清管器中的信号发射装置电路设计

李建，夏静

（南京理工大学 机械工程学院， 江苏 南京 210094）

对输油管线进行清管作业过程中，需要及时了解清管器的运行位置、是否已在某处造成卡堵等运行状态。清管器内的信号发射装置发射出信号，经由地面接收仪器接收，指示出清管器的运行位置。一旦因管线内部出现情况造成清管器卡堵在管线内，通过地面接收仪器跟踪信号，可找到卡堵位置并精确定位，为管线的排障、去污提供一个准确可靠的依据。

传统的发射装置电路有节拍电路、LC振荡电路及放大电路组成，所发出的低频信号器频率由振荡电路的电容值和电感值来决定。由于振荡电路电感值L容易受管线的材质、壁厚、管线设置情况等影响，会造成发射信号频率发生偏移，严重时超出接收装置的接收频率带宽，无法接收信号。传统发射装置的节拍电路只能随机实现发射信号的通断节拍，无法保证发射信号通断时信号波形的完整性，使得接收机无法实现信号的数字化处理[1]。

随着电子技术的发展，新型电子元件的出现，清管器发射装置电路采用先进的电子元件为核心元件，功能强、体积小、成本低，由单片元件来实现发射信号的频率控制和节拍控制，可产生高稳定性的频率值和精确的节拍值，并保证在信号在通断节拍过程中波形的完整，为接收机实现数字化信号处理提供可行性。

1 清管器信号发射装置的结构

清管器是用具有高拉伸强度、高拉裂强度和高拉伸率的聚氨酯材料模压成型，前端做成碗状，后部在高压气体作用下皮碗被压紧和管道紧密接触，从而保证油料和杂质不会向后方流向，使前后实现很好的隔离[2]。

信号发射装置是圆柱状封闭型，利用螺纹装在清管器尾部，它要有较好的防水、防油、耐压和耐冲击等性能，而且体积小，能够在高温环境下长时间工作。

信号发射装置具体可分为6个部分，前端盖、后套筒、信号发射机、电路板、电池板、后密封螺盖。前端盖设计成一个整体，用一个圆柱形铝材车削而成，这样可以减少零部件的数量，增加密封性，而且整体部件能够抵抗较大的外力。前端盖有3处螺纹，最前端是发射装置和清管器连接的唯一部件，必须保证连接可靠和稳定，采用较大螺距和较长螺纹长度的螺纹连接；中间螺纹和后面套筒连接，主要起密封作用，采用较小螺距和较长螺纹长度的螺纹连接；后面螺纹和后密封螺盖连接，起密封和固定作用。后套筒是发射装置的壳体，电路板、电池板及信号发射机都放置在其中。内部被分为3部分，最前端是电池板，中间放置电路板，尾部放置信号发射机。电路板是发射装置的心脏，要求电路板稍厚一些以抵抗较大的冲击载荷。电池是整个发射装置的能量来源，用3 V可充电电池，规格34×17 mm，需要两节电池，为了增加电池能量，将两组电池并联起来使用。电池板设计成两层，电池放在下层板的弧形槽里，上下板用螺钉固定。发射装置采用信号发射机将具有一定节拍规律的数字信号转换为相应的无线传输编码信号[3-4]。

2 发射装置电路原理

发射装置主要包括4个部分，即电源电路、MCU电路、信号编码模块和信号发射装置。系统由电源电路产生各个芯片所需要的工作电压及参考电压；由MCU电路控制各个部件的协调工作；编码模块产生特定频率和节拍的编码信号；由信号发射器将编码信号发射出去，供接收装置接收、解码和识别，从而判断目标的位置。图1所示发射状原理总图，从图中可以看出各个电路之间的连接关系，箭头表示信号的流向。

图1 发射装置信号原理图Fig.1 Priniple chart of transmitter

2.1 电源电路

发射装置被安装在清管器尾部，与外界隔离且需要连续工作，只能用电池供电且不能更换。清管器发生卡堵又不能很快确定其位置区域的极限情况下，要求发射装置有效工作时间越长越好（至少50 h以上），在一定的电池供电条件下，发射装置的功耗对有效时间显然是唯一的决定性因素。

电源电路给发射装置的所有元件提供工作电压。仪器电路有各种各样的芯片，因此需要的电压也较多，累计有±15 V电压（为放大滤波等电路提供工作电压），+5 V电压（为MCU等芯片提供工作电压），+2.5 V电压（为编码模块提供参考电压）。这些电压都是从发射装置上自带的+6 V电池经过转换分压后获得。如图2所示，为发射装置的电源电路图。

图2 发射装置电源电路图Fig.2 Frame chart of the launcher

2.2 MCU电路

该MCU电路采用Atmel公司的AT89C2051芯片作为整个发射装置的控制核心[5]，它控制着各个模块的运转，包括信号编码模块、信号发射等。由于AT89C2051自带2 k字节可编程Flash存储器和128×8位内部RAM，这已经能够满足发射电路要求，因此不存在存储器的扩展，MCU电路就只包括时钟电路、复位电路、编码模块的接口电路。如图3为MCU电路框图。

图3 MCU电路框图Fig.3 Frame chart of MCU circuit

1）时钟电路 考虑到本系统没有可用的时钟而且没有必要取得时钟上的同步，因此本发射装置的时钟电路采用内部方式。外接晶振以及电容C1和C2构成并联谐振电路，接在放大器的反馈回路中，这时内部振荡器会产生自激震荡。外接电容C1和C2通常选择为30 pF左右，外接陶瓷谐振器时，C1和C2的典型值约为47 pF。在XTAL1和XTAL2引脚上外接晶振元件，内部振荡电路就产生自激振荡。图4为内部方式时钟电路图。

