专利名称：一种具有无线交互功能的智能探头的制作方法
技术领域：
一种具有无线交互功能的智能探头是一种具备无线传输和智能交互功能的管道泄漏声波信号提取装置，应用于管道泄漏检测领域。
背景技术：
管道作为五大运输工具之一，在运送液体、气体等方面具有特殊的优势，由于工业管道的工作条件非常恶劣，以及不可避免的腐蚀、自然和人为损坏等因素，管道壁厚减薄造成的泄漏事故频频发生，这不仅造成经济上的巨大损失，而且可能污染环境。管道泄漏检测仪是一种正在发展中的、用于管道泄漏检测的仪器。如图1是目前管道泄漏检测仪的组成示意图，主要由主机、转接盒和探头三部分组成，其中主机由笔记本电脑组成，笔记本通过转接盒可以和多个探头相连，探头由CPU中央处理器、信号提取电路、信号调理电路、模数转换电路和数据传输电路组成。工作时分别把两个探头放在可能的管道泄漏源的两侧，由信号提取电路提取管道泄漏信号，经模数转换电路转换成数字信号，通过电缆线传送给主机，由主机对数据进行处理得到泄漏源的确切位置。
然而由于探头的原因，此仪器具有的一定缺陷。1、每次提取信号前都要由检测人员把探头与主机通过电缆线连接，进行信号提取前的设置；设置完毕后，再由检测人员把探头分别置于可能的泄漏源的两侧，提取信号；完毕后，检测人员还要再次把探头取回，同样用电缆线把探头和主机连接，把提取的信号传输给主机。2、由于探头提取的是声波信号，极易受到周围噪声的干扰，有可能造成结果失真，这样在每次泄漏检测中，极有可能需要提取多组信号，那么检测人员则要多次重复1的过程；由于两只探头相距较远，检测人员总是因此而疲于奔命。3、由于上面繁琐的过程，容易使检测人员疲劳，由于主观失误而造成检测结果错误；另外由于过程繁琐，使检测时间延长，不能及时检测到泄漏源的确切位置，使得泄漏量增加，还有可能贻误修补泄漏源的最佳时机。
实用新型内容本实用新型的目的在于克服现有管道泄漏检测仪器的探头由于只能和主机通过电缆线连接，从而造成检测过程烦琐，给检测人员带来不便，导致错误结果和延长检测时间的缺点，提出了一种具有无线交互功能的智能探头。
本实用新型的技术方案如图2所示，此智能探头包括CPU中央处理器、信号提取电路、信号调理电路、模数转换电路、电源电路；电源电路用于给系统提供工作电压，使系统正常工作；CPU用于接收其他各电路送出的信号，并产生控制信号控制其它各电路；信号提取电路把泄漏源由于泄漏产生的声波信号转换为电压信号，经信号调理电路进行调理后，再由通过CPU控制的模数转换电路转换成数字信号，完成信号的提取；特征在于还设置有存储器电路和无线数据传输电路；存储器电路由通用的FLASH ROM闪存与CPU连接组成；无线数据传输电路由无线数据传输模块与CPU连接组成；存储器电路用于存储信号数据，其数据的读入和写出受CPU控制；无线数据传输电路用于CPU与主机进行无线交互，使CPU通过无线传输模块接受主机下发的命令，根据主机下发的命令执行一定的功能，还通过无线数据传输电路把自身状态或从存储器电路中读出的信号数据上传给主机。
另外由于该智能探头使用了无线数据传输，为了保证与主机的无线交互，主机处需要把图1中的转接盒替换为无线数据传输模块，图1中探头和转接盒的连接电缆由无线代替，如图2所示。
所述的CPU中央处理器为TI公司的MSP430系列单片机，CPU通过晶振电路和JTAG电路，以及各个端口总线，组成单片机系统；通过其各端口的输入输出信号控制其它各电路工作。
所述的存储器电路中FLASHROM存储芯片与CPU连接为，存储器芯片通过串行数据输入线SIMO，串行数据输出线SOMI，串行时钟线FSCK，片选信号FCS与CPU相连，CPU控制对存储芯片的读写。在探头进行信号提取时，CPU控制串行时钟线FSCK和串行数据输入线SIMO把提取的信号数据存入存储器中；当需要把信号数据上传到主机时，CPU控制串行时钟线FSCK和串行数据输出线SOMI把存储器中的信号数据从存储器中读出。
所述的无线数据传输电路中的无线数据传输模块与CPU的连接为，无线数据传输模块通过数据接收输出脚RXD，数据发送输入脚TXD与CPU相连。在探头和主机进行无线交互时，无线数据传输模块等待接收来自主机的无线射频数据，接收到数据后将其转换电平形式，通过数据接输出脚RXD传送给CPU；当需要发送数据时，CPU把数据通过数据发送输入脚TXD传送给无线数据传输模块，无线数据传输模块将其转化为无线射频信号发射出去，由主机接收。
