引 言

天然氣管道是整個西氣東輸工程的主要載體，通過天然氣管道網絡將天然氣（包括油田生產的伴生氣）從開采地輸送到目的地，實現(xiàn)天然氣的運輸和使用，天然氣管道是輸送天然氣的唯一方式。該管道采用的是X100 和 X120 管道鋼，其強度、韌性和可焊性較高，在天然氣管道網絡的設計中，由大量的管道閥門控制天然氣的傳輸和開關，由于輸氣管道系統(tǒng)是個連續(xù)密閉的輸送系統(tǒng)，通過開關閥門控制天然氣的進氣吞吐量，需要對天然氣管道閥門進行遠程自動控制，提高對整個管網的智能監(jiān)測和控制水平，研究天然氣管道閥門的遠程自動控制方法具有重要意義[1]。

隨著集成芯片制造技術的進步和發(fā)展，以及現(xiàn)代科學技術革新的需求，大量的儀器儀表、控制系統(tǒng)、D/A和 A/D轉化器都需要采用DSP進行設計，實現(xiàn)數據采集和數據高速處理與控制。DSP具有處理速度快、實時性強、同步精度高和采樣精度與速度性能較好等優(yōu)點，成為廣大電子與控制儀器設備設計者的首選[2]。對此，本文提出一種基于ZigBee技術和TMS320VC5509ADSP集成主動控制的天然氣管道閥門遠程自動控制裝置設計方法。首先進行了系統(tǒng)的總體設計，然后進行系統(tǒng)的模塊化電路設計，最后通過仿真實驗進行了性能測試， 展示了本文控制系統(tǒng)的優(yōu)越性能。

1 系統(tǒng)總體設計及指標描述

在物聯(lián)網環(huán)境下構建遠程控制系統(tǒng)，采用ZigBee 技術對天然氣管道閥門進行遠程控制，結合ZigBee 和GPRS 通信技術對天然氣管網進行智能監(jiān)測控制，實現(xiàn)遠程作業(yè)和智能控制，為了構建這一系統(tǒng)，首先進行系統(tǒng)的總體模塊設計 [3]。天然氣管道閥門遠程控制系統(tǒng)主要分為無線傳感器網絡的數據采集模塊，即傳感器模塊、時鐘電路模塊、數據通信模塊、ZigBee 管道壓力數據處理模塊、供電模塊、程序加載模塊和ARM 主控模塊以及人機交互的液晶顯示模塊等[4]。系統(tǒng)的模塊化設計結構構造如圖 1 所示。

圖 1中，天然氣管道閥門遠程控制的DSP信息處理模塊作為整個管道的物聯(lián)網監(jiān)控的核心單元，主要是進行天然氣管道閥門遠程控制系統(tǒng)的信息采集和數據感知，如獲得管道中天然氣的壓力、流量等信息數據，獲得控制系統(tǒng)需要的原始信息，并作為閥門開關遠程控制系統(tǒng)的數據輸入，提供主控的DSP信息處理單元進行遠程控制和指令執(zhí)行。選用 TI公司生產的MS320VC5509A作為主控電路模塊的集成 DSP芯片，集成控制電路提供 E2PROM、SDRAM，主機接口（EHPI）， I2C總線傳感器通過敏感元件和換能器實現(xiàn)信號的采集，天然氣管道閥門遠程控制系統(tǒng)的控制中心單元是系統(tǒng)的中樞神經， ADC將模擬信號轉換成 DSP可以處理的并行數據，本文采用DSP邏輯編程控制ARM主控單元，經過處理的數字信號經DAC轉換，采用收發(fā)轉換電路進行控制信號基陣的預處理， 設計ADC和抗鏡像濾波器，在模擬信號預處理機的輸出端進行信號調制，采用信道均衡算法進行時鐘發(fā)生器設計 [5]。在上述進行了系統(tǒng)總體設計的基礎上，進行系統(tǒng)的功能分析和指標描述。

本文采用 Aeroflex 公司發(fā)布的 3280 系列高端邏輯芯片控 制器作為天然氣管道閥門遠程自動控制系統(tǒng)的核心處理器，該 核心處理器的容量為 64 MB，CPU 采用三星 S3C2440，3281 的頻率范圍為 3 Hz ～ 3 GHz，天然氣管道閥門遠程自動控制 系統(tǒng)采用 220 V 供電。在 ZigBee下的物聯(lián)網監(jiān)控平臺中，整 個天然氣管道閥門遠程自動控制系統(tǒng)包括信號調理電路、數 據采集電路和濾波電路系統(tǒng)供電模塊、DC-DC 電源轉換模塊， 天然氣管道閥門遠程自動控制系統(tǒng)抗干擾濾波的通帶截至頻 率 ωP 需要 2M+2 個存儲單元來存儲天然氣管道閥門的分散控 制信息：{x（n － m），m=0，1，…，M} 和 {y（n － m），m=0，1，…， M}，天然氣管道閥門的底層模塊中的抗干擾濾波函數為 ：

