（信号与信息处理专业论文）基于dsp及μcosⅡ的地下管道泄漏点定位系统的设计与实现.pdf

基于d s p 及p 【，c o s i i 的地下管道泄漏点定位系统的设计与实现 摘要 本文采用d s p 芯片t m s 3 2 0 v c 5 4 1 6 1 6 0 作为核心处理器，在c o s i i 实 时操作系统平台上完成漏点定位系统软硬件设计，实现了对双路漏水声音信号 的采集、滤波、相关分析及定位结果显示等功能。文中介绍了地下管道泄漏点 定位原理及系统软硬件的设计方案；在m a t l a b 平台上根据系统需要设计i i r 滤波器有关参数，并在d s p 上用汇编语言编写滤波算法程序；采用快速相关算 法在d s p 上实现互相关时延估计漏点定位，并在c c s 环境下进行仿真测试，验 证系统的可行性；为了提高系统性能，在d s p 上移植p c o s i i 嵌入式实时操作 系统，并采用其多任务管理功能实现系统编程。系统设计调试完成后，在模拟 现场环境下采用两路有线信号接收方式完成了系统的仿真测试，在文中给出了 测试及定位显示结果。最后，总结论文的主要工作及其存在的问题，并对未来 工作提出了建议和展望。实验证明本文设计的漏点定位系统检测速度快、定位 准确、性能稳定、功耗低、操作简单，具有很高的实际应用价值。 关键词：漏点定位，d s p ，i i r 滤波，互相关时延估计，“c o s i i t h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no f t h el e a kl o c a t i o ns y s t e mf o ru n d e r g r o u n d p i p e l i n eb a s e do nd s pa n d p c o s - i i a b s t r a c t t h ed i s s e r t a t i o nh a sd e s i g n e dt h es o f t w a r ea n dh a r d w a r eo ft h el e a kl o c a t i o n s y s t e mf o ru n d e r g r o u n dp i p l i n eo nt h ep l a t f o r mo f c o s i i r e a l t i m ee m b e d d e d o p e r a t i n gs y s t e mu s i n gd s pc h i pt m s 3 2 0 v c 5 4 1 6 - 1 6 0 t ob et h ec o r ep r o c e s s o r , a n d r e a l i z e ss u c hf u n c t i o n sa st w o w a yw a t e rl e a ks i g n a lc o l l e c t i o n ，f i l t e r i n g ，c o r r e l a t i o n a n a l y s i sa n dl o c a t i o nd i s p l a y t h ep i p e l i n el e a kl o c a t i o np r i n c i p l ea n dt h es o f t w a r e a n dh a r d w a r ed e s i g n i n gp l a ni sd e p i c t e da tt h eb e g i n n i n g t h ep a r a m e t e r e so fi i r d i g i t a lf i l t e ra r ed e s i g n e do nm a t l a bp l a t f o r ma c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n to ft h e s y s t e m ，a n dt h ep r o g r a mo f i i rf i l t e r i n ga l g o r i t h mi s c o m p i l e dw i t ha s s e m b l y l a n g u a g e o nd s el e a kl o c a t i o ni sr e a l i z e d b ym u t u a lc o r