2）复位电路 复位电路的核心就是必须保证RST引脚上出现10 ms以上稳定的高电平，这样才能实现可靠的复位。该发射装置是在清管器进入管道时就开始工作的，因此不需要开关复位，只需要上电复位即可。

图4 时钟电路Fig.4 Clock circuit

2.3 MCU与编码模块的接口电路

该编码模块是串行16位芯片，其接线只需3根即可，即数据线SDA，时钟线SCLK，片选线CS。将AT89C2051不用的某个I/O口的3个线盒编码模块的这3个线接起来即可。

2.4 编码模块电路

发射装置使用信号发射器发射编码信号，因此系统必须先要将数字信号转换为编码信号再进行输出，将数字信号转换为编码信号是由编码模块实现的。

编码模块电路的核心是编码芯片，它是16位串行输入，电压输出型芯片。其输出电压幅值为-VREF到+VREF，采用+5 V电源供电。该编码模块电路如图5所示。

图5 编码模块电路Fig.5 Circuit of encoding module

由MCU对编码模块进行控制，就可以输出特定频率和节拍的编码信号，满足发射需要。

2.5 信号发射电路[6]

发射装置采用AT89C2051产生精度很高的间断超低频脉冲信号，经过功率放大后，由发射线圈发射出去。

由于单片机外接晶振频率稳定度高，信号频率稳定度大大提高，并且信号的产生由程序控制，发射的各组振荡间相位关系恒定，信号的占空比由程序控制，调整十分方便。发射电路框图如图6所示。

图6 发射电路框图Fig.6 Frame chart of launch circuit

3 发射装置程序设计[7]

编程时，对数据的存放、寄存器和工作单元的使用进行合理的安排，应尽量多采用循环结构和子程序，少用无条件转移指令。

3.1 程序流程

发射装置的程序主要是产生所需要的编码信号。其程序流程图如图7所示:

图7 发射装置程序流程图Fig.7 Flow chart of transmitter

3.2 程序的执行过程

其执行过程分为以下几个步骤：

1）上电复位后，程序从0000H开始执行；

2）清RAM区，初始化标志位，设置堆栈；

3）完成对编码模块的初始化，启动编码模块；

4）编码模块输出特定频率和节拍的编码信号；

5）编码信号经信号发射器发射出去；

6）重复执行上面的4、5两步。

3.3 信号编码过程

编码模块由MCU控制，在系统上电时MCU会对编码模块进行初始化，这时会写入一些数据和控制信息，包括发送波特率、高电平所代表的频率信号、低电平所代表的频率信号等等。当MCU向编码模块写入数据时，编码模块会按照预先设定的频率发送编码串，编码信号经过信号发射器发射出去。

4 结 论

该清管器的信号发射装置能够发出信号频率稳定、节拍通断时间分散性小的低频电磁脉冲信号，接收装置能够快速、准确的确定其卡堵位置[8]。电路元件采用精度高、低功耗的电子元件，使发射装置能够连续工作很长时间（经样机测试，可工作90 h以上），信号频率和节拍均不因供电电压下降而有所偏移。经过实验测试该发射装置放在壁厚为14 mm左右的管线弯头里面，探测距离约为6 m。

[1]杨路.新型电子清管器发射机电路的研究[J].第一届全国管道学术交流会议，1999（7）：157-158.

YANG Lu.The research of new electronic pig transmitter circuit[J].The First National Pipeline Academic Exchange Meeting，1999（7）.157-158.

[2]孙旭，陈欣，刘爱侠.清管器类型与应用[J].清洗世界，2010（6）：36-41.

SUN Xu，CHEN XIU，LIU Ai-xia.Types and application of PIG[J].Cleaning World，2010（6）：36-41.

[3]陈建华.清管器发射和接收装置的设计及应用[J].石油矿场机械，2009，38（8）：82-84.

CHEN Jian-hua.Design and application of pig-launcher and pig-receiver[J].Oil Field Equipment，2009，38（8）：82-84.

[4]孙旭，陈欣，王茜，等.一种新型深水清管器发射装置[J].新疆石油科技，2010（2）：45-46，48.

SUN Xu，CHEN Xin，WANF Xi，etal.The new pig transmitter of deep water[J].Xinjiang Petroleum Science&Technology，2010（2）：45-46，48.

[5]胡凤忠、赵广复.基于AT89C2051单片机的汽车倒车雷达设计[J].计算机测量与控制，2010，5（18）：1174-1175，1192.

HU Feng-zhong，ZHAO Guang-fu.Design of car reversing aid system based on AT89C2051 MCU [J].Computer Measurement&Control.2010，5（18）：1174-1175，1192.

[6]李辉，韦进强.电子清管器发射机系统的改进研究[J].中国测试，2009，2（35）：116-119.

LIHui，WEIJin-qiang.Improvementand research of transmittersystem ofelectronic pipeline pig[J].China Measurement&Test，2009，2（35）：116-119.

[7]徐建民，邵艳华.汇编语言程序设计[M].电子工业出版社，2010：193-206.

[8]吴新捷，郗晓田，游林儒.声探测技术在反狙击系统中的应用[J].现代电子技术，2009(01):4-6,10.

WU Xin-jie，XI Xiao-tian，YOU Lin-ru.Application of sound survey technology in counterambush system[J].Modern Electronics Technique，2009（01）：4-6，10.