本实用新型采用电池供电，经过电源转化电路升压和稳压后，给系统供电。系统工作时接收来自主机的命令，设置工作状态，并启动信号提取功能。管道泄漏源处的泄漏声波信号通过管道传至探头，探头的信号提取电路把声波信号转换为电压信号，经信号调理电路调理后，再由模数转换电路转换为数字信号，CPU把转换后的数字信号存储在存储器中；当泄漏信号提取完毕后，CPU把存储在存储器中的信号数据读出，通过无线数据传输模块上传给主机。
该探头具备无线交互功能，在管道泄漏检测过程中，检测人员只需一次性把两个探分别放在可能的泄漏源的两侧，就可以通过主机与探头进行无线交互，通过无线数据传输由主机下发命令，可进行多次反复检测；检验人员可以专心于检测过程操作，从而大大提高了测量记录的精度，减少了错误的发生；同时大大降低了检验人员的劳动强度，减少检测时间，提高了工作效率，为管道泄漏的抢修赢得更好时机。
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图1现有的管道泄漏检测仪的探头的示意框图；图2本实用新型的具有无线交互功能的智能探头的示意框图；图3本实用新型的具有无线交互功能的智能探头的信号提取电路、信号调理电路的电路原理图。
图4本实用新型的具有无线交互功能的智能探头的CPU中央处理器、模数转换电路、存储器电路的电路原理图。
图5本实用新型的具有无线交互功能的智能探头的电源电路、无线数据传输电路的电路原理图。
具体实施方式
结合图2、图3、图4和图5对本实用新型作进一步的说明一种新型的带无线交互功能的智能探头，主要由CPU中央处理器、信号提取电路、信号调理电路、模数转换电路、存储器电路、无线数据传输电路、电源电路组成。
参照图4，CPU中央处理器U1为TI公司MSP430系列单片机，型号为MSP430F149，它是一种具有超低功耗特性的功能强大的单片机；具有60KB的FLASH型存储器，本身具有JTAG接口，可以在JTAG控制器的帮助下方便的实现程序下载，完成程序调试；具有2KB的内部RAM，以及多种片上外围模块；包括P1到P6共6个端口，通过这些端口线输入输出信号，完成对系统的控制。P1.0～P1.7分别连接到模数转换集成电路U2，型号为LTC1277，的D0～D7，作为U2的数据线D0～D7；P2.0连接到模数转换集成电路LTC1277(U2)的BUSY管脚，用来检测LTC1277是否处于模数转换状态；P2.1连接到模数转换集成电路LTC1277(U2)的CS管脚，作为LTC1277的片选信号ADCS；P2.2连接到模数转换集成电路LTC1277(U2)的RD管脚，作为LTC1277的读选通信号RD；P2.3连接到模数转换集成电路LTC1277(U2)的CONVST管脚，作为采样和启动的控制信号CONVST；P2.4连接到模数转换集成电路LTC1277(U2)的HBEN管脚，作为HBEN信号，在读取转换结果时，控制LTC1277输出高4位或低8位。P3.1连接到存储器集成电路U4，型号为AT45DB041B，的SI管脚，在写数据时，串行数据经此从CPU(U1)写入存储器中；P3.2连接到存储器集成电路AT45DB041B(U4)的SO管脚，在读数据时，串行数据经此从存储器读入CPU(U1)中；P3.3连接到存储器集成电路AT45DB041B(U4)的SCK管脚，在读写数据时，由CPU(U1)经此提供串行时钟FSCK；P4.1连接到存储器集成电路AT45DB041B(U4)的CS管脚，作为存储器集成电路AT45DB041B(U4)的片选信号FCS。P3.6通过接插件(图4的J1和图5的J1)连接到图5中的无线数据传输模块U5，型号为EM100B，的DIN管脚，在发送数据时，串行数据由此从CPU(U1)发送到无线数据传输模块；P3.7通过接插件(图4的J1和图5的J1)连接到图5中的无线数据传输模块(U5)的DOUT脚，在接收数据时，串行数据由此从无线数据传输模块接收到CPU(U1)中。P4.7通过电阻R1与发光二极管L1相连，组成系统运行指示灯。Y1和Y2分别为32k和8M晶振，为CPU(U1)提供工作时钟，C13、C14、C16和C17为起振电容。R1、R2和C15组成复位电路，为CPU(U1)提供上电复位信号RST。CPU(U1)的第54脚(TDO/TDI)、第55脚(TDI)、第56脚(TMS)和第57脚(TCK)以及复位信号RST组成了JTAG电路，可以方便的进行程序下载和调试。