r e l a t i o n t i m e d e l a y e s t i m a t i o nw i t hf a s tc o r r e l a t i o na l g o r i t h m ，a n dt h ef e a s i b i l i t yo ft h es y s t e mi sv e r i f i e d b ys i m u l a t i n gi tu n d e rt h ee n v i r o n m e n to fc c s i no r d e rt oi m p r o v ee f f i c i e n c y , p c o s i ii st r a n s p l a n t e di n t od s p , a n dt h es y s t e mp r o g r a m m i n gi sr e a l i z e dw i t ht h e f u n c t i o no fm u l t i t a s ka d m i n i s t r a t i o n a f t e rt h ed e s i g na n dd e b u g g i n go ft h es y s t e m ， t h et e s ti sa c c o m p l i s h e db yr e c e i v i n gt w o - w a yc a b l es i g n a lu n d e rt h ee n v i r o n m e n to f t h es i m u l a t i n gs c e n e ，a n dt h el o c a t i o nr e s u l ti s g i v e n f i n a l l y , i ts u m su pb o t h a c h i e v e m e n t sa n de x i s i t i n gp r o b l e m so ft h ed i s s e r t a t i o n ，a n db r i n g su ps u g g e s t i o n s i l a n dp r o s p e c t sf o rt h ef u t u r ew o k i th a sb ep r o v e nt h a tt h i sl e a kl o c a t i o ns y s t e mh a s q u i c ks p e e d ，a c c u r a t el o c a t i o n ，g o o ds t a b i l i t y , l o wp o w e r e x p e n s e ，s i m p l eo p e r a t i o n a n dv e r yh i g ha p p l i c a t i o nv a l u ei nr e a l i t y k e y w o r d s ：l e a kl o c a t i o n ，d s p ，i i rf i l t e r ，m u t u a lc o r r e l a t i o nt i m e d e l a y e s t i m a t i o n ，c o s - i i i i i 原创性声明 本人声明：所旱交的学位论文是本人在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除本文已 经注明引用的内容外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得内蒙直太堂及 其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所傲的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：重巡 指导教师签名 日 期：2 衄日期：幺鸣姚多 在学期间研究成果使用承诺书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：内蒙古大学有权将学位论文的全 部内容或部分保留并向国家有关机构、部门送交学位论文的复印件和磁盘，允许编入有关数据库进行检索， 也可以采用影印、缩印或其他复制手段保存、汇编学位论文。为保护学院和导师的知识产权，作者在学期 间取得的研究成果属于内蒙古大学。