給予超聲波閥門泄露檢測方法模板

年4月19日給予超聲波閥門泄露檢測方法文檔僅供參考摘要在工業(yè)生產(chǎn)中大量用到連接以及控制管道中氣體運動的是各種各樣的閥門。由于各種原因，泄漏事故經(jīng)常發(fā)生，這造成極大的能源浪費和經(jīng)濟損失。為保障工業(yè)生產(chǎn)能安全進行且將泄漏事故造成的危害降到最小，需要研究一種實時泄漏檢測技術(shù)。本課題目的在于開發(fā)一種實時閥門泄漏檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用氣體泄漏產(chǎn)生超聲波的原理，經(jīng)過檢測這種聲波的強度來判別是否存在閥門泄漏；并利用數(shù)字信號處理技術(shù)對氣體泄漏所產(chǎn)生的超聲波強度信號進行FIR濾波和傅立葉變換等處理，經(jīng)過對泄漏點的超聲波頻譜的分析來判別閥門泄漏等級，從而實現(xiàn)高精度數(shù)字式檢測；同時，該系統(tǒng)具有無線通信功能，滿足監(jiān)控人員實時監(jiān)測工業(yè)現(xiàn)場的需求，這對現(xiàn)場工人的檢修工作具有重要的指導作用。關(guān)鍵詞：泄漏超聲波，數(shù)字信號處理，頻譜分析，無線通信

AbstractWiththedevelopmentofmodernindustry,millionsofvalvesareusedtolinkpipelines.Forallkindsofreasons,valveleakagesoftentakeplace.Theaccidentscausegreatlossatbothenergysourcesandeconomy.Inordertominimizethelossescausedbyleakage,itisnecessarytostudyleakagerealtimedetectingtechnology.Thissubjectaimsatdevelopingarealtimevalveleakagedetectingsystem,whichcancheckoutwhetherthereisleakageornotdependingonultrasonicleakagedetectingtheory.Thissystemtakesadvantageofthedigitalsignalprocessingtechnologytoprocesstheultrasonicsignalgeneratedbyvalveleakage,makinguseofmethodssuchasFIR、FFT.Throughultrasonicspectrumanalysis,wecandeterminethevalveleakagelevelsinordertoachievehigh-precisiondigitaltest.Atthesametime,thesystemhasawirelesscommunicationfunction,whichwillnotonlymeettheneedsofreal-timemonitoringinindustrialfield.Thisfunctionplaysanimportantguidingroletothemaintenanceworkers.Keywords：leakageultrasound,digitalsignalprocessing,spectrumanalysis,wirelesscommunication

目錄TOC\o"1-2"\h\z\u1緒論 11.1課題研究背景及意義 11.2閥門泄漏檢測技術(shù)的現(xiàn)狀 11.3閥門泄漏檢測技術(shù)的發(fā)展方向 31.4本文研究內(nèi)容及章節(jié)安排 32超聲波檢測的原理 52.1利用超聲波檢測閥門泄漏的基本原理 52.2閥門泄漏的模型 62.3泄漏量與聲壓級的理論分析 62.4本章小結(jié) 83硬件組成和設計 93.1硬件架構(gòu) 93.2關(guān)鍵器件的選擇 93.3無線電路設計 143.4本章小結(jié) 214DSP軟件設計 224.1初始化程序設計 224.2數(shù)據(jù)接收子程序設計 234.3FIR濾波器 254.4FFT和泄漏量定級 284.5數(shù)據(jù)發(fā)送子程序設計 304.6本章小結(jié) 305無線通信軟件設計 315.1Zigbee簡介 315.2Zigbee協(xié)議棧工作流程 315.3無線通信程序設計 335.4本章小結(jié) 356總結(jié)與展望 366.1總結(jié) 366.2展望 37參考文獻 38致謝 401緒論1.1課題研究背景及意義當前，工業(yè)生產(chǎn)中大量使用儲存和輸送氣體的管道，而連接并控制這些管道中氣體運動的是各種各樣的閥門，例如對石油化工等工業(yè)中各種管道、儲油罐、儲氣罐上的卸壓閥、隔離閥和旁通閥以及工廠中蒸汽管道中的疏水閥等。閥門是石化工業(yè)自動控制系統(tǒng)及安全防護系統(tǒng)中的核心執(zhí)行元件，被稱為石化工業(yè)的“咽喉”。閥門的性能和狀態(tài)不但會影響到石化工業(yè)生產(chǎn)質(zhì)量和安全，而且對企業(yè)的能源效率有較大影響。據(jù)美國Accutech公司的調(diào)查研究，一個大型的煉油廠或化工廠大約有2500個卸壓閥。這是一種保護設備和人員的關(guān)鍵安全裝置。正常情況下呈關(guān)閉狀態(tài)，一旦在流程管道和反應罐或儲罐中發(fā)生可能導致危險的壓力，經(jīng)過卸壓閥能夠釋放壓力。一般，卸壓閥均經(jīng)過機械彈簧力控制卸壓，因此要求卸壓閥的最大容許工作壓力與系統(tǒng)壓力之間有一個余量，一般制造廠推薦的是系統(tǒng)壓力不應大于最大容許的工作壓力的90%。當操作壓力趨近卸壓閥的釋放壓力點，閥門開始泄漏或滲出氣體或液體，如果密封面處于良好狀態(tài)，排放和產(chǎn)品的損耗有限，起到了釋放壓力的作用。不過隨著時間的推移，有一部分卸壓閥會把有害的氣體或液體泄漏到大氣中，或釋放到廢氣或廢液收集系統(tǒng)中，一般會發(fā)生燃燒。由于這些閥門一般裝在人員不宜到達或難以觸及的地方（如儲罐或反應罐的頂部），往往要使用特殊的裝置和安全措施進行現(xiàn)場檢查。一般的方法是定期將卸壓閥拆下，取回車間，用專門的設備檢測和試驗。在沒有發(fā)生任何泄漏事件時，規(guī)定5年對卸壓閥檢查一次。在例行的檢查中約有30%的卸壓閥有某些程度的泄漏，超過了規(guī)定的允許值，其中約有10%泄漏嚴重，成為產(chǎn)品泄漏和污染的主要來源。難以及時發(fā)現(xiàn)氣體泄漏，會造成一個大型煉油廠或化工廠每年大約有500萬磅（相當于2270噸）的產(chǎn)品因為未經(jīng)檢測的卸壓閥泄漏而損失，并污染了環(huán)境。如果能夠采取有效措施，及時發(fā)現(xiàn)和修復泄漏，那么經(jīng)由閥門泄漏所造成的生產(chǎn)損耗和排放大約有80%至90%完全能夠避免。從這個意義上講，閥門泄漏的檢測，最大的挑戰(zhàn)是如何在卸壓閥開始發(fā)生泄漏之時盡可能早地發(fā)現(xiàn)它。因此清醒認識和認真解決管道和塔罐、壓力容器中存在的閥門泄漏問題，對有可能發(fā)生泄漏的部位進行監(jiān)測，已成為當前管道安全工作的重要內(nèi)容。因此，準確地判斷閥門產(chǎn)生泄漏的位置并及時修補，對于提高企業(yè)的生產(chǎn)效率和節(jié)約能源具有重大的意義。1.2閥門泄漏檢測技術(shù)的現(xiàn)狀國外一些較發(fā)達國家從60年代末開始對管道泄漏故障進行了研究，80年代末進入實用商品階段。而中國對管道泄漏技術(shù)的研究起步較晚，在消化吸收國外技術(shù)的基礎上也有幾家單位進行了現(xiàn)場試驗，但由于整套技術(shù)不夠完善，當前還不能進入生產(chǎn)運行階段[1]。對于閥門泄漏的研究，國外也就是最近幾年才開始研究，中國現(xiàn)在研究這方面的單位也不是很多，因此，這方面的研究還有更長的路要走。容器及管道的泄漏檢測方法很多，可是檢測方法之間在技術(shù)手段方面差別較大，最簡單的是人工巡視法，較為復雜的有軟硬件相結(jié)合的方法。從檢測參數(shù)的角度可分為直接檢漏法和間接檢漏法。直接檢漏法是利用安裝在管道外邊的檢測器直接測出漏到管外的輸送液體或其揮發(fā)氣體，從而達到檢漏目的，直接檢漏法包括煤氣檢漏法、油膜檢漏法和電纜檢漏法等；間接檢漏法包括流量差法、運行壓力法、密封加壓法和超聲波法等。早期的泄漏檢測一般使用硬件檢測方法，如磁力探傷法、管內(nèi)探測球法、分段試壓法等。由于計算機技術(shù)在各領域的應用以及現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，近年來逐漸發(fā)展起了以軟件為主軟硬件相結(jié)合的檢漏新方法，如負壓力波法、基于參數(shù)估計的方法、互相關(guān)法、故障模型濾波器法、超聲波放射性同位素法等。泄漏檢測主要采用以下幾種方法：壓力分布法、負壓波檢測法、溫度檢測法、聲波法等。