結合圖 2 進行濾波模塊的電路設計，再通過應用程序 bootloader 讀取 A/D 采樣值，可實現(xiàn)前置放大濾波控制功能 和整流輸出功能的要求。 

2 遠程自動控制裝置的模塊化電路設計與實現(xiàn) 

在進行了系統(tǒng)總體結構設計和性能指標分析的基礎上， 即可進行天然氣管道閥門遠程自動控制裝置的功能化模塊 的硬件電路設計。在天然氣管道閥門遠程自動控制系統(tǒng)硬件 中，除主要控制部件（MCU、DSP、EMPU、SOC）外，還 包括 LM1117-33 功率輸出增益抑制模塊。通過存儲器分配測 量電流的準確值，采用了兩線制的共模抑制方法，用外部電 源給整個系統(tǒng)供＋ 5 V 和 ±12 V 的電壓，外接恒定的 4 mA 電流源，通過電容濾波網絡來對電源進行濾波，得到放大器 電源的電流為 3.3 mA。電源芯片選用 TPS767HD301，基于 TPS767HD3XX 系列電源芯片為天然氣閥門遠程自動控制裝置 的 DSP 提供 1.5 V ～ 1.6 V 的可調電壓，得到輸出電壓方程為：

式中，Vref=1.183 4 V，可通過 LT1587 產生 3.3 V 的電壓給 閥門遠程控制的主控電路。

為了使得控制系統(tǒng)的輸出端具有穩(wěn)定的控制輸出，需要 設計一個動態(tài)增益控制模塊，得到動態(tài)增益控制模塊的設計 框圖如圖 3 所示。

圖3 中，通過 I/O 接口（D/A、A/D、I/O 口等）可進行 信號調理，并進行 PCI 橋接實現(xiàn)控制系統(tǒng)與 PC 機的 A/D 采 樣。采用 ADUM1201 和 PCA82C250 接收遠程控制指令，其 中，天然氣管道閥門遠程控制的 DSP 邏輯編程控制和 DSP 信 號處理器是遠程控制系統(tǒng)的數據處理中心，負責與控制終端 進行上位機通信。考慮天然氣管道閥門控制系統(tǒng)的非線性特性 和不確定性，天然氣管道閥門的遠程控制系統(tǒng)要求通過 CAN （Controller Area Network）總線實時上傳控制信號執(zhí)行指令， 通過上述控制程序設計，進行程序加載，設計程序加載電路， 程序加載電路和主控電路采用 AT25HP512 作為從機，在動態(tài) 增益控制模塊中放置 6 個 1 nF 的高頻旁路電容、2 個 10 nF 電容以及 4 個 0.1 uF 電容。對天然氣管道閥門遠程自動控制 包括對控制系統(tǒng)的數據采集、控制誤差測量、遠程中斷控制， 遠程控制的中斷程序包括外設中斷和內核中斷，通過對天然 氣管道中的壓力數據和流量數據進行采集，實現(xiàn)閥門遠程中 斷 I/O 操作，通過上述設計，實現(xiàn)對整個基于 ZigBee 技術和 TMS320VC5509A DSP 集成芯片的天然氣管道閥門遠程自動控 制裝置設計，硬件電路如圖 4 所示。 

3 仿真實驗及系統(tǒng)測試 

為了測試本文設計的天然氣管道閥門遠程自動控制裝置 在進行遠程控制和自動開關中斷中的性能，進行系統(tǒng)測試和仿 真實驗。使用 Agilent 33220A 函數信號發(fā)生器，輸入天然氣管 道閥門遠程自動控制信號為 30 mV 峰峰值的正弦波，頻率范 圍 15 Hz ～ 234 kHz，實驗中，采用 PHLIPS 的 PCA82C250 作為 CAN 總線驅動器，運放供電為＋12 V 和－12 V，主控 模塊通過一個 5 Ω電阻與 CAN 總線相連，通過 Agilent 混合 示波器進行控制信息人工交互，通過上述仿真環(huán)境和實驗方 法描述，采用本文設計的天然氣管道閥門遠程自動控制裝置進 行管道閥門的遠程自動控制，采用 Matlab 編程進行算法設計， 然后采用 SPI E2PROM 進行程序加載，加載程序為 ：

從圖 5 可見，采用本文方法進行天然氣管道閥門遠程自 動控制裝置設計，能有效實現(xiàn)對天然氣管道中壓力數據和流 量數據的采集，實現(xiàn)天然氣管道閥門遠程 自動控制和開關操作，從而提高了天然氣 管網的監(jiān)測和自動控制能力。 

4 結 語

為了提高對天然氣管道的遠程控制和 管理能力，基于 ZigBee 技術和 DSP 技術， 設計了一款改進的天然氣管道閥門遠程自 動控制裝置，進行了系統(tǒng)的傳感器模塊供 電模塊、程序加載模塊和 ARM 主控模塊 等功能模塊的電路設計和集成實現(xiàn)，結果 表明，采用本文設計的自動控制裝置進行 天然氣管道閥門遠程自動控制，系統(tǒng)的穩(wěn) 定性和可靠性較好，具有較好的應用價值。