作者今后使用涉及在学期间主要研究内容或研究成果，须征得内蒙 古大学就读期间导师的同意；若用于发表论文，版权单位必须署名为内蒙古大学方可投稿或公开发表。 学位论文作者签名： 日 指导教师签名： 己l 吉 ji 口 漏水一直困扰着每个供水企业，它不仅会造成水资源浪费，降低企业的经济效益，而且 也对周围的环境造成危害( 由于泥土流失而使路面塌陷，影响建筑物和路面交通安全，造成 财产损失，严重时会造成人员伤亡) 。据中国水协2 0 0 3 年统计，我国城市供水公司供水平均 损失率为1 2 - 1 3 ，我国的漏水量远大于经济发达国家，如表1 所示： 表12 0 0 3 年漏水量统计表 t a b l e ls t a t i s t i c so fl e a ka m o u n ti n2 0 0 3 国家中国意大利马来西亚日本英国德国新加坡匈牙利 单位漏水量 2 8 52 51 21 oo 8o 40 3o 2 单位漏水量= 年漏水量( 3 6 5 x 2 4 管长) ，m 3 h k i n ，即为单位管长单位时间的漏水量 近几年来，我国供水漏损率有增无减，据中国水协对全国5 9 3 个城市的调查，2 0 0 3 年 全国自来水平均漏损率为1 5 6 ；有关部门公布的对全国4 0 8 个城市的统计显示，2 0 0 4 年我 国城市公共供水系统管网漏损率平均达2 1 5 ，个别城市更是高达3 0 以上。按照这一漏损率 推算，全国城市供水年损失近1 0 0 亿立方米，相当于北京市2 0 0 5 年用水量的1 3 倍。 在近百亿立方米水资源哗哗付诸东流的同时，近2 3 的城市在喊“渴 。据统计，全国 6 6 9 个城市中，有4 0 0 多个城市供水不足，日缺水量1 6 0 0 万立方米，年缺水量约6 0 亿立方 米，平均每年因缺水影响工业产值2 0 0 0 多亿元。2 0 0 6 年我国南方地区持续干旱少雨，城市 供水告急，至5 月底全国有1 1 个省( 自治区、直辖市) 的上百座县级以上城市供水短缺；八 月份，多年罕见的高温使各城市用水急剧上升，部分城市出现供水紧张，被迫限时供水。 根据建设部城市供水行业2 0 0 0 年技术进步发展规划，一类自来水公司供水损失率低 于7 8 ，从上面有关部门的统计数据看，我国目前城市公共供水系统管网漏损率远远超过了 规定指标。因此，在提倡全民节约用水的同时，开发新的水资源、研究降低供水系统管网漏 损率是十分必要的。近年来，国内外相关部门及科研机构都在加大对地下水源及供水管道漏 水探测新方法新技术的研究力度，并开发了以仪器检测为核心的漏水探测技术。 目前我国大部分供水公司在管道维修中广泛采用听音检测法，主要包括：直接听漏法， 地面听漏法，打钎听漏法。该方法原理简单、操作方便，但存在许多无法克服的缺陷：可靠 性低、抗干扰能力差，需要工程技术人员具有丰富的实践经验。针对听音法存在的问题，国 内外研究机构提出了基于相关时延估计的漏点检测定位技术，并设计出了相关仪器设备阳1 。 基于上述情况，该论文立足于较高的起点，提出采用目前业界流行的嵌入式实时操作系 统z c o s i i 在d s p 平台上开发研制地下水管道泄漏点定位系统，通过对该领域理论及实际相 关问题的研究探讨，希望能使该项研究成果为进一步研发具有自主知识产权的地下管道泄漏 点的定位仪器提供良好的理论和实验基础。 本文所做的主要工作： 1 介绍管道漏水点相关算法定位原理。 2 漏点定位系统的总体结构及各部分硬件电路的设计实现。 3 基于d s p 的i i r 滤波器及相关时延估计定位算法设计。 4 嵌入式实时操作系统, u c o s i i 在d s p 上的移植。 5 总结论文的研究结果及存在的问题，并对后续工作提出建议。 2 管道漏水点定位原理 ( 一) 管道漏水声发射原理及漏水声信号的传播特性 流体输送管道( 如铸铁管、塑料管等) 的管壁一般都是弹性体，泄漏发生时，流体受压 力作用会在泄漏处形成多相湍射流，它不仅使流体的正常流动紊乱，而且与管道相互作用诱 发应力波。实验表明，这种应力波可以在管壁内传播，它的频谱很宽，既包含声频成分，也 包含超声成分。但是由于管壁的阻尼作用，只有某些频率的波才能传播较远的距离，这与管 道振型有关。 自来水管道漏水是一种承压状态下的水射现象瞄1 ，当自来水管道有漏水发生时，水在压 力的作用下沿断裂口向外喷射，由于压力水与管道裂口缝隙间的摩擦引起喷射声音，形成了 泄漏声信号。