壓力分布法在管道沿線的各個截斷閥處分別設置壓力傳感器作為無線檢測系統(tǒng)的輸入，并同時采集壓力信號匯總后構(gòu)成該管道整體壓力的分布圖，最后依據(jù)壓力曲線的變化特征確定泄漏程度和泄漏位置?？墒怯捎谧匀画h(huán)境的變化以及系統(tǒng)的擴大，會出現(xiàn)異常的曲線變化而使得出現(xiàn)誤操作情況，對于大型系統(tǒng)需要的傳感器及附屬裝置都很多，這無形中增加了檢測系統(tǒng)的成本，而且對于準確判斷也增加了困難。負壓波檢測法應用于快速檢測，可迅速檢測出突發(fā)性的大量泄漏[2]。在發(fā)生泄漏時，泄漏處立即產(chǎn)生因流體物質(zhì)損失而引起局部流體密度減小出現(xiàn)的瞬時壓力降低和速度差，這個順時的壓力下降作用在流體介質(zhì)上就作為減壓波源經(jīng)過管道和氣體介質(zhì)向泄漏點的上下游以聲速傳播，當以泄漏前的壓力作為參考標準時，泄漏時的減壓波就稱為負壓波。設置在泄漏點兩端的傳感器拾取壓力波的梯度特征和壓力變化率的時間差，利用信號相關(guān)處理方法就能夠確定泄漏程度和位置。溫度檢測法主要用在流體的溫度比環(huán)境溫度顯著高或顯著低的地方，能夠用表面安裝的溫度傳感器作為無線檢測系統(tǒng)的輸入。例如蒸汽的檢漏就能夠利用排出的蒸汽會使溫度上升較多，或致冷液體會使溫度顯著下降處，均可用管夾頭固定表面安裝的熱電阻或熱電偶，測量可能發(fā)生泄漏的卸壓閥和隔離閥的溫度，從而推斷泄漏的程度。這種方法既可用于液相物體，也可用于氣相物體的檢漏。利用泄漏氣體的頻譜特性來進行氣體泄漏檢測也是值得研究的一個領域。當管道氣體泄漏時，由于管道內(nèi)外的壓力差，使得泄漏的流體在經(jīng)過泄漏點達到管道外部時形成渦流，這個渦流就產(chǎn)生了振蕩變化的壓力或聲波。經(jīng)過閥門泄漏的超聲頻譜分析，發(fā)現(xiàn)一般泄漏產(chǎn)生的聲波頻率在10kHz-100kHz之間，能夠?qū)⑿孤r產(chǎn)生的聲波作為信號源，由傳感器拾取該信號，以確定泄漏的程度和流量。最近幾年來，基于超聲波的無損檢測技術(shù)有了快速發(fā)展，已經(jīng)開始滲入到工業(yè)領域中的各個部門，而作為超聲波檢漏技術(shù)已經(jīng)成為管道小孔檢漏技術(shù)中的重要組成部分之一。因此，利用超聲波的特性來實現(xiàn)檢測是當今泄漏檢測中的一個亮點。1.3閥門泄漏檢測技術(shù)的發(fā)展方向傳統(tǒng)的檢測方法簡單易行，但也存在很多的缺點，如壓力分布法和互相關(guān)分析法等誤報率較高且只能在中泄漏和大泄漏方面可靠應用；又如特性阻抗檢測法和壓力點分析法有反應速度較慢等缺點。由于計算機技術(shù)在各領域的應用以及現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，近年來逐漸發(fā)展起了以軟件為主軟硬件相結(jié)合的檢漏新方法。這種方法很大程度地提高了檢漏的準確性和反應速度?，F(xiàn)代軟硬件相結(jié)合的檢漏技術(shù)中，最具代表性的即超聲波檢漏。超聲波檢漏以其可靠性高和反應速度快在小孔泄漏檢測中得到廣泛的應用。超聲波檢漏技術(shù)發(fā)源于上世紀六十年代，近幾年來，隨著科學技術(shù)的迅速發(fā)展，基于超聲波的探傷技術(shù)、檢漏技術(shù)有了快速發(fā)展，在工業(yè)領域的各個部門得到廣泛應用，而超聲波檢漏技術(shù)已經(jīng)成為管道小孔泄漏檢測中的最重要方法之一。在壓力容器以及管道檢測泄漏上，不需要安裝和接觸附加設施，而且超聲測泄漏的靈敏度非常高，因此超聲檢測是氣體泄漏測量的最有效和方便的方法。全球信息化的今天，科學技術(shù)領域以及社會生活離不開信號處理，通信圖象處理。利用超聲對泄漏進行檢測的關(guān)鍵技術(shù)在于探測中目標的背景具有復雜的噪聲，且泄漏量也不同。為了能夠更有效地檢測泄漏，并能判斷泄漏等級，這樣就給信號檢測設備和信息處理技術(shù)提出了更高的要求。隨著DSP(DigitalSignalProcess)技術(shù)的發(fā)展，高速DSP芯片也先后推出使用。對于超聲波檢測而言，DSP技術(shù)使超聲泄漏檢測得到更好的發(fā)展。使用DSP技術(shù)對采集到的信號進行處理也是當下泄漏檢測的一種必然趨勢。1.4本文研究內(nèi)容及章節(jié)安排1.4.1主要研究內(nèi)容課題的研究目的在于檢測是否存在閥門的泄漏，并初步判斷泄漏等級。對于采集到的超聲波信號，我們需要進行一系列的處理，圖1-1為超聲波信號處理流程圖。無線通信模塊數(shù)字信號處理模擬信號處理泄漏超聲波信號傳感器無線通信模塊數(shù)字信號處理模擬信號處理泄漏超聲波信號圖1-1超聲波信號處理流程圖根據(jù)系統(tǒng)的功能要求和信號流程，我們的工作主要包括以下幾個方面：(1)高噪聲中微弱信號的提取利用超聲對泄漏進行檢測的關(guān)鍵技術(shù)在于探測的信號中具有復雜的噪聲，探測距離和反射強度也不同，為了從復雜背景噪聲中提取不失真的信號波形，以提高輸出信噪比和檢測概率，降低誤警概率，首先設計了一種高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對超聲波信號進行數(shù)據(jù)采集。(2)基于DSP技術(shù)的超聲信號處理和分析超聲信號是模擬量，對它采集后要進行必要的處理運算，需要對采集的信號進行FIR(FiniteImpulseResponse)濾波、FFT(fastFouriertransform)等，將泄漏信號轉(zhuǎn)化成頻譜信息。這些運算都需要DSP來完成，DSP具有運算速度快、存儲量大等特點，完全能夠滿足信號的處理要求。(3)閥門泄漏程度的定級在檢測到泄漏后，需要估計泄漏量，并對泄漏的程度進行一定的衡量，用以區(qū)分泄漏的程度，也就是定級。信號經(jīng)過DSP的處理后，我們能夠經(jīng)過頻譜分析對泄漏程度進行定級。這項工作可為檢修人員提供了信息，有助于補漏工作的進行。(4)無線通信模塊設計由DSP處理后的數(shù)據(jù)將經(jīng)過無線終端向與中央控制室上位機相連的協(xié)調(diào)器發(fā)送數(shù)據(jù)，報告信息。經(jīng)過中央監(jiān)控室實時監(jiān)控閥門的狀態(tài)，及時對發(fā)現(xiàn)泄漏的閥門采取措施。將無線通信技術(shù)運用于現(xiàn)場檢漏儀與監(jiān)控中心主機的連接，本檢漏系統(tǒng)又一個最重要的技術(shù)特點，該技術(shù)特點能建立現(xiàn)場檢漏人員與控制中心之間有效地連接，對于快速檢出漏點并安全及時的補漏有著重要的實際意義。1.4.2章節(jié)安排本文先對檢漏系統(tǒng)總體設計進行概略性的介紹，然后分別對系統(tǒng)的各模塊進行介紹，重點介紹了系統(tǒng)的硬件設計和軟件實現(xiàn)。本文共的共分為六個章節(jié)。除第一章緒論和最后一章總結(jié)外，其余四章將對該泄漏檢測系統(tǒng)進行詳細的介紹。主要分為系統(tǒng)理論，硬件架構(gòu)和軟件實現(xiàn)三大部分。第二章主要介紹超聲檢測的原理。第三章我們將對本系統(tǒng)的硬件架構(gòu)進行介紹和說明。第四章我們講述如何利用DSP技術(shù)對信號進行處理和分析，并對泄漏程度定級。第五章介紹如何經(jīng)過無線通信原理實現(xiàn)現(xiàn)場檢漏檢測系統(tǒng)與監(jiān)控中心主機的連接。2超聲波檢測的原理聲波是一種能夠在介質(zhì)中傳播的彈性波，它能夠分為次聲波、可聞聲波、超聲波以及特超聲波。人耳所能聽聞的聲波在200-20kHz之間頻率，超過20kHz人耳所不能聽聞的聲波稱為超聲波。2.1利用超聲波檢測閥門泄漏的基本原理如果一個容器內(nèi)充滿氣體，當其內(nèi)部壓強大于外部壓強時，由于內(nèi)外壓差較大，一旦容器有漏孔，氣體就會從漏孔沖出。當漏孔尺寸較小且雷諾數(shù)較高時，沖出氣體就會形成湍流，湍流在漏孔附近會產(chǎn)生一定頻率的聲波。聲波振動的頻率與漏孔尺寸有關(guān)，漏孔較大時，人耳可聽到漏氣聲：漏孔很小且聲波頻率大于20kHz時，人耳就聽不到了，但它們能在空氣中傳播，被稱作空載超聲波。超聲波是高頻短波信號，其強度隨著離開聲源(漏孔)距離的增加而迅速衰減，如圖2-1所示。因此超聲波被認為是一種方向性很強的信號，用此信號判斷泄漏位置相當簡單。圖2-1小孔泄漏產(chǎn)生超聲波示意圖因超聲波檢測方向性好、穿透能力強、能量高以及對人體無害等優(yōu)點，得到了迅速發(fā)展。超聲波頻譜分析是把頻譜分析的理論和分析方法應用于超聲檢測的技術(shù)，一般來說，簡單的超聲波原始信號能夠提供的信息是有限的，遠不能滿足聲波分析與特征識別的需要，須對其進行一定的加工與處理。經(jīng)過對域函數(shù)圖譜的識別與分析，才能獲得更多的有用信息，以便更好的指導實際工作。因此超聲波頻譜分析技術(shù)是超聲波定量檢測或自動檢測不可缺少的工具。經(jīng)過閥門泄漏超聲頻譜分析，發(fā)現(xiàn)一般泄漏產(chǎn)生的聲波頻率在10kHz~100kHz之間．