参照图3，信号提取电路由一片加速度传感器U1，型号为AD公司的ADXL202E，及其外围电路组成。ADXL202E是美国ADI公司出品的低成本、单电源、低功耗、功能完善的双轴加速度传感器，它可以输出模拟信号或者直接输出数字信号。本实用新型只使用了双轴中的X轴输出模拟信号。电源经电阻R1和电容C5滤波后接到ADXL202E(U1)的VDD管脚。工作时，管道泄漏源处的声波的信号经管道传给智能探头，ADXL202E(U1)感受到声波的振动，将声波信号转换为电压信号，从第7脚(Xfilt)输出。电容C9接在其输出端，限制其输出带宽。
参照图3，信号调理电路包括两级电压跟随器电路、两级滤波电路和放大电路组成。两级电压跟随器电路由双运放集成电路U2组成，型号为BB公司的OP2227；第一级滤波电路由电阻R3和电容C6组成，第二级滤波电路由集成电路U3组成，型号为MAXIM公司的MAX291；放大电路由标准仪用放大集成电路U4组成，型号为AD公司的AD623。工作过程为，信号提取电路提取的模拟信号首先通过第一级电压跟随器电路，由OP2227(U2A)组成；然后通过由电阻R3和电容C6组成的第一级滤波电路；其次通过放大电路，由AD623(U4)组成，其中R5和R6用来调节放大倍数；再次通过第二级滤波电路，由MAX291组成，其中C10用来调节截止频率；最后通过第二级电压跟随器电路，由OP2227(U2B)组成。经信号调理电路调理后的信号通过接插件(图3的J1和图4的J3)连接到图4中，作为模数转换电路的输入。
参照图4，模数转换电路由两部分组成。第一部分由集成电路U2组成，型号为LINEAR公司的LTC1277，它是一种低功耗、12位A/D转换芯片，带有内部电压基准和时钟，转换速率可达100Ksps。工作过程为，经图3信号调理电路调理后的信号通过接插件(图3的J1和图4的J3)连接到LTC1277(U2)的第1管脚，即模拟信号输入端AIN+；CPU(U1)控制P2.1，即A/D选通信号ADCS，为低电平，选中LTC1277；CPU(U1)再控制P2.3，即A/D采样转换信号CONVST，先为低电平，使LTC1277工作在采样状态，用以采样模拟信号，后为高电平，使LTC工作在转换状态，将模拟信号转换为数字信号；在启动转换后，LTC1277的第22管脚，即BUSY信号处于低电平，表明LTC1277正处于转换状态，待转换结束后，BUSY信号变为高电平，此信号通过CPU(U1)的P2.0检测，直到变为高电平，即转换结束；然后，CPU(U1)控制P2.4，即HBEN信号，为高电平，再控制P2.2，即读选通信号RD，为低电平，此时，LTC1277的数据线输出转换结果的低8位，通过CPU(U1)的P1口读入CPU(U1)内部，CPU(U1)再控制HBEN信号为低电平，此时，LTC1277的数据线输出转换结果的高4位，通过CPU(U1)的P1口读入CPU(U1)内部。至此，一次完整的A/D转换结束，分两次读入CPU(U1)内部的结果合成一个完整的转换结果。为了保证下一次转换，在本次转换结束后，还要把读选通信号RD和片选信号ADCS拉高。两次A/D转换的间隔，由CPU(U1)内部的定时器控制，其长短决定了采样频率。第二部分由CPU(U1)内部A/D组成，主要通过由电阻R3、R9和电容C7组成的分压电路检测电池电压，当电池电压过低时，能够报警及时充电。
参照图4，存储器电路由集成电路U4组成，型号为ATMEL公司的AT45DB041B，这是一片低功耗、高密度、具有SPI接口的大容量数据存储器，容量为4M位。工作过程为，CPU(U1)提供的SPI接口与AT45DB041B(U4)的SPI接口相连；当由CPU(U1)向存储器发送数据时，CPU(U1)先控制P4.1，即存储器选通信号FCS为低电平，然后等待CPU(U1)的SPI发送寄存器准备好，再把要发送的数据写入发送寄存器，SPI接口则把发送的数据通过CPU(U1)的P3.1和AT45DB041B(U4)的SI的连接信号SIMO发送到存储器AT45DB041B(U4)；当CPU(U1)从存储器读数据时，也要拉低存储器选通信号FCS，然后等待CPU(U1)的SPI发送寄存器准备好，再把一个随意数据写入发送寄存器，SPI接口把此数据通过CPU(U1)的P3.1和AT45DB041B(U4)的SI的连接信号SIMO发送到存储器AT45DB041B(U4)，同时通过CPU(U1)的P3.2和AT45DB041B(U4)的SO的连接信号SOMI接收来自存储器AT45DB041B(U4)的数据。在每次操作完毕后，都要把存储器选通信号FCS拉高，以准备下一次操作。此外，存储器AT45DB041B(U4)还有一套软件协议，根据此协议，CPU(U1)可以控制存储器的读、写和擦除等。