由于冲击空隙产生水流回旋式的震动，有时管道裂口震动而引发管道其它部位 的附加扰动，并且自来水管道多为地下埋设管道，使得漏水声音本身具有多变性和复杂性， 漏水音会因管道材质、管道直径、管道厚度、水压、漏水孔的形状等因素的不同，在音量和 音质上有明显差别，而且声波的频率往往不是单一的，因此不可能用准确的数学模型来描述。 管道漏水声信号频率范围主要集中在5 0 - 3 0 0 0 h z 之间1 ，铸铁管道漏水声信号频率主要 集中在1 0 0 0 2 0 0 0 h z 之间吲，非金属管材中形成的漏水声信号频率范围为1 0 0 - 7 0 0 h z 曲】。管 道泄漏声信号的传播速度是影响相关检测定位系统可靠性和检测精度的重要因素，与泄漏声 信号的频率特性一样，泄漏声信号的传播速度与管道漏点特征、管材、管径，管道流体流量 表2 不同管材下漏水信号的传播速度 t a b l e 2 s p e e do fl e a ks i g n a li nd i f f e r e n tm a t e r i a l 管材内径m m鼙厚m m传播速度( m s ) 钢管1 0 01 01 3 1 0 钢管 1 0 02 0 9 9 0 铸铁管 1 0 01 01 2 8 0 铸铁管1 0 02 09 9 0 铅管1 0 01 07 4 0 p v c 管1 0 01 03 6 0 3 和压力以及管道周围介质等因素有关，表2 t 6 j 列出了我国应用较多的几种管材中漏水声信号的 传播速度。 ( 二) 漏点定位方法 管道发生泄漏时，泄漏发出的声音信号就会沿着管壁向管道两端传播，管道的相关检漏 法是指利用两个传感器拾取漏点发出的声波，对这两路声波信号进行互相关分析；其工作原 理如图1 1 所示： 传感器1传感器2 吕!吕 l 一 厶 一 l 图1 1 漏点定位原理框图 f i g 1 1d i a g r a mo f w a t e rl e a kl o c a t i o n 其中传感器1 和2 分别采集的信号模型如下式1 ： xl(n)s(n)+nl(n)x2a s ( n + 以：。) ( 1 1 ) + 以2 0 ) 、7 式中，s 0 ) 为泄漏信号，订，o ) 和厅：o ) 为干扰信号。为了处理数据方便一般认为泄漏信 号与噪声信号不相关；噪声信号之间完全不相关；口为衰减因子n 帕n ，表示泄漏信号由于传 输距离的不同而造成的不同能量损失，一般取a = 1 ；a t 为泄漏信号到达布置在漏点两侧管 道上传感器的相对时间延迟n 羽。 缸可以通过两个采集点采集的信号( t o ) 、x 2 ( t ) ) 的互相关函数确定，取足够长的时间间 隔t ，则x 1 ( t ) x 2 ( t ) 间的互相关函数为： ：p ) = ( 1 t ) f o _ ( f 扛z o + r 灿 ( 1 2 ) 由疋函0 ) 一r 关系曲线的峰值位置就可以确定f 值。 l 。= 仁+ v a t ) 2 ( 1 3 ) l 6 = 以- v a t ) 2 ( 1 4 ) 其中，l 为两传感器问的管道长度；v 为泄漏信号的传播速率。所以只要估计出时延，在己 4 知传输媒质，也就是已知传播速度的情况下，可以直接定位漏点。如果泄漏点在两个采集点 的两侧，则相对时延f 满足la ti = l v ，漏点的位置虽然不能确定，但是可以判断出泄漏点在 两个采集点的外侧n 司。 5 二系统总体结构及硬件原理 ( 一) 系统总体结构 本系统采用两个带放大电路的压力传感器从管道壁上接收漏水声音信号，送入由c c 4 0 5 2 芯片组成的音量调节电路，经过音量调整的声音信号经模数转换电路采样后变成数字序列， 本系统中的核心处理器t m s 3 2 0 v c 5 4 1 6d s p 芯片负责对两路采样序列进行滤波，以及相关性 分析，得到的处理结果由单片机负责控制显示在液晶屏上n 4 1 。图2 1 为系统硬件总体结构框 图n 田。 探 头 a 探 头 b 图2 1 系统总体结构框图 f i g 2 1s y s t e ms t r u c t u r ef r a m e ( 二) 主要功能模块设计 1 模数转换电路与d s p 的接口设计 ( 1 ) d s p 的多通道缓冲串口( m c b s p ) t m s 3 2 0 v c 5 4 1 6d s p 芯片提供了三个多通道带缓冲的串行接口( m c b s p ) ，具有高速、全 6 双工、支持多种数据格式等优点，并有多通道数据的收发、肛律和觯数据压扩处理等功能， 可以用于与其它d s p 器件、编译码器或其它串行接口器件通信n 引。 