而能量主要分布于10kHz～50kHz之間，而且超聲信號在40kHz點的漏氣超聲波能量都是比較大的，而且漏氣聲和本底噪聲能量差值也最大。泄漏聲與噪聲的頻譜分布[3]如圖2-2所示。因此，能夠以40kHz作為閥門泄漏所產(chǎn)生超聲信號的中心頻率，經(jīng)過檢測中心頻率附近超聲信號的強度，確定閥門是否存在漏點。圖2-2泄漏聲與噪聲的頻譜分布2.2閥門泄漏的模型閥門的泄漏相當于氣體經(jīng)過收縮孔從一個壓力環(huán)境下到另外一個壓力環(huán)境下，而另外一個壓力環(huán)境就是大氣環(huán)境，在計算時，假定氣體為理想氣體，在孔中氣流的速度遠大于氣體與外界進行熱交換的速度，氣體流過孔時的能量損失遠小于它具有的總能量，能夠忽略.因此，孔中的氣體流動可視為等嫡流動[4]。泄漏模型如圖2-3所示。 圖2-3泄漏參考模型相比之下，容器內(nèi)的氣體流速V0=0，則能夠設容器內(nèi)的氣流參數(shù)為滯止參數(shù)ρ0，P1，T1，a0(P1為測得容器內(nèi)的表壓力，實際絕對壓力為P0+P1)，外界的氣體參數(shù)為ρ，P0，T0，a，一般保持不變。噴嘴出口截面為A，出口截面的氣流參數(shù)為2.3泄漏量與聲壓級的理論分析泄漏超聲本質(zhì)上是湍流和沖擊噪聲。泄漏駐點壓力P與泄漏孔口直徑D決定了湍流聲的聲壓級L。著名學者馬大猷教授推出如下公式[3](2-1):2式中：L為在與噴注垂直的方向距離噴口1m處的聲壓級（單位為）；D=噴口直徑（mm）；D0=1mm；P0是環(huán)境大氣絕對壓力；P為泄漏孔駐壓。由此可知，在與泄漏孔距離一定時，泄漏超聲的聲壓級是隨泄漏孔尺寸和系統(tǒng)壓力的變化而變化的。泄漏產(chǎn)生的超聲波頻帶比較寬，一般在10kHz～100kHz范圍內(nèi)。在不同的頻率點超聲波的能量是不同的，實際上，它的頻譜峰值也是隨泄漏孔的尺寸和壓力的變化而變化的。比如：在一定的泄漏孔徑和壓力下，如果泄漏超聲波的頻譜峰值是在38kHz點的話，加大孔徑以后它的頻譜峰值可能出現(xiàn)在36kHz點，如果孔徑不變，加大系統(tǒng)內(nèi)外壓差，頻譜峰值可能出現(xiàn)在43kHz點。可是在同一頻率點，對于形狀相同的泄漏孔，泄漏所產(chǎn)生的超聲波的聲強隨泄漏量的增大而增大。當泄漏孔的雷諾數(shù)用公式(2-2)表示時，在40kHz點聲壓與雷諾數(shù)之間的關(guān)系如圖2-4所示。Re其中，ρ為氣體密度，μ為粘度，V為流速，D為力學平均直徑。圖2-4聲壓與雷諾數(shù)關(guān)系圖如圖可2-4知，如果能檢測出一個泄漏孔附近在一個頻率點的聲強，則能夠推算出該泄漏孔的雷諾數(shù)。對于該泄漏孔，由于它的力學平均直徑是確定的，因此這時雷諾數(shù)與氣體泄漏量是成正比關(guān)系[5]。可是對于不同的泄漏孔，我們并不知道它的力學平均直徑，因此只知道雷諾數(shù)還是不能求出泄漏量。在工業(yè)當中，對于管道氣體，由于有源源不斷的氣體補給，管道里面的氣壓一般都是恒定值。如果是在工業(yè)容器當中，由于小孔泄漏的泄漏量非常微弱，容器當中的壓力變化非常緩慢，能夠認為在一段時期內(nèi)是恒定值[6]。當系統(tǒng)內(nèi)外壓力一定時，對于不同的泄漏孔，它的泄漏流速都是一定的[7]，能夠用下列公式(2-3)來表示:V=KPψσψψ式中：V為氣體流速；P為管內(nèi)壓力；P0為環(huán)境大氣絕對壓力；T1為絕對溫度；σ＝P0/P；R為氣體常數(shù)；K=2k/k-1，對空氣，k=1.4，則K=2.646。[當雷諾數(shù)、氣體流速知道以后，我們就能夠反求出該泄漏孔力學平均直徑D。即可得出泄漏量。經(jīng)過以上分析得出：只要能檢測出距離泄漏點一定距離的超聲波在一個頻率點的強度，再給出泄漏系統(tǒng)內(nèi)外壓力，就能夠估算出氣體泄漏量。另外，因為40kHz的信號是我們需要的有用超聲信號，由采樣定理，我們應該取80kHz以上的采樣頻率，才能對信號的準確重建。而這種泄漏超聲信號屬于正弦信號，由抽樣定理對正弦信號的適用性問題可知，我們必須在正弦信號一個周期內(nèi)采樣3個點，才能保證對這個信號的準確重建。因此我們應選用160kHz左右的采樣頻率。2.4本章小結(jié)本章主要介紹了本文的理論基礎：超聲波檢測的原理，氣體泄漏模型和泄漏量與聲壓級的關(guān)系。小孔泄漏產(chǎn)生一定頻率的超聲波的原理，是本系統(tǒng)設計的根基。氣體泄漏模型和泄漏量與聲壓級的關(guān)系能夠幫助我們分析氣體的泄漏量與哪些因素有關(guān)系，是本系統(tǒng)為泄漏量定級的理論基礎。3硬件組成和設計3.1硬件架構(gòu)本課題的設計的超聲波檢漏系統(tǒng)主要實現(xiàn)以下三個基本功能：一是實現(xiàn)泄漏有無的檢測，二是實現(xiàn)泄漏超聲波頻譜分析和確定泄漏等級，三是實現(xiàn)現(xiàn)場泄漏系統(tǒng)和監(jiān)控中心主機遠程通信。泄漏所產(chǎn)生的超聲波信號是非常微弱的，而且在很多工業(yè)場合環(huán)境噪聲非常大，因此需要對信號進行放大和濾波處理.超聲波探頭檢測到的信號經(jīng)過轉(zhuǎn)變由聲波信號轉(zhuǎn)換為電平信號，經(jīng)過放大和濾波處理以后其頻率能夠達到20kHz以上，處理后的信號經(jīng)過離散化以后，在DSP中進行信號的分析并將有效信息經(jīng)過無線通信模塊發(fā)送至上位機。因此，系統(tǒng)分為模擬和數(shù)字兩部分。模擬部分主要為信號放大電路，包括前置放大電路，帶通濾波電路和第二次放大電路。數(shù)字部分主要由DSP芯片和無線模塊組成。傳感器信號經(jīng)過放大濾波以后交由DSP處理并經(jīng)過無線模塊發(fā)送出去。超聲波檢漏系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖3-1所示。模擬信號處理電路（數(shù)據(jù)采集處理模擬信號處理電路（數(shù)據(jù)采集處理）示波器（波形觀察）超聲波信號TM320VC54XPTM320VC54XP模塊（數(shù)據(jù)處理分析）上位機上位機（頻譜分析，程序設計、下載）CC2430收發(fā)模塊CC2430收發(fā)模塊（無線通信）監(jiān)視中心圖3-1超聲波檢漏系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖3.2關(guān)鍵器件的選擇3.2.1超聲波傳感器的選擇實現(xiàn)超聲波檢測是我們檢測系統(tǒng)的的首要環(huán)節(jié)，是能夠準確估計泄漏等級的前提。因此就要求超聲波傳感器對原始被測信號進行可靠有效的捕捉。傳感器是將被測的某一物理量按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成與其對應的另一種物理量的裝置。當前我們對傳感器一般理解為非電量到電量的轉(zhuǎn)換。超聲波傳感器是把超聲波信號轉(zhuǎn)換為電平信號，或?qū)㈦娖叫盘栟D(zhuǎn)變?yōu)槌曅盘柕囊环N器件，從這個意義上講，它也是一種可逆超聲換能器。當前，超聲波傳感器多為壓電換能器。壓電換能器的核心元件為壓電陶瓷。當電壓作用于壓電陶瓷時，就會隨電壓和頻率的變化產(chǎn)生機械變形。另一方面，當振動壓電陶瓷時，則會產(chǎn)生一個電荷。利用這一原理，當給由兩片壓電陶瓷或一片壓電陶瓷和一個金屬片構(gòu)成的振動器，即所謂的雙壓電晶片元件，施加一個電信號時，就會因彎曲振動發(fā)射出超聲波。相反，當向雙壓電晶片元件施加超聲振動時，就會產(chǎn)生一個電信號?；谝陨献饔?，便能夠?qū)弘娞沾捎米鞒暡▊鞲衅?。圖3-2超聲波傳感器的構(gòu)造圖如超聲波傳感器示意圖3-2所示，一個復合式振動器被靈活地固定在底座上。該復合式振動器是諧振器以及，由一個金屬片和一個壓電陶瓷片組成的雙壓電晶片元件振動器的一個結(jié)合體。諧振器呈喇叭形，目的是能有效地輻射由于振動而產(chǎn)生的超聲波，而且能夠有效地使超聲波聚集在振動器的中央部位[11]。根據(jù)我們檢測系統(tǒng)的準確性、實時性等要求，我們所希望超聲波換能器應該滿足以下一些要求：頻率響應應滿足指定要求，接收靈敏度高，動態(tài)范圍寬，聲到電的轉(zhuǎn)換是線性的，輻射聲場的集合圖案盡可能符合指定要求。根據(jù)以要求，上本課題采用上海尼賽拉傳感器有限公司的R40-10型超聲波傳感器作為的超聲探頭，如圖3-3所示。它基于壓電換能的超聲波接收原理，當空氣中傳來的超聲波被超聲探頭的喇叭形諧振器匯聚后，驅(qū)動振子產(chǎn)生彎曲振動，從而在電極間輸出與此波動相對應的交變電信號，這樣就把超聲波信號轉(zhuǎn)化為電信號。我們所采用的超聲波傳感器具有以下優(yōu)點：小型、重量輕高靈敏度和高聲壓耗電量低高可靠性其具體外型和參數(shù)如下：A=9.9±0.3B=7.0±0.3C=7.0±0.5D=7.5±0.3E=5.0±0.5F=0.7±0.1圖3-3超聲波傳感器的外形主要技術(shù)參數(shù)如下:中心頻率40±1kHZ接收靈敏度大于-74dB電容1100±25%PF3.2.2儀表濾波器的選用傳感器獲得的氣體泄漏所產(chǎn)生的超聲信號極其微弱，根據(jù)設計的要求，要把該微弱信號映射到(-3.3v，+3.3v)范圍內(nèi)，這就要求采用放大模塊。