP的Al A13分别连接JCTR的AO A12管脚。图14为控制电路示意图，系统中的控制电路是在maxplus II工具下实现的。控 制电路主要有以下几部分分频器，采样时序控制电路，键盘控制电路，液晶时序产生电路。 控制电路采用原理图与硬件编程语言的混合方式来实现。对于时序要求相对简单的部分， 采用原理图方式，利用兆功能单元中的模块及常用的器件来实现，分频器、键盘控制电路 及液晶时序产生电路采用的便是这种方式。而对于时序要求较复杂的部分，采用硬件语言 Verilog描述相对简便，采样时序产生电路，预置电路采用的就是这种方式。液晶时序产生 电路比较简单，对引入可编程控制器ACEX1K100的DSP信号线，大部分直接输出，只有部分 信号经过非门连接(见图13)。分频器将引入FPGA的时钟信号用64位计数器分频作用后 产生DSP工作时钟和控制系统时钟。图15为键盘电路示意图，系统选用了 4X4矩阵结构的非编码键盘。4X4非编码 键盘共有16个键值，每个键占有唯一的行与列的交叉点，每个交叉点分配有相应的键值。 DSP通过对行和列进行扫描来确定有没有键被按下，经过键盘扫描程序和接口以及键盘译 码程序，就可以得到相应的键值，也就是说，DSP知道了是哪一个键被按下，然后可以作相应 的处理。Rl, R2，R3，R4为键盘的列线，通过IOK的上拉电阻与+5伏电压相连，Li，L2，L3， L4为键盘的行线，通过74LS377与DSP的低四位数据线D3 DO相连，当由D3 DO送入的 数据位(该数据位将会被74LS377锁存)中有低电平时，若行线对应的四个按键之一被按 下，该键所对应的列线会出现低电平，通过将列线上的状态由三态门输出到DSP的四位数 据D7 D4，D7 D4通过四输入与门产生中断信号int2，经由键值判断程序就可以判定哪 个键被按下。C2信号为DSP的写使能信号，用它来充当74LS377的时钟信号控制DSP向键盘行 线送扫描值的时序。C5信号为DSP的外部空间片选信号，连接到74LS377的EN管脚上， 74LS377的EN管脚上，来保证键盘操作时不影响别的外设。CO信号为DSP的读使能信号， C0，C5，int2信号通过三输入或非门后产生的信号作为三态门的控制信号，来控制DSP回读 键盘列状态的时序。图16为DSP与SDRAM的连接示意图，地下管线探测仪采集到的回波信号数据量很 大，DSP内部仅集成有192KB的SARAM，64KB的DARAM，这对于要保存的大量回波信号来说是 远远不够的，这就需要外接存储器来扩充存储空间。可以利用DSP的外部存储器接口 EMIF 外接存储器的方式来完成。EMIF具有高度灵活的接口方式，它所支持的接口方式有异步 接口，同步突发SRAM(SBSRAM)接口，同步动态RAM(SDRAM)接口，每个接口都可以支持程序 代码访问，32比特数据访问，16比特数据访问和8比特数据访问，此处可利用SDRAM作为外 扩存储器件。软件流程图17为软件整体结构示意图，软件的整体结构包括初始化程序、主循 环和中断处理三部分。系统初始化后程序运行在主循环中，不断进行数据采集、处理、显示 过程。键盘和数据采集工作在中断方式。当有键按下时，程序进入键盘中断服务程序响应 用户的操作并设置状态标志。数据的采集通过中断子程序实现，数据采集完成后返回主程 序等待数据处理和显示。定时器中断程序为键盘中断服务，利用定时器中断输入行扫描值。[0049]图18为初始化流程图，1.初始化程序中用到的全局变量及数组。2.禁止与TI54 系列DSP的兼容模式及选定DSP的寻址方式。3.设置与外部存储器接口 EMIF相关的寄存 器，包括全局控制寄存器，全局复位寄存器，总线错误状态寄存器，片选0-3空间控制寄存 器。4.设置定时器寄存器，设置的寄存器包括预定标寄存器，定时器主计数寄存器和定时 器周期寄存器。5.设置DPLL模式控制寄存器对输入时钟进行倍频和分频。6.设置与中断 相关的寄存器。包括两个中断矢量指针寄存器，中断标志寄存器，中断使能寄存器和调试中 断使能寄存器。7.显示用户界面。8.启动定时器中断，设定每IOms启动一次定时器中断。 9.开启中断，去除中断屏蔽字，使程序可以响应外部中断。然后进入主循环，系统开始正常 工作。