m c b s p 由数据通道和控制通道组成，c p u 通过内部外设总线对m c b s p 数据通道内部寄 存器进行访问，从数据接收寄存器( d r r 【1 ，2 】) 中读取数据，向数据发送寄存器a ( d x r 1 ，2 】) 中写 数据。数据从b d r 脚输入d s p ，首先存放在接收移位寄存器( r s r 1 ，2 】) 中，当一个完整的字 接收完毕后，结果将被复制到接收缓冲寄存器( r b r 1 ，2 】) ，再由r b r 1 ，2 】复制到d r r 1 ，2 d p ， 供c p u 访问。写操作与读操作相仿，数据首先写入d x r 1 ，2 】，然后送入发送移位寄存器 ( x s r 1 ，2 】) ，通过b d x 引脚移位输出。发送和接收部分相对独立，可实现全双工通信。m c b s p 在成功发送和接收数据后，给c p u 发送消息，通知及时进行数据处理。 ( 2 ) a d - d a 转换器t l v 3 2 0 a ic 1 0 n 羽 t l v 3 2 0 a i c l 0 是1 1 公司生产的一种将a d 和d a 转换功能集成在一起的模拟接口芯片 ( a i c ) ，它采用一技术在低成本下实现高精度的a d 和d a 转换。整个a i c 由一对1 6 比特同步串行转换通道组成，内含抽取滤波器、插值滤波器，当使用f i r 滤波时，最高采样 频率为2 2 k s p s 。它支持多种数据传输模式，可通过串行口或直接配置接口( d c s i ) 对寄存器 编程，控制工作方式、采样率、输入输出增益等，并且可与t m s 3 2 0 c 5 4 x 系列d s p 多通道 缓冲串口( m c b s p ) 直接串接通信。 t l v 3 2 0 a i c l 0 有主从两种工作方式，由引脚m s 电平决定。当m s 为高电平时，芯片 工作在主设备方式，此时帧同步信号引脚f s 和串行数据时钟引脚s c l k 为信号输出端。当 肘s 为低电平时，芯片工作在从设备方式，数据传输由输入的f s 和s c l k 信号同步。 t l v 3 2 0 a i c l 0 支持主通信和辅助通信两种通信模式，主通信用于正常的数据传输，发生在每 个数据转换期间；辅助通信用于控制寄存器的读写，对a i c 电路进行参数设置，只有在被请 求时才会发生。主通信的一帧1 6 位串行数据都用作数据传输，数据格式由其内部寄存器的特 定位决定，缺省为1 5 + 1 b i t 传输格式。 t l v 3 2 0 a i c l 0 由5 个控制寄存器控制，其中，控制寄存器0 是无操作寄存器，辅助通信 中对它的访问不改变其它寄存器的设置；寄存器1 控制软件复位、d a c 的数据格式选择以及 抗混叠滤波器、抽样滤波器、插值滤波器使能旁路选择；寄存器2 决定工作方式和采样速率； 寄存器3 控制软件关电、模拟及数字信号反馈和事件控制模式选择、a d c 的数据格式选择： 寄存器4 为输入输出通道增益控制。对t l v 3 2 0 a i c l 0 芯片的初始化就是根据要求在辅助通信 期间对控制寄存器1 - - , 4 进行适当设置。 7 ( 3 ) 接口电路设计 本系统采用了a i c 主控模式，即由一片a i c l 0 作为s p i 通信的主设备，d s p 芯片作为从 设备，主设备为从设备提供帧同步信号f s 及数据接收和发送时钟，控制数据的传输过程n 町。 负责双路信号采集的两个a i c l 0 芯片采用主从级联方式，主片为从片提供数据时钟以及由 f s d 端输出的延迟后的帧同步控制信号，主时钟由外部4 m h z 的有源晶振提供。接口部分连 接框图如图2 2 所示。 1 i v 3 2 0 a l c l0 2d s p 最小系统 t l v 3 2 0 a i clo 图2 2 双路音频信号采集电路框图 f i g 2 2d i a g r a mo ft w o - w a ys o u n ds i g n a l ss a m # i n gs y s t e m ( 1 ) d s p 芯片t m s 3 2 0 v c 5 4 1 6 - 1 6 0 本系统选用t i 公司的d s p 芯片t m s 3 2 0 v c 5 4 1 6 1 6 0 进行声音信号的滤波处理及相关性分 析。 