傳感器信號的放大電路一般采用運放來實現(xiàn)，因為運放具有阻抗高、增益大的特點。比較常見的有反相放大、同相放大、差動放大等幾種經(jīng)典放大電路。可是當傳感器與這些經(jīng)典的運放組合時存在以下問題：①傳感器輸出阻抗一般不為0，會產(chǎn)生比較大的失調(diào)和漂移。因為傳感器的輸出相對于后級電路而言能夠看作電源，我們希望傳感器的內(nèi)阻越小越好；②對于非理想放大器，同時滿足以下三個條件是不可能的：增益平衡、輸入阻抗平衡、偏流平衡[12]；③傳感器存在引線電阻和輸出噪聲，一般這會產(chǎn)生比較大的共模誤差，普通運放的共模抑制比不夠高?；谝陨峡紤]，本文在放大模塊的設計中，采用了儀表放大器。下面就儀表放大器的特點作一個簡要的描述。儀表放大器簡稱IA(InstrumentationAmplifier)，專用于測量兩個輸入端之間的電位差，并以設定的增益進行放大。其輸入電阻高達109歐姆，共模抑制比達106分貝。根據(jù)這些特性，來看看儀用放大器是如何解決以上到的普通放大器存在的問題的。首先，由于IA的極高的輸入電阻，因此傳感器的輸出阻抗能夠忽略；第二，由于IA的對稱結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)增益平衡、輸入阻抗平衡和偏流平衡[13]；第三，IA的共模抑制比很高，能夠解決共模誤差的問題；第四，由于IA測量的是兩個輸入端之間的電位差，而不是直接測量兩個輸入端，因此即使兩個輸入端電壓很高也不會燒壞放大電路。本設計中我們采用的AD公司的AD627B。從圖3-4能夠看出，其第一級為同相放大器，其特點是輸入阻抗大，輸出阻抗??；第二級為差動放大器，其特點是形成對稱結(jié)構(gòu)，以實現(xiàn)高的共模抑制比，且合于高精度的應用。AD627是一種低功耗、高精度儀表放大器，它的增益經(jīng)過一個外接電阻設置，增益范圍為5～1000。它的性能優(yōu)于分離元件組成的儀表放大器(三運放結(jié)構(gòu))與一般三運放放大器相比具有體積小、功耗低、精度高等優(yōu)點。圖3-4儀表放大器原理圖AD627B的主要特點具體介紹如下：微功耗：85μA(最大耗散電流)，電源電壓范圍寬：+2.2V~18V，優(yōu)良的直流特性，輸入失調(diào)電壓低：125μV(最大失調(diào))，輸入失調(diào)電壓漂移小：1μV/℃(最大失調(diào))，輸入偏置電流低：10nA(最大偏置電流)，共模抑制比高：83dB(當G=51時)，噪聲電壓低，頻帶寬：80kHz(當G=5時)，優(yōu)良的交流特性。另外，AD627還具有操作簡單的優(yōu)點，其引腳圖如圖3-5所示，引腳1、8之間外接電阻，設置增益，增益的計算公式如(3-1)：Gain=5+圖3-5儀表放大器外觀圖3.2.3DSP芯片的選擇經(jīng)過模擬信號處理電路后的信號，經(jīng)過示波器我們能夠發(fā)現(xiàn)，已經(jīng)能夠判斷出泄漏的有無，可是從精確檢測和泄漏定級的角度來說，是遠遠不夠的。因此，我們需要對信號進行進一步的處理，從而實現(xiàn)本系統(tǒng)的功能。DSP即數(shù)字信號處理器是一種具有特殊結(jié)構(gòu)的微處理器。DSP內(nèi)部采用程序總線和數(shù)據(jù)總線分開的哈佛結(jié)構(gòu)，具有專門的硬件乘法器，廣泛采用流水線操作，提供特殊的數(shù)字信號處理指令，指令周期短，運算效率高，能夠用來快速實現(xiàn)各種數(shù)字信號處理算法[15]。DSP一般具有如下主要特點：在一個指令周期內(nèi)可完成一次乘法和一次加法由于信號處理的很多算法的主要運算量都集中在乘加運算因此DSP正是由于具有該特點才被認為是最適合于信號處理算法實現(xiàn)的器件，程序和數(shù)據(jù)空間分開能夠同時訪問指令和數(shù)據(jù)，片內(nèi)具有快速RAM一般能夠經(jīng)過獨立的數(shù)據(jù)總線在兩塊芯片中同時訪問，具有低開銷或無開銷循環(huán)及跳轉(zhuǎn)的硬件支持，快速的中斷處理和硬件IO接口支持，具有在單周期內(nèi)操作的多個硬件地址產(chǎn)生器，能夠并行執(zhí)行多個操作，支持流水線操作使取指譯碼取操作數(shù)和執(zhí)行等操作能夠重疊進行。TMS320VC540CxDSP芯片是TI公司于1996年推出的新一代定點數(shù)字信號處理器，是TMS320C5402DSP平臺中最為成熟、應用最廣泛的芯片之一[16]。C54x采用先進的修正哈弗結(jié)構(gòu)，片內(nèi)共有8條總線(1條程序存儲器總線、3條數(shù)據(jù)存儲器總線和4條地址總線)、CPU、片內(nèi)存儲器和在片外圍電路硬件，加上高度專業(yè)化的指令系統(tǒng)，使C54x具有功耗小、高度并行等優(yōu)點。C54x以性能價格比最高而著稱，能夠滿足眾多領域的實時處理要求。CPU先進的多總線結(jié)構(gòu)，包括1條程序存儲器總線、3條數(shù)據(jù)存儲器總線和4條地址總線)；40位算術(shù)邏輯單元(ALU)，包括一個40位桶形移位寄存器和兩個獨立的40位累加器；17*17位并行乘法器，與一個40位專用加法器相連，可在非流水線單周期完成乘法/累加(MAC)的運算；比較、選擇和存儲單元(CSSU)，用于加法、比較、選擇運算。存儲器192K字可尋址存儲空間(64K程序存儲器，64K數(shù)據(jù)存儲器，和64K字的I/O空間)；片內(nèi)ROM，可配置為程序/數(shù)據(jù)存儲器。外圍電路帶有內(nèi)部振蕩器或用外部時鐘源的片內(nèi)鎖相環(huán)(PLL)時鐘發(fā)生器。時分多路(TMD)串行口。緩沖串行口(BSP)和多通道緩沖串行口(McBSP)。8/16位并行主機接口(HPI)。綜上分析，TMS320C5402DSP芯片具有運算效率高等優(yōu)點，符合本系統(tǒng)的功能要求因此選擇該芯片作為數(shù)字處理芯片。3.2.4無線芯片的選擇挪威的Chipcon公司率先推出了符合ZigBee技術(shù)標準的射頻芯片CC2430，CC2430基于Chipcon公司的SmartRF03技術(shù)，采用0.18um制造工藝。Chipcon公司還提供了相應的開發(fā)套件。此開發(fā)套件包括CC2430外圍硬件模塊和Z-StackZigBee協(xié)議棧，還包括各種高性能的ZigBee軟件工具，如網(wǎng)絡設置器、協(xié)議追蹤調(diào)試工具等，并包括CC2420樣片。Chipcon公司還為用戶提供了評估軟件－SmartRFStudio，能夠幫助開發(fā)者進行產(chǎn)品射頻性能的評估和功能測試。CC2430的應用相當廣泛和成熟，是和初涉無線通信知識的學生。終端和洗協(xié)調(diào)器均使用CC2430。DSP處理過的數(shù)據(jù)經(jīng)過四個引腳發(fā)送到無線終端，再又終端將數(shù)據(jù)經(jīng)過無線通信發(fā)送給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器與上位機串行連接。這樣就達到了遠程監(jiān)視現(xiàn)場情況的功能。3.3硬件電路設計3.3.1電源設計超聲檢漏系統(tǒng)供電包括以下三部分：模擬信號處理電路部分需要正負3.3V電源，和一個1.27V的參考電壓；數(shù)字信號處理電路部分需要1.8V電壓；無線通信模塊需3.3V。根據(jù)上述系統(tǒng)供電要求。我們的供電電路主要分為三部分。第一部分獲得正3.3和1.8V電壓。如圖3-6我們采用一塊電壓為9V電池作為供電模塊的初始電源。為了保證供電電路的安全，避免電源接反時帶來的損害，9V電源信號首先經(jīng)過單向二極管D1，并由電阻R1和發(fā)光二極管D61所組成的支路顯示供電電路是否接通電源。此后電平信號一方面經(jīng)過電壓轉(zhuǎn)換芯片TPS76333后輸出電壓為3.3V，供給模擬信號處理電路，另一方面經(jīng)過電壓轉(zhuǎn)換芯片TPS76318后輸出電壓為1.8V，供給DSP芯片。圖3-6+1.8V、+3.3V供電電路圖獲得-3.3V電壓，主要元件我們采用反相器ADM8828。輸入來自TPS76333輸出的3.3V電壓，經(jīng)過反相器取反，能夠得到-3.3V電壓。如圖3-7所示，短接5、6引腳該反向器就能夠正常工作。圖3-7-3.3V供電電路圖第三部分為儀表放大器提供+1.27V的參考電壓。根據(jù)我們在模擬處理電路中所使用到的儀表放大器的要求，我們?yōu)橹峁?1.27V的參考電壓VREF，如圖3-8所示，我們采用ADR127芯片，它的功能是將+3.3V的電平轉(zhuǎn)換為+1.27V的電平，由引腳2接輸入，引腳4接輸出。圖3-8+1.27供電電路圖電源設計中還采用了多級濾波和多級穩(wěn)壓的方法來消除瞬態(tài)干擾，提高直流輸出電壓的穩(wěn)定性以消除電源電壓波動和浪涌沖擊產(chǎn)生的干擾。