参照图5，无线数据传电路主要由基于单片收发通信芯片CC1000的无线数据传输模块(U5)组成。CC1000是根据Chipcon公司的SmartRF技术制造的一种低功耗、超高频、单片收发通信芯片。此模块能够很好的与图4中CPU(U1)的UART口相连。工作过程为，在发送数据时，图4CPU(U1)等待UART口的发送寄存器准备好，然后把要发送的数据写入发送寄存器，则UART口把此数据自动以一定的波特率和格式通过图4中CPU(U1)的P3.6经接插件(图4的J1和图5的J1)与无线数据传输模块(U5)的DIN脚的连接信号TXD发送到该模块，该模块把此数据转换成射频信号发送出去，由主机接收；接收数据时，无线数据传输模块接收来自主机的无线射频信号，并把此数据转换电平格式，通过图4中CPU(U1)的P3.7经接插件(图4的J1和图5的J1)与无线数据传输模块(U5)的DOUT脚的连接信号RXD接收至CPU(U1)。此外在探头的CPU(U1)和主机之间，还有一套软件协议，按照该协议，两者通过无线数据传输模块，完成数据的发送和接收，达到无线交互的目的。
参照图5，电源电路主要由LINEAR公司的电源芯片组成，型号包括LTC1751系列和LTC660。系统由单节锂电池供电，其电压变化范围为3.0V～4.2V。U1为LTC1751-5型，它接收锂电池输入，输出+5V；U3为LTC1751-3.3V，它接收锂电池输入，输出+3.3V；U4为LTC660，它接收+5V输入，输出-5V；为了保证功率要求，又额外加了一片LTC1751-5型芯片U2，它接收电池电压，输出的+5V作为U4的输入。每个电源的输出都加有发光二极管指示灯D1、D2和D3。此外在系统包括图2、图3和图4的各个电源连线处以及其它一些地方，都加了退耦电容，以保证系统的正常运行。
该探头在使用时，只需检测人员一次性把两个探头分别放在可能的管道泄漏处的两侧的管道上，然后利用主机，通过无线交互即可达到控制探头的目的。首先由主机通过无线交互对探头进行设置；然后探头根据设置采集通过管道传播的泄漏信号，并将其存储在存储器中；最后，通过无线交互把存储器中的数据收集到主机，由主机分析处理，得到检测结果，定出泄漏位置。如果结果受到噪声干扰，或对检测结果有怀疑，则可以通过无线交互进行下一组采样。本实用新型简单、方便、实用性强。
权利要求1.一种具有无线交互功能的智能探头，包括CPU中央处理器、信号提取电路、信号调理电路、模数转换电路、电源电路；电源电路用于给系统提供工作电压，使系统正常工作；CPU用于接收其他各电路送出的信号，并产生控制信号控制其它各电路；信号提取电路把泄漏源由于泄漏产生的声波信号转换为电压信号，经信号调理电路进行调理后，再由通过CPU控制的模数转换电路转换成数字信号，完成信号的提取；其特征在于还设置有存储器电路和无线数据传输电路；存储器电路由通用的FLASH ROM闪存与CPU连接组成；无线数据传输电路由无线数据传输模块与CPU连接组成；存储器电路用于存储信号数据，其数据的读入和写出受CPU控制；无线数据传输电路用于CPU与主机进行无线交互，使CPU通过无线传输模块接受主机下发的命令，根据主机下发的命令执行一定的功能，还通过无线数据传输电路把自身状态或从存储器电路中读出的信号数据上传给主机。
专利摘要一种具有无线交互功能的智能探头是声波信号提取装置，应用于管道泄漏检测领域。本实用新型特征在于还设置有存储器电路和无线数据传输电路；存储器电路由通用的闪存与CPU连接组成；无线数据传输电路由无线数据传输模块与CPU连接组成；存储器电路用于存储信号数据，其数据的读入和写出受CPU控制；无线数据传输电路用于CPU与主机进行无线交互，使CPU通过无线传输模块接受主机命令，根据主机命令执行一定的功能，还通过无线数据传输电路把自身状态或从存储器电路中读出的信号数据上传给主机。该探头具备无线交互功能，在管道泄漏检测只需一次性把两个探分别放在可能的泄漏源的两侧，可进行反复检测；提高了测量精度；降低了劳动强度，提高了工作效率。
文档编号G08C17/02GK2767984SQ20052000500
公开日2006年3月29日 申请日期2005年2月24日 优先权日2005年2月24日
发明者吴斌, 徐玉龙, 何存富, 毕晓东, 郎洪致, 孟涛, 刘青 申请人:北京工业大学