d s p 是一种专门用于数字信号处理的微处理器，芯片内部采用程序和数据分开的哈佛结 构，具有专门的硬件乘法器，采用流水线操作，提供特殊的d s p 指令，可以用来快速的实现 各种数字信号处理算法，实时运行速度远远超过通用微处理器。本系统选用的v c 5 4 1 6 1 6 0 芯 片是一款低功耗、高性能、低成本的d s p 芯片，1 6 位定点，片内有6 4 k 字d a r a m ，6 4 k 字的 s a r a m ，1 6 k 字r o m ，适应语音通信等实时嵌入式应用的需要。 由于d s p 内部存储器的r a m 结构，掉电后其中的程序和数据将全部丢失，所以在脱离 仿真器的环境中，d s p 芯片每次上电后必须自举，将外部存储区的执行代码通过某种方式搬 移到内部存储区，并自动执行。本系统选用s s t 3 9 v f 4 0 0f l a s h 芯片作为d s p 的b o o t 存储 器，用两次下载法实现对f l a s h 芯片的在系统擦写，采用1 6 位数据空间的并行自举方式完成 d s p 的上电自举。 8 ( 2 ) fla s h 存储器s s t 3 9 v f 4 0 0 s s t 3 9 v f 4 0 0 是2 5 6 k x l 6 b i t 的c m o s 多功能f l a s h 芯片，编程和擦除需要2 7 - 3 6 v 电 压，可以与d s p 芯片直接连接。该芯片支持一万次的擦写周期，数据可以保持1 0 0 年以上。 它的编程、擦除只需向其命令寄存器写入标准的微处理器指令，具体操作由内部嵌入的算法 实现，并可以通过查询特定的引脚或数据线监控操作是否完成。典型的片擦除时间为7 0 m s ， 逐字编程时间为1 铋s 。 s s t 3 9 v f 4 0 0 芯片支持片、块、扇区擦除：待用；写禁止；读数据和产品识别等六种工 作模式，各个工作模式通过三个控制端及软件指令来区别。 s s t 3 9 v f 4 0 0 的操作不像一般的r a m 和r o m ，除了读数据的过程一样外，其它操作都 不相同，必须按照一定的顺序执行。它采用逐字写入方式编程，编程操作包括三个阶段，流 程如图2 3 a 所示。通常，在对f l a s h 进行编程之前，必须将其中待写的区域进行擦除，其片 擦除操作流程如图2 3 b 所示。 【 开始 】 i 装入数据：从 地址：5 5 5 5 j 装入数据：5 5 地址：2 a a a 0 装入数据：a 0 地址：5 5 5 5 上 在指定地址处 装入代码 j 等待内部编程 时间 j 完成一个字的 写入 上 结束 图2 3 a 编程操作流程图 f i g 2 3 at h ep r o g r a m m i n gf l o w c h a r t 9 图2 3 b 片擦除揉作流程图 f i g 2 3 bt h ec h i pe r a s ef l o w c h a r t ( 3 ) 最小系统构成m 1 1 图2 4 为本系统中实现声音信号滤波处理及相关性分析的d s p 最小系统结构框图： d v d d a ( t t - 0 )a ( 1 7 - 0 ) t p s 7 3 3 3 q o u t - - - - - - - t p s 7 3 0 1 o u t r c v d d d ( 1 5 - 0 ) d o ( 1 5 - 0 ) 面砭 仿真可而 爿- r l j t 舱插口b 一 测试 o f f 引脚r 矿 ( 卜 丽 v c 5 4 1 6 - 1 6 0s s t 3 9 v f 4 0 0 图2 4 最小系统框图 f i g 2 4t h em i n i m u ms y s t e md i a g r a m d s p 通过j t a gk l 与计算机进行数据交换，在仿真测试阶段主要采用这种方式在c c s 平台 上调试用户程序，将最终完善的用户程序下载到最小系统板上的f l a s h 芯片中。根据图2 4 中 d s p 与f l a s h 芯片的连接关系可知，f l a s h 芯片映射在d s p 的外部数据存储空间，d s p 对f l a s h 芯 片的访问以及上电自举过程都需要对相应的数据空间进行操作。 本系统中，漏水声音信号经放大、a d 采样，转换为数字信号送入d s p 中，在d s p 内部设 计算法，实现对采样信号分八级滤波：其中低端和高端分别采用低通和高通，中部频带采用 带通设计。经过滤波的两路声音信号再进行相关运算，分析相关结果确定管道泄漏点位置， 得到的分析结果提供给后续的显示电路使用。