3.3.2前置信號調(diào)理電路(1)無源濾波器的設計由于本系統(tǒng)中超聲波傳感器檢測到的噪音包含有大量的環(huán)境噪聲信號，這些信號一般遠大于我們所需要的微弱氣體泄漏所產(chǎn)生的超聲信號。如果在設計中直接對采集到的信號進行放大，同時也放大了環(huán)境噪聲，就使有用超聲信號丟失。因此傳感器接收到的信號必須在放大之前進行濾波。需要注意的是，在這里我們不能使用有源濾波器，原因是：有源濾波器由于使用了集成運放，而集成運放并不是理想的器件，其有輸入電壓偏移、輸入電流偏移、和溫漂等因素。在傳感器接收到的微弱超聲信號可能根本不能使集成運放工作在正常狀態(tài)。另外由于集成運放工作時本身也會有噪音，這樣經(jīng)過有源濾波器之后就又會在微弱的信號中混入器件噪音，而起不到所需要的作用。因此在這里我們使用無源濾波器。由于環(huán)境噪聲頻率屬于低頻噪聲，因此需要設計高通濾波器，其結(jié)構(gòu)如圖3-9所示。圖3-9無源RC高通濾波器電路(2)前置信號處理電路實現(xiàn)經(jīng)過無源高通濾波后的信號，根據(jù)設計的要求，要經(jīng)過一系列的處理，我們經(jīng)過前置放大電路實現(xiàn)。如圖3-10所示，電路分為三級：圖3-10前置模擬信號處理電路圖第一級選用專用高精度儀表放大器AD627。如前所述，AD627是由三個精密運放集成的差分專用儀器運放，它具有低偏移、高增益、高共模抑制比的特點，特別適用于放大傳感器信號。由于傳感器接收到的大量的低頻噪聲(如50Hz的工頻噪聲)強度遠大于她所接收到的超聲信號。因此在傳感器與AD627之間必須接一個無源的高通濾波器，已經(jīng)在3.4.1中詳細介紹。第二級是一個壓控有源帶通濾波器。在這一級能夠濾掉大部分的前面濾波器沒有濾掉的背景噪聲和由器件或電路產(chǎn)生的噪聲。這里采用AD公司的OP777，選擇通帶為38kHz到42kHz，它是一個超精密的低噪聲運放，它還具有極低電壓和電流偏移，具有很高的增益穩(wěn)定性。第三級是一個同相放大電路，采用LM324芯片如圖所示。其增益是由接在引腳2的電阻R5和接在引腳1、2之間的電阻R6設置的。增益Gain=R6/R5，設計中R6=390K，R5=39K，則Gain=10。(3)模擬信號后期處理電路設計第三級輸出信號經(jīng)過如圖3-11所示的兩個10k的電阻，使函數(shù)值整體上移為正，之后數(shù)值變?yōu)樵瓉淼?/2，使輸入到DSP的AD采樣信號變?yōu)?到3.3V。DSP對輸入信號的要求較高，為了避免信號抖動引起的誤差，我們采用LM324如圖3-11連接，可起到電壓跟隨作用，從而使信號更加穩(wěn)定。圖3-11模擬信號后期處理電路圖DSP處理器是對數(shù)字量進行處理的，因此，信號在進入DSP處理器之前，必須進行數(shù)模轉(zhuǎn)換。這里我們采用芯片AD7685。AD7685是一種16位逐次逼近的模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）。供電電壓為2.3V～5.5V，它包括一個低功耗，高速，16位無失真采樣器，一個內(nèi)部轉(zhuǎn)換時鐘和一個多功能串行接口。該器件還包含一個低噪聲，寬帶寬，短延遲的采樣保持電路。如圖3-12所示，該芯片經(jīng)過四個引腳和DSP芯片相連。其中SDI接地，SCK接收DSP芯片時鐘信號，SDO為數(shù)據(jù)串行發(fā)送端，CNV接收幀同步信號。圖3-12A/D轉(zhuǎn)換電路圖3.3.3數(shù)字信號處理模塊根據(jù)本課題所研究系統(tǒng)實現(xiàn)的功能，我們能夠選擇芯片TMS320VC5402作為我們的DSP處理器，為了方便連接和應用簡單，我們采用EXP-TMS20C54XX數(shù)字處理模塊，主要由以下幾個模塊組成：CPU模塊時鐘模塊復位模塊存儲器模塊CPLD模塊擴展接口模塊電源模塊在本課題中，CPU模塊我們選用TMS320VC5402芯片，其具體特性和功能在前一節(jié)中介紹過，這里不再贅述。系統(tǒng)的時鐘周期為100ns，在本模塊上有復位按鈕。片外擴展1Mflash存儲器，在實驗中我們將程序燒在該芯片中。模塊的電源輸入為5V，板內(nèi)有電源轉(zhuǎn)換模塊能夠?qū)?V電壓轉(zhuǎn)換為3.3V和1.8V，分別供給DSP處理器和flash存儲器以及其它元件。該模塊的另一特點是接口功能強大，這就很大程度方便了實驗操作。EXP-TMS20C54XX數(shù)字處理模塊的接口分布如圖3-13。圖3-13EXP-MS20C54XX數(shù)字處理模塊接口圖具體分布如表3.1所示。其中J1為DSPJTAG接口，符合IEEEStandard1149.1(JTAG)標準。P4為電源插口，從此接口給CPU板供電，+5V，內(nèi)正外負。我們實驗室用的是YW-510系列開關(guān)穩(wěn)壓電源，其輸入為AC100~240V，因此我們能夠用家庭用電220V作為其輸入；其輸出為DC5V，作為開發(fā)板的電源輸入。S1為復位按鈕，按下系統(tǒng)復位。J3為FLASH寫保護跳線，選配置；1、2短路，不允許擦除FLASH；2、3短路，允許擦除FLASH(在配置AM29LV320FLASH芯片時有效)。SW1為撥碼開關(guān)，實驗時具體根據(jù)數(shù)據(jù)手冊操作。表3.1EXP-TMS320C5402開發(fā)板接口說明序號含義序號含義1DSPJTAG接口J16撥碼開關(guān)SW22電源插口P48擴展接口P33復位按鈕S19擴展接口P24擴展接口P110HPI設置J25FLASH寫保護跳線J311撥碼開關(guān)SW1在本系統(tǒng)設計中我們主要使用了擴展接口P2作為數(shù)據(jù)發(fā)送和接收的接口。接收數(shù)據(jù)時，用其中的四個引腳與A/D轉(zhuǎn)換器相連，在3.4.4小節(jié)做過說明。擴展接口P2引腳的分布圖如圖3-14所示，我們使用引腳21BDRO作為數(shù)據(jù)串行接受腳，引腳23BCLKX0發(fā)送時鐘信號，引腳25BFSX0作為幀同步信號發(fā)送端。同樣，數(shù)據(jù)發(fā)送給無線終端CC2430是分別使用了引腳BDR1、BCLKX1、BFSX1和BDX1。功能基本和接受時相同，將在3.3.4小節(jié)中具體介紹。圖3-14擴展接口P2引腳分配圖3.3.4無線通信系統(tǒng)硬件設計為了保證現(xiàn)場檢漏人員能及時的檢出漏點并安全的補漏，就必須實現(xiàn)監(jiān)控中心與現(xiàn)場檢漏地點的遠程通信，本系統(tǒng)主要是經(jīng)過與DSP相連的終端無線節(jié)點和與上位機相連的協(xié)調(diào)器通信完成的[17]。總體設計如圖3-15所示。圖3-15無線通信系統(tǒng)電路設計圖CC2430的引腳圖如圖3-16所示。終端節(jié)點和DSP芯片連接時使用了四根線，分別為P1_7、P1_6、P1_5、P1_4，分別和DSP的引腳BDR1、BDX1、BCLKX1、BFSX1連接，作為輸入數(shù)據(jù)、輸出數(shù)據(jù)、時鐘信號和片選信號的片選信號的通道。燒程序的時候需要經(jīng)過仿真器與電腦連接，這時用到P2_2、P2_1和RST這三個引腳。圖3-15中的協(xié)調(diào)器左上角的芯片即CC2430芯片。經(jīng)過DSP處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送至終端節(jié)點，終端節(jié)點和協(xié)調(diào)器實現(xiàn)無線遠程通信，將數(shù)據(jù)發(fā)至協(xié)調(diào)器，再由協(xié)調(diào)器將數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機。圖3-16無線通信系統(tǒng)電路設計圖3.4本章小結(jié)本章主要介紹了本系統(tǒng)的硬件的架構(gòu)，組件的選擇和電路的設計。對于本系統(tǒng)而言，合理的選材對于設計能夠使性價比更高，因此本章中多加斟酌。至于電路的設計，我們本著得到精確檢測，精確定級的原則，我們需對得到的信號進行一系列處理。經(jīng)過模擬信號調(diào)理電路(如圖3-17)和數(shù)字信號處理電路(如圖3-18)后的信號，能夠作為我們泄漏定級的依據(jù)。為了滿足遠程監(jiān)控中心實時監(jiān)控以盡量降低泄漏危害的目的，設計了無線通信模塊。硬件是軟件的基礎，本章重墨渲染，旨在將本系統(tǒng)的硬件平臺，功能實現(xiàn)的基礎介紹清楚。順理成章，下一章將對本系統(tǒng)的軟件部分進行介紹。圖3-17模擬信號處理電路圖圖3-18數(shù)字信號處理電路圖4DSP軟件設計因為系統(tǒng)要完成泄漏等級的判定和數(shù)據(jù)的接受發(fā)送，故程序主要由信號采集子程序、濾波子程序、FFT變換程序、數(shù)據(jù)發(fā)送子程序構(gòu)成。