冻土区斜坡稳定性安全监测系统的结构设计
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【摘要】不稳定斜坡是冻土区管道面临的巨大威胁，极有可能造成斜坡底部管道发生屈曲褶皱变形，因此急需结合实际情况应用合适技术对大型斜坡进行监测。论文根据所测当地冻土区实际情况，从高精度、低功耗、数据无线传输三方面出发，讨论了冻土区斜坡稳定性安全监测系统的结构设计方法。包括系统各功能模块结构设计，主控板电路设计及主控板及采集模块的PCB板设计。
【关键词】监测系统;主控板;结构设计;数据采集
1.引言
在原油输送过程中，管道经由多年冻土区，输油管道中原油温度会影响管道周围多年冻土区土壤的温度场，引起复杂的地质灾害问题，如冻胀、融沉、水土流失、边坡失稳等，对管道安全造成威胁，严重影响原油的运输。其中，不稳定斜坡是冻土区管道面临的最大威胁，极有可能造成斜坡底部管道发生屈曲褶皱变形。论文通过对冻土区斜坡失稳机理、形成过程及斜坡监测技术的分析，讨论了冻土区斜坡稳定性安全监测系统的结构设计。
管道的较大形变容易引起管道的断裂和泄露，同时由于冻土层微小的温度都会影响到石油管道的安全传输，所以要求监测系统具有±0.2℃的温度测试精度，并具有长期稳定性。在选择元器件时不仅要求各个器件达到所需精度，还要分析元器件组合的总精度。另外，由于监测仪器是在野外安装使用，环境比较复杂，而温度对于系统的工作又有很大的影响，元器件的工作温度范围需在-50℃～+50℃之间。但大多数元器件工作温度在低于零下25度以上，所以需要对系统板进行保温处理。保温处理虽能在一定时间内保证器件正常工作，但为了满足系统低功耗及工作长期稳定性，在选择元器件时，需选择温度范围较宽且温度较低也能正常工作的器件。
2.系统各功能模块结构设计
2.1 主控板结构设计
在满足低功耗、高精度及高低温适应的原则下，主控芯片选用Atmel公司ATmega128L芯片，时钟芯片选用美国DALLAS公司推出的性能比较高的DS1302，数字温度传感器选较常用的DS18B20，存储芯片选用Atmel公司推出的大容量串行数据Flash存储器AT45db161，继电器选择常用的电流为5A小型MY2NJ。其各芯片布置如图1所示，在主控板预留LCD1602的接口，在调试结束后可拔掉显示屏以降低功耗。整个主控板模块中DS1302确定数据的定时发送，AT45db161芯片将各个温度传感器收集的信息进行存储。ATmega128L具有两个可编程的串行UART，ATmega128L通过其中一个串行UART，以寻址的方式与数据采集模块中的AT89C51进行通信，控制多个数据采集模块中的一个进行温度采集。另一个串行UART与GSM模块进行通信，将采集的数据以短信形式发送至目标SIM卡。由于野外无供电条件，电源由12V的蓄电池及太阳能电池板构成，为系统提供稳定的直流电压。
2.2 数据采集模块结构设计
数据采集模块在选用各芯片时，同样满足以上所述的芯片选用原则。主控芯片选择性能及价位比较合适的由美国STC公司推出的52内核单片机，A/D转换芯片选择具有4通道单独输入的ADS8341。采集模块各芯片布置如图2所示。由于系统需要测量30个点的温度，既需要40个温度传感器。一个ADS8341有4个通道，能够连接4个温度传感器，图2中包含3个ADS8341，能够连接12个温度传感器。所以，在整个数据采集部分，要完成数据的正确采集需要有4个同类型的采集模块。
图1 主控板框图
图2 数据采集模块框图
2.3 数据远程通信系统设计
数据远程通信系统主要由GSM通信模块、上位机系统、下位机系统等组成，如图3所示。下位机系统将数据信息通过GSM模块1以短信方式发出，经过全球无线移动通信网络（GSM网络）将数据发送给GSM模块2。上位机软件将短信从GSM模块2中读取，并进行计算、分析及显示。当需要对下位机系统进行设定时，上位机软件通过GSM模块2以短信形式将命令发出，经过全球无线移动通信网络将命令发送给GSM模块1，下位机系统通过GSM通信模块1接收来自上位机的命令。
图3 数据远程通信系统框图
3.主控板电路设计
根据上面所确定的主控板系统结构，对主控板硬件电路进行设计。主控芯片ATmega128L是一款基于AVR RISC结构的低功耗CMOS8位微控制器。具有片内128KB的程序存储器（Flash）、4KB的数据存储器（SRAM）和4KB的EEPROM，有8个10位ADC通道、2个8位和2个16位硬件定时/计数器、8个PWM通道。与ATmega128A相比，ATmega128L具有较宽的供电电压（2.7～5.0V），实际应用中，可选择3.3V的供电电压以降低系统功耗。
ATmega128L的时钟源可以选取外部晶体振荡器、外部RC振荡器、内部RC振荡器等方式。其时钟源的选择可通过JTAG编程、ISP编程等方式对ATmega128L的内部熔丝位来设定。为了降低系统主控板与采集板数据通信中的误码率，ATmega128L的晶体振荡器频率选用7.3728MHz，以产生精准的9600bps波特率。
4.主控板及采集模块的PCB板设计
PCB板设计的成败直接决定了系统工作的稳定性和可靠性，在设计PCB板时，需要考虑其电磁兼容性和散热性。由于本系统所处的环境温度较低，PCB板上元器件的发热为有利因素，因此在设计PCB板时仅考虑其电磁兼容性。本系统的主控板和采集板采用了分离设计，因此各PCB基板上的元器件较少，为减低系统制作成本，选用常用的双层板设计。系统PCB板实物图如图4所示，采集板通过4个插接槽与主控板相连。
图4 系统实物图
5.结论
通过对系统硬件需求分析，对系统的主控板模块及采集模块进行设计，同时对各个模块中所需的元器件按系统所需性能及低功耗要求进行选择，并对各个元器件功能、参数进行介绍。在硬件设计中不仅对各个元器件的电路连接进行详细设计，同时考虑到供电问题，并对各模块电源供电进行详细设计，最后根据使用性将设计电路出PCB板。
参考文献
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