图19为主程序流程，主循环过程控制DSP进行采样，数据处理及显示，它根据不同 按键状态来运行采样或信号处理显示程序。进入主循环后，先调用按键判断模块一，若无键 按下则继续等待直到有键按下，此时根据键值来决定是进行信号采集过程，还是进行调用 存储信号过程。若进入信号采集过程，先利用中断调用信号采集子程序，采集到数据后再调 用按键判断模块二，若无键按下，则继续等待直到有键按下，此时根据按键来调用相应的信 号处理算法并对处理后的波形或图像进行显示。若进入调用存储信号过程，先取出存储器中存储的信号，再调用按键判断模块二， 若无键按下，则继续等待直到有键按下，此时根据按键来调用相应的信号处理算法并对处 理后的波形或图像进行显示。无论是信号采集过程，还是调用存储信号过程，在完成显示的功能后，再返回到按 键判断模块一重新执行上述过程。图20为定时器中断流程图，定时器中断的任务就是向键盘行线循环送低电平，在 定时器中断中设定一计数标志，每次进入定时器中断，该计数标志加1，当计数值为4的整 数倍时，行扫描输入IllOb ；为4的整数倍加1时，输入IlOlb ；为4的整数倍加2时，输入 1011b;为4的整数倍加3时，输入0111b。这样就完成了行扫描值的循环输入。然后清除 定时器中断标志，返回主程序。定时器中断设置为每IOms进中断一次。图21为键盘中断流程图，键盘中断的任务是取回行、列线的状态值。进入键盘中 断后先关闭所有的可屏蔽中断，这是因为在键盘中断执行过程中，不允许执行其它任务。之 后将定时器中的计数值存入变量一，这样就得到行线的状态值，再清除定时器计数值。然后 采用软件延时IOms的方法去除按键抖动，取回列线的值存入变量二，为保证取值正确，延 时IOms再次取回列线的值存入变量三，比较变量二与变量三，若两者不同，置失败标志，若 相同，对按键是否结束进行判断。具体的判断过程如下取列线的状态值直到其均为高电 平，这样可以防止按键时间过长而多次调用键盘中断程序。若按键过程已结束，再延时IOms 去除松键过程中出现的抖动。最后清除键盘中断标志，打开可屏蔽中断，返回主程序。取 回行、列线的状态值后，主程序根据这两个值进行键值的判断，得到按键值后调用相应的程 序。图22为采样程序流程图，采样也是通过中断完成的。进入中断程序后，首先关 闭所有的可屏蔽中断，再得到采样的相关值包括采样起始位置Ina，采样终止位置Inb， 分辨率Insample及采样点数dot，前三个值分别从地址为0x400001，0x400002，0x400004的寄存器中取出，采样点数可由公式计算得到。之后从
8
0x400008Data端口地址取回采样数值存入内部RAM中，再清除中断位标志，打开可屏蔽中 断，返回主程序。
权利要求一种高精度地下管线探测仪，其特征在于，包括发射机单元、取样系统、取样门、A/D转换器、滤波单元、信号处理机和液晶显示器，在系统时钟控制下，一路信号作为触发脉冲信号送至发射机单元，由发射机单元产生同频发射脉冲信号，该信号直接耦合到发射天线，再由发射天线将此电磁波定向辐射入地下的探测区域；另一路信号送至取样系统中的步进脉冲发生器，输出的步进脉冲触发取样脉冲发生器产生步进取样脉冲；取样脉冲控制取样门的开关，对接收天线送回的回波信号进行变换取样，变换后的信号成为低频信号，送入所述A/D转换器对回波信号进行模数转换，数字回波信号经滤波单元处理后再送入信号处理机进行处理，处理结果由液晶显示器输出显示。
2.权利要求1所述的高精度地下管线探测仪，其特征在于，还包括与信号处理机相连 的一存储设备。
专利摘要本实用新型公开了一种新型高精度地下管线探测仪，包括发射机单元、取样系统、取样门、A/D转换器、滤波单元、信号处理机和液晶显示器，还包括与信号处理机相连的一存储设备，用来存储需要保存的回波信号。本探测仪能够弥补当前金属管线探测仪的不足，并且性能价格比高，可有效地对小间距并行管线及拐点、终点、分支点和变坡点进行分析，有效增加探测深度。该新型管线探测仪可同时检测金属管线和非金属管线。
文档编号G01V3/12GK201698035SQ20102024065
公开日2011年1月5日 申请日期2010年6月29日 优先权日2010年6月29日
发明者于会山, 宋审宇 申请人:聊城大学