實驗時經(jīng)過TIDSPEMULATOR仿真器將DSP和計算機進行連接，用來燒錄程序和查看實驗結(jié)果。本章將對程序設計的總體思路以及核心程序設計進行說明程序設計流程如圖4-1所示。因為采取模塊化設計，運用時只需調(diào)用子程序就能夠使工程簡明易懂。開始開始DSPDSP系統(tǒng)初始化串口初始化濾波器初始化FFT旋轉(zhuǎn)因子初始化化提取參數(shù)，泄漏定級發(fā)送數(shù)據(jù)子程序端FFT變換子程序FIR提取參數(shù)，泄漏定級發(fā)送數(shù)據(jù)子程序端FFT變換子程序FIR濾波子程序數(shù)據(jù)接收子程序圖4-1DSP程序設計流程圖4.1初始化程序設計系統(tǒng)初始化主要包括一些初始地址設置和起始參數(shù)設置。另外需要對串口初始化、濾波器初始化以及FFT初始化。除了程序初始化需要根據(jù)系統(tǒng)情況設置外，其它初始化程序能夠按照DSP的例程來設計。下面給出系統(tǒng)初始化程序。START:LD #0,DPSTM#0F007h,CLKMD//設置時鐘起始地址STM#STACK+100h,SP//設置堆棧起始地址STM#0000h,SWWSR//設置軟件等待時間STM#1070h,PMST//設置程序起始地址SSBXINTMSSBXCMPT//CMPT=1,ARP能夠改變STM#3FFFH,IFRCALLADCBSP//調(diào)用串口初始化程序STM#0010H,IMR//使能串口1接收中斷STM#3000H,AR3//起始地址STM#256,AR1//數(shù)據(jù)存儲器單元個數(shù)STM#0,AR2//數(shù)據(jù)采集結(jié)束標志位RSBXINTM//全局中斷4.2數(shù)據(jù)接收子程序設計4.2.1信號采樣(1)采樣定理信號處理的本質(zhì)是對數(shù)字信號的一種轉(zhuǎn)變，而自然界的信號是以連續(xù)時間信號形式表現(xiàn)的，為了對連續(xù)時間信號進行處理必須有一個采樣的過程。獲得一個連續(xù)間信號的數(shù)字表示的典型方法是經(jīng)過周期采樣，這里由連續(xù)時間信號xc(t)得到的樣本序列是按照如下關(guān)系構(gòu)成：x在式4-1中，T是采樣周期，其倒數(shù)f=1/T是采樣頻率，即每秒內(nèi)的樣本數(shù)。任意的采樣一般是不可逆的，即在式4-1中從左到右能夠進行可是從右到左要在一定條件下才能進行，這個條件就是要滿足乃奎斯特(Nyquist)采樣定理。Nyquist采樣定理描述為：令xctxcjΩ=0,那么xct能唯一由它的樣本xnΩs=2πT>2Ω頻率ΩN一般稱為乃奎斯特頻率，而2ΩN稱為乃奎斯特率Nyquist采樣定理是信號采集必須遵守的定律，只有這樣，式4-1的逆運算才能進行，也就是說采樣以后的信號才能恢復出原有的連續(xù)時間信號。如果不滿足Nyquist采樣定理，采集的信號必將出現(xiàn)頻譜混疊。泄漏超聲信號是自然界當中較為普遍的簡諧信號，因此就存在抽樣定理對正弦信號的適應性問題。由正弦信號抽樣定理，對于式x(t)=Asin(2πf0t+φ)(4的正弦信號，不論A，f0和φ為何值，只要保證在x(t)的一個周期內(nèi)均勻抽得三個點，且僅抽一個周期，即可由x(n)準確得重建x(t)。(2)對泄漏超聲信號的采樣頻率泄漏產(chǎn)生的超聲波頻帶比較寬，一般在20kHz到100kHz范圍內(nèi)。在不同的頻率點超聲波的能量是不同的，然而超聲信號頻率能量峰值一般在40kHz左右范圍內(nèi)，在可聽聲范圍內(nèi)環(huán)境噪聲信號的強度比較大，而在超聲范圍內(nèi)，超聲信號強度比較大而且在38kHz到42kHz范圍內(nèi)的泄漏超聲信號強度是最強的。因此我們進行泄漏超聲信號分析的時候有就是采集40kHz左右的信號。因為40kHz的信號是我們需要的有用超聲信號，由采樣定理我們應該取80kHz以上的采樣頻率才能對信號的準確重建，而這種泄漏超聲信號屬于正弦信號。由抽樣定理對正弦信號的適用性問題可知，我們必須在正弦信號一個周期內(nèi)采樣3個點才能保證對這個信號的準確重建。在這里我們選用160kHz的采樣頻率。(3)采樣頻率的說明自然界當中的這種信號一般為正余弦信號x(t)=Asin(2πf0t+φ)，而且實際上我們只接收40kHz左右的超聲信號。頻率帶非常窄，對于這樣的信號，我們在處理時能夠忽略不同頻率的疊加問題，而直接把它看作一個單一正弦信號按照抽樣定理我們必須在信號的一個周期內(nèi)能抽到3個點才能保證對正余弦信號準確的重建然而如果去一個周期3個點雖然滿足大于信號頻率的兩倍以上可是經(jīng)過以上公式40kHz點位置在256+40/120=85.3處，這一點在DSP里是不存在的，因此在次糾正采樣頻率為160kHz。實驗中，為了能無失真還原信號，根據(jù)采樣定理，我們的采樣頻率應該在4×40KHZ左右，本系統(tǒng)中采樣頻率設置為166666HZ，這樣采樣周期則為6us，根據(jù)周期計算公式幀周期=（FPER+1）×CLKG，已知處理器的時鐘周期為100ns，能夠計算出寄存器FPER的數(shù)值為59，因此寫寄存器：DK_SRGR20 .set 1011b即完成了采樣周期的設置。4.2.2數(shù)據(jù)接收接受數(shù)據(jù)時，以256幀數(shù)據(jù)為一組，判斷是否結(jié)束完畢。如果沒有接收完畢，循環(huán)執(zhí)行接收數(shù)據(jù)指令；如果接收完畢，則執(zhí)行下一步濾波指令。具體程序如下：RECIV:SSBXXFSTM#3FFFH,IFR//串口1的接收中斷服務程序LDMDRR11,ALD#0,ARPSTLA,*AR3+LD#1,ARPBANZLOOP1,*AR1-//判斷是否接受完256幀數(shù)據(jù)STM#3000H,AR3//重復采樣，設初值STM#255,AR1STM#1,AR2STM#0000H,IMRLOOP1:RSBXXF//數(shù)據(jù)沒有接收完，繼續(xù)接收；接受完，執(zhí)行下一步。RETE4.3FIR濾波器4.3.1數(shù)字濾波的特點在工業(yè)場合進行泄漏檢測時，由于周圍環(huán)境存在很多突發(fā)噪音和白噪音，因此必須對這些噪音進行擬制，以減小干擾。使用數(shù)字濾波有以下一些優(yōu)點(1)模擬濾波的特點是速度快，可是參數(shù)不容易調(diào)整且易受環(huán)境影響。我們知道模擬濾波元器件的工作特性與工作環(huán)境密切相關(guān)，在濕度不同或者溫度不同的條件下表現(xiàn)出不同的特性，這將直接導致濾波器工作的不穩(wěn)定，而數(shù)字濾波器就不存在這樣問題。(2)模擬濾波經(jīng)過電阻電容來設定其截止頻率，一旦設計好若要更改截止頻率必須重新設計，也就是一種設計對應一種截止頻率。而數(shù)字濾波是以歸一化頻率為對象來設計濾波器的。設計一個數(shù)字濾波器得到了一系列濾波器。根據(jù)采樣頻率不同表現(xiàn)出不同的截止頻率。(3)模擬濾波器是經(jīng)過電阻電容的搭配實現(xiàn)電路，設計好以后修改很不方便。而數(shù)字濾波器是經(jīng)過編寫在可編程器件比如FPGA,DSP中的程序?qū)崿F(xiàn)電路。設計后在不改電路的前提下，只用修改程序就能夠?qū)崿F(xiàn)不同特性的濾波器，因此在這一點上數(shù)字濾波器比模擬濾波器靈活得多。(4)數(shù)字濾波器能夠借助MATLAB等功能強大的仿真軟件，算法成熟，只要改變參數(shù)就很容易得到低通、帶通、高通、帶阻等不同特性的濾波器，而且改變階數(shù)就能夠得到截止效果更好的濾波器，代價僅僅是算法上復雜一些，硬件不需要任何改動。因此數(shù)字濾波器是很典型的工程應用與數(shù)學結(jié)合的產(chǎn)物。4.3.2數(shù)字濾波器原理濾波器顧名思義，其作用是對輸入信號起到濾波的作用。對圖4-2所示系統(tǒng)圖4-2濾波原理圖其時域輸入輸出關(guān)系是：y(n)=x(n)×h(n)(4若x(n)，y(n)的傅立葉變換存在則輸入輸出關(guān)系是：Y(ejw)=X(ejw)H(ejw)(4–6)由這個關(guān)系可知，如果選擇H(ejw)在一個頻帶有值，而在其它頻帶為0，則她們相乘的結(jié)果就能夠使Y(ejw)中不含其它頻帶的成分，起到濾波的作用。因此，設計不同形狀的H(ejw)能夠得到不同的濾波結(jié)果。4.3.3FIR濾波器設計(1)設計原理FIR濾波器設計有三種設計方法：窗函數(shù)設計，頻率抽樣設計法，最佳一致逼近法。窗函數(shù)設計法也叫傅立葉級數(shù)法，它是從時域出發(fā)，把理想的hd(n)用一定形狀的窗函數(shù)截取成有限長的h(n)，以此來近似理想的hd(n)。這樣得到的頻率響應H(ejw)逼近于所要求的理想的頻率響應Hd(ejw)。而頻率抽樣法則是從頻域出發(fā)把給定的頻率響應Hd(ejw)加以等間隔抽樣即H然后以此Hd(k)作為實際FIR數(shù)字濾波器的頻率特性的抽樣值H(k)。知道H(k)后，能夠用頻域的這N個抽樣值H(k)來唯一確定有限長序列h(n)。前兩種設計方法是在不同意義上對所給理想頻率特性Hd(ejw)的逼近。最佳一致逼近法是按照一種途徑尋找最佳的理想頻率特性Hd(ejw)的逼近函數(shù)。在本系統(tǒng)中，我們采用窗函數(shù)設計法，采用matlab里的濾波器設計工具箱函數(shù)進行設計。這里我們選用Hanning(漢寧)窗。其公式為w(n)=0.5-0.5cos(2π/N)，n=0,1,2,...,N-1或w(n)=0.5+.5cos(2π/N)，n=-N/2,...,0,...,N/2(4-8)W(ejw)=0.5U(w)+0.25[U(w-2π/N)+U(w+2π/N)](4-9)式中：U(w)=eiw/2sin(wN/2)/sin(w/2)，3dB帶寬B=1.44w=1.44*2π/N，最大邊瓣峰值A=-32dB，邊瓣譜峰漸進衰減速度D=-18dB/oct[18]。由于FIR的窗函數(shù)法不像IIR的設計那樣，能夠精確的指定通帶帶阻的邊緣頻率，也不能精確地給定在這兩帶的衰減，而是僅給出通帶的截止頻率。其它幾個參數(shù)是靠h(n)的長度及所使用的窗函數(shù)的性能來決定的。選取了窗函數(shù)后，能夠不斷地變化序列長度，以檢查通帶帶阻是否達到了希望的要求。越增大窗函數(shù)序列的長度，濾波器性能就越好，就越能使濾波器滿足系統(tǒng)所要求。在本系統(tǒng)中由于我們所求的是40kHz左右超聲信號的統(tǒng)計強度，因此濾波對帶寬的要求不是很嚴格，因此我們能夠不用計算通帶帶阻的邊緣頻率以及兩個帶內(nèi)的衰減，由于要求只接收40kHz左右的超聲波信號，因此我們設計的濾波器為帶通濾波器取濾波帶寬為[39kHz,41kHz]，取50點系列采樣頻率為160kHz，由此在matlab里面能夠直接求出其51點濾波器系數(shù)。求出的系數(shù)在DSP中必須以Q15格式表示，下面是matlab里算出的轉(zhuǎn)化成Q15以后的濾波器系數(shù)h(n)：{0,32,-1,-130,0,291,-1,-512,0,778,-1,-1078,0,1391,-1,-1702,0,1988,-1,-2234,0,2420,0,-2539,0,2578,0,-2539,0,2420,0,-2234,-1,1988,0,-1702,-1,1391,0,-1078,-1,778,0,-512,-1,291,0,-130,-1,32,0}(2)程序設計調(diào)用濾波程序時，只要知道濾波數(shù)據(jù)的位置以及濾波以后數(shù)據(jù)存放的位置即可。需要濾波的數(shù)據(jù)位置即在以COFF_FIR為首的數(shù)據(jù)存儲空間里，如果需要修改濾波器，只需修改濾波器的濾波參數(shù)。濾波參數(shù)的加載在使用matlab做好濾波參數(shù)以后，把這些參數(shù)輸入相應的地方就能夠了，即更改下面一些數(shù)據(jù)。程序加載后，濾波參數(shù)的存放在以N_fir-1為首址的程序存儲空間里面，因此首先我們需要將FIR系數(shù)從程序存儲器移動到數(shù)字存儲器。主要經(jīng)過以下指令實現(xiàn)RPT#N_fir-1MVPD#COFF_FIR,*COFF_P+//將FIR系數(shù)從程序存儲器移到數(shù)據(jù)存儲器濾波程序的調(diào)用在所調(diào)用的當前文件頭部輸入以下命令：.retFILTER，在FILTER子程序所在的文件頭部輸入一下命令：.defFILTER，然后經(jīng)過子程序調(diào)用函數(shù)調(diào)用FIR濾波子程序：WAIT: RSBXXFBANZFIR_FILTER2,*AR2BWAITFIR_FILTER2: CALLFIR_FILTER1濾波后數(shù)據(jù)的存放濾波后的數(shù)據(jù)依然在以COFF_FIR為首地址256數(shù)據(jù)存儲空間里在調(diào)試時能夠觀察此處數(shù)據(jù)變化。圖4-3數(shù)字濾波前后波形比較經(jīng)過數(shù)字濾波后能夠濾掉干擾波，濾波前后波形如圖4-3所示，濾波前在我們需要的超聲波（中間）前后有兩處明顯的干擾脈沖，經(jīng)過數(shù)字濾波可將它們?yōu)V除。4.4FFT和泄漏定級4.4.1FFT設計原理1822年法國工程師傅立葉指出，任意函數(shù)x(t)都能夠分解為無窮多個不同頻率的正弦信號的和，這即是諧波分析的基本概念[19]。傅立葉分析的方法相當于光譜分析中的三棱鏡，而信號相當于一束白光。將x(t)經(jīng)過傅立葉分析后，可得到信號的頻譜。傅立葉分析分別包括了連續(xù)信號的和離散信號的傅立葉變換和傅立葉級數(shù)。在DSP或者計算機中進行的數(shù)字信號計算都是離散信號的計算。因此我們使用的是離散信號的傅立葉變換。離散信號的傅立葉變換和連續(xù)信號的傅立葉變換都是基于上面的根本原理。4.4.2FFT程序設計FFT變換結(jié)果的存儲FFT變換后的結(jié)果有虛部和實部，總共需256x2=512字的空間，存放在數(shù)據(jù)存儲空間里面，空間的第奇數(shù)位為轉(zhuǎn)換后的實部，偶數(shù)位為轉(zhuǎn)換后的虛部。頻譜40kHz點左右25點數(shù)據(jù)位置由于在頻譜變換后，要計算40kHz點左右的能量值，這些點代表40kHz左右信號強度，必須知道這些值的存儲位置這些值存放在以OUTPUT+0x3C為首址的數(shù)據(jù)存儲空間里面。旋轉(zhuǎn)因子的加載在FFT計算開始前，旋轉(zhuǎn)因子必須從程序存儲空間加載到數(shù)據(jù)存儲空間中。程序調(diào)用方法在所調(diào)用的當前文件頭部輸入以下命令.retFFT，在FFT子程序所在的文件頭部輸入.defFFT命令，然后執(zhí)行命令CALLFFT。4.4.2頻譜分析頻譜分析是對動態(tài)信號在頻率域內(nèi)進行分析，分析的結(jié)果是以頻率為坐標的各種物理量的譜線和曲線，可得到以頻率為變量的各種幅值的頻譜函數(shù)。超聲波頻譜分析的特點是能夠在頻域上提取超聲檢測信號的各種特征，由于頻域特征受外界干擾的影響較小，且經(jīng)過系統(tǒng)修正后，能夠做到頻域特征僅與管道漏點相關(guān)參數(shù)有關(guān)，因此頻譜分析技術(shù)是超聲波定量檢測泄漏必不可少的工具。頻譜分析技術(shù)的引入促進了超聲定量無損檢測的發(fā)展，使得氣體泄漏檢漏的方法有了長足的進步。頻譜分析的種類很多，一般人們將基于FFT變換的譜分析技術(shù)稱為線性譜分析技術(shù)。泄漏超聲信號經(jīng)過FFT，呈現(xiàn)為功率譜形式，如圖4-4所示。信號的功率譜反映了信號在各個頻率點上能量的分布情況，又稱功率譜密度。計算功率譜的方法有直接法，又稱周期圖法，和間接法，又稱自相關(guān)法兩種。前者直接取信號x(n)的傅立葉變換，得XN(ejw)，然后再取其幅值的平方后除以N，作為對真實的功率譜P(ejw)的估計[20]。后者先由x(n)估計出自相關(guān)函數(shù)Rx(m)，然后對Rx(m)求傅立葉變換，便得到x(n)的功率譜。本文中功率譜的計算是利用直接法，計算公式為：P(k)=1/N｜X(k)｜2(4圖4-4經(jīng)過FFT變換的功率波4.4.3泄漏定級我們知道，只要能檢測出距離泄漏點一定距離的超聲波在一個頻率點的強度，再給出泄漏系統(tǒng)內(nèi)外壓力，就能夠估算出氣體泄漏量。而某一頻率的強度，反應在這里，即是功率的大小，即圖4-4中的縱坐標?？v坐標值大，則一定程度上表示泄漏量大?？墒蔷唧w而言，功率的大小還和泄漏的形狀，氣體的種類等因素有關(guān)。因此，我們這里只能大概定性分析泄漏的低、中、高級別，更為準確的定量工作我們將在后期完成。由于在頻譜變換后，要計算40kHz點左右的能量值，這些點代表40kHz左右信號強度，這些值存放在以OUTPUT+0x3C為首址的數(shù)據(jù)存儲空間里面。因此，因此需要經(jīng)過分析這些數(shù)值對泄漏量定級。GRADE:LD#0h,BADD*(OUTPUT+0x3C),BADD*(OUTPUT+0x3D),BADD*(OUTPUT+0x3E),BADD*(OUTPUT+0x3F),B//將39kHZ到40kHZ頻率的波形強度加起來DSTB,*(2600h)BCL17,BEQ//如果計算結(jié)果為零，執(zhí)行L17SSBXSXMNOPSFTLB,-13,B//對計算結(jié)果左移13位，實現(xiàn)定級ADD#1h,BL17NOPSTM#0800H,IMR//開放串口1使能RET4.5數(shù)據(jù)發(fā)送子程序設計數(shù)據(jù)發(fā)送的原理和數(shù)據(jù)接收原理基本相同，再次不做贅述。本系統(tǒng)對泄漏的定級存在寄存器B中，因此要將其發(fā)送出去。以下是串口1發(fā)送中斷服務程序：SENT:STM#3FFFH,IFR//清中斷標志寄存器LDB,ASTLMA,DXR11//發(fā)送數(shù)據(jù)STM#0010H,IMR//開放串口0使能RETE4.6本章小結(jié)本章具體介紹了DSP軟件設計的實現(xiàn)，主要包括數(shù)據(jù)收發(fā)、FIR濾波和FFT。本章對FIR和FFT原理進行了介紹，經(jīng)過圖4-3我們能夠看到數(shù)字濾波的優(yōu)勢，經(jīng)過FFT轉(zhuǎn)換得到的功率波是幫助我們定量判斷泄漏的最優(yōu)途徑。經(jīng)過上述數(shù)字信號處理頻譜分析，達到本系統(tǒng)對泄漏初步定級的目的。圖4-5是本系統(tǒng)的DSP程序設計和實驗的界圖。圖4-5DSP調(diào)試界面5無線通信軟件設計5.1Zigbee簡介ZigBee技術(shù)是最近興起的一種無線通信標準，它來源于IEEE802，它是以IEEE802.15.4無線通訊技術(shù)為基礎的一組涉及到網(wǎng)絡、安全、應用方面的軟件協(xié)議。它是一種短距、低復雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)傳輸率、低成本的雙向無線通訊技術(shù)。ZigBee技術(shù)能夠應用于超低功率損耗的無線網(wǎng)絡中，它滿足ISO/OSI參考模型,物理層和MAC層采用了IEEE802.15.4標準，ZigBee聯(lián)盟定義了上層部分包括網(wǎng)絡層和應用層，用戶層由用戶自己定義。當前Chipcon公司提出了CC2420+MCU的解決方案,其中MAC和PHY層由CC2420實現(xiàn)，上層部分協(xié)議包括應用層全部由MCU實現(xiàn)。協(xié)議棧則是用于實現(xiàn)ZigBee協(xié)議的一組軟件。5.2Zigbee協(xié)議棧工作流程協(xié)議棧主要工作流程如圖1所示，分為：(a)開始，(b)系統(tǒng)初始化，(c)執(zhí)行操作系統(tǒng)三個階段，如圖5-1所示。圖5-1協(xié)議棧主要流程圖Z-Stack采用操作系統(tǒng)的思想來構(gòu)建，采用事件輪循機制，當各層初始化之后，系統(tǒng)進入事件輪詢或低功耗模式，當事件發(fā)生時，開始進入中斷處理事件，結(jié)束后繼續(xù)進入事件輪詢或低功耗模式[22]。如果同時有幾個事件發(fā)生，判斷優(yōu)先級，逐次處理事件。5.2.1系統(tǒng)初始化系統(tǒng)啟動代碼需要完成初始化硬件平臺和軟件架構(gòu)所需要的各個模塊，為操作系統(tǒng)的運行做好準備工作，主要分為初始化系統(tǒng)時鐘/檢測芯片工作電壓/初始化堆棧/初始化各個硬件模塊/初始化FLASH存儲，形成芯片MAC地址/初始化非易失變量/初始化MAC層協(xié)議/初始化應用幀層協(xié)議/初始化操作系統(tǒng)等部分，其具體流程如圖2所示[23]。5.2.2操作系統(tǒng)的執(zhí)行完成系統(tǒng)的初始化過程之后，就開始執(zhí)行操作系統(tǒng)入口程序，并由此徹底將控制權(quán)移交給操作系統(tǒng)，操作系統(tǒng)實體只有一行代碼：Osal_start_system();//NoReturnfromhere本函數(shù)不會返回，即操作系統(tǒng)從啟動代碼接到程序的控制權(quán)以后，就執(zhí)行死循環(huán)，永遠不退出。這個函數(shù)就是輪轉(zhuǎn)查詢式操作系統(tǒng)的主體部分，它所作的就是不斷地查詢每個任務中是否有事件發(fā)生，如果發(fā)生，就執(zhí)行相應的函數(shù)，如果沒有發(fā)生，就查詢下一個任務。圖5-2系統(tǒng)初始化流程5.3無線通信程序設計5.3.1程序設計(1)在應用初始化程序中添加UART的配置初始化代碼，設置串口號波特率、接收區(qū)發(fā)送區(qū)緩存、回調(diào)函數(shù)等內(nèi)容，具體代碼如下：/*UARTConfiguration*/halUARTCfg_tuartConfig;uartConfig.configured=TRUE;uartConfig.baudRate=HAL_UART_BR_38400;uartConfig.flowControl=FALSE;uartConfig.flowControlThreshold=1;uartConfig.rx.maxBufSize=255;uartConfig.tx.maxBufSize=255;uartConfig.idleTimeout=1;uartCEnable=TRUE;uartConfig.callBackFunc=testCB;HalUARTOpen(SERIAL_APP_PORT,&uartConfig);//開串口(2)添加回調(diào)函數(shù)testCB以實現(xiàn)當一個節(jié)點在上位機中輸入信息后將該信息抓取并經(jīng)過OTA傳輸?shù)浇壎ü?jié)點。具體函數(shù)如下：staticvoidtestCB(uint8port,uint8event){len=HalUARTRead(SERIAL_APP_PORT,temp,SERIAL_APP_TX_MAX);if(len){GenericApp_SendTheMessage();}}(3)在接收處理函數(shù)GenericApp_MessageMSGCB()中添加代碼，實現(xiàn)將經(jīng)過OTA收到的數(shù)據(jù)送至計算機串口并在上位機上顯示，添加代碼核心如下：HalUARTWrite(SERIAL_APP_PORT,pkt->cmd.Data,(pkt->cmd).DataLength);//將接收到的數(shù)打印到串口上(4)無線收發(fā)程序改寫終端節(jié)點發(fā)送：voidGenericApp_SendTheMessage(void){GenericApp_DstAddr.addrMode=(afAddrMode_t)Addr16Bit;GenericApp_DstAddr.addr.shortAddr=0x0000;GenericApp_DstAddr.endPoint=GENERICAPP_ENDPOINT;if(AF_DataRequest(&GenericApp_DstAddr,&GenericApp_epDesc,GENERICAPP_CLUSTERID,len,//(byte)osal_strlen(theMessageData)+1,temp,//(byte*)&theMessageData,&GenericApp_TransID,AF_DISCV_ROUTE,AF_DEFAULT_RADIUS)==afStatus_SUCCESS)//將數(shù)據(jù)無線發(fā)送至協(xié)調(diào)器{//Successfullyrequestedtobesent.}else{//Erroroccurredinrequesttosend.}}協(xié)調(diào)器接收：voidGenericApp_MessageMSGCB(afIncomingMSGPacket_t*pkt){switch(pkt->clusterId){caseGENERICAPP_CLUSTERID://"the"message#ifdefined(LCD_SUPPORTED)HalLcdWriteScreen((char*)pkt->cmd.Data,"rcvd");#elifdefined(WIN32)WPRINTSTR(pkt->cmd.Data);#endifHalUARTWrite(SERIAL_APP_PORT,pkt->cmd.Data,(pkt->cmd.DataLength));//將無線接收到的數(shù)據(jù)經(jīng)過串口發(fā)送至上位機break;}}5.3.1項目調(diào)試經(jīng)過串口將本課題中使用的兩塊無線芯片連接到計算機上，并使用IAR軟件將兩塊協(xié)調(diào)器和無線終端節(jié)點和分別燒入?yún)f(xié)調(diào)器程序和終端設備程序，并經(jīng)過串口連接到兩臺計算機。具體實現(xiàn)步驟如下：(1)網(wǎng)絡建立：將協(xié)調(diào)器開關(guān)打開，協(xié)調(diào)器首先檢測地址，檢測地址完成掃描通道并選擇合適通道建立網(wǎng)絡，網(wǎng)絡建立成功后板載液晶顯示響應提示。圖5-3地址檢測完畢顯示協(xié)調(diào)器信息(2)節(jié)點加入網(wǎng)絡：打開終端設備開關(guān)，首先進行地址檢測，之后經(jīng)過通道掃描尋求是否有存在的網(wǎng)絡，等待檢測到存在網(wǎng)絡并加入成功。(3)實現(xiàn)綁定：將終端設備控制開關(guān)向右撥動請求綁定，LED燈閃爍等待協(xié)調(diào)器響應，在16s的最大響應時間結(jié)束前向右撥動協(xié)調(diào)器的控制開關(guān)實現(xiàn)綁定。(4)節(jié)點間通信：兩節(jié)點綁定成功后，能夠進行自由通信。在實驗中我們分使用了開關(guān)發(fā)送和定時發(fā)送的方式由終端節(jié)點向協(xié)調(diào)器發(fā)送信息。如圖5-4所示圖5-3地址檢測完畢顯示協(xié)調(diào)器信息5.4本章小結(jié)本章具體