d s p 最小系统主要工作就是完成漏点定位系统 最核心的数据处理任务以及实现用户程序的上电自举。 3 控制及显示电路 经d s p 处理得到的数据由主机接口( h p i ) 发送给主机( 单片机) ，单片机根据键盘的输 入命令，对数据进行适当调整，并将处理结果在液晶屏上按要求格式显示出来。 ( 1 ) d s p 主机接口h p i h p i 端口，即主机接口h o s tp o r ti n t e r f a c e 的简称，是用于h p i 高速并行双向通信的端口。 h p i 作为d s p 的片上资源，使用c p u 的时钟，d s p 此时就相当于一个全自动的双口r a m 。 用户只要在端口上设置地址和简单的控制信息，就可方便地访问d s p 的片内存储单元。另外， h p i 还提供了中断源，以中断方式与主机进行通信。 h p i 口由地址寄存器( h p i a ) 、控制寄存器( h p i c ) 、数据寄存器( h p i d ) 以及h p i 控 l o 制逻辑组成。通过h p i 口进行数据读写需要三个步骤：设置控制寄存器，写地址寄存器，读 写数据寄存器。 使用h p i 端口，首先要在硬件上将外部设备与d s p 的h p i 端口相连。 ( 2 ) 单片机控制及显示电路设计 本系统中，选用a t 8 9 c 5 1 单片机作为主机，采用端口方式直接访问h p i 口。考虑到电平 匹配问题，单片机需要通过双向缓冲器7 4 l v c l 6 2 4 5 与d s p 的相应引脚进行连接。 控制显示部分电路框图如图2 5 所示。 r 劝 争l 。c 。m i 毛一”一1 毛香旦藉富鎏的 键盘 一 p - o - p - t 1_一r 虽盎 n7 吕萎：吕 1 8 11a 1i 彤i l 1b 2 1 a 2 皿s l 贳 lr 0 a l e i k r o 1a 31 8 3h i 盯 骂 r 用 i | r r l p 2 o 1b 5 1 a 5 h c n t l o d s p 2 1 1b 61 a 6 h c n t l l 加0 - a d 7 单片机p 2 - 2 一 1b 81 a 8 腿w 竹r p 3 6 p 0，、缝卜船82 a 1 2 a 8 j ，、 h d 0 一h d 7 1 、_ ，1 0 - ，- r d 罂三p 2 3 2 d i r c s 呈! 窒 p 3 ：5 2 0 e a 0一 p 1 5 。 d 0 一d 7 ，l v c l 6 2 4 5 d s p 3 2 0 * 2 4 0 液晶屏 图2 5 显示部分电路框图 f i g 2 5t h ed i a g r a mo ft h ed i s p l a yc i r c u i t 其中，d s l 2 8 8 7 是实时日历时钟芯片，负责提供当前时间信息；t l c 8 0 3 1 是串行a d 转 换器，负责采样系统中供电电池的电压值。 单片机通过p 1 0 - - p 1 4 扫描键盘，p 2 口及p 3 2 ( i n t o ) 用做与h p i 通信的控制信号， p 0 口用做主机与h p i 、液晶屏及日历时钟d s l 2 8 8 7 之间的地址数据总线。单片机根据键盘 的输入，控制液晶屏显示。各项控制功能由单片机内部编程实现( 程序见附录1 ) 。这部分电路 完成对分析结果的显示，为用户提供简单的操作方法和友好的观察界面。 1 数字滤波器的定义和分类 三i ir 滤波器的设计与实现 ( 一) i i r 滤波器的概述 数字滤波器( d i g i t a lf i l t e r ) 是指输入输出均为数字信号，通过一定运算关系改变输入信号 所含频率成分的相对比例或者滤除某些频率成分的器件，是现代信号处理系统的重要组成部 分之一乜引。与模拟滤波器相比，数字滤波器没有漂移，能够处理低频信号，其频响特性可做 到非常接近于理想滤波器的特性，精度可达到很高的水平，且容易集成。这些优势使得数字 滤波器应用于数字通信、语音与图像处理、自动控制等很多领域幢引。同时，d s p 芯片的出现 促进了数字滤波器的发展，并为数字滤波器的实现提供了更多的硬件实现平台。 从数字滤波器的单位冲击响应来看，可以分为两大类：有限冲击响应f i r ( f i n i t ei m p l u s e r e s p o n s e ) 数字滤波器和无限冲击响应i i r ( i n f i n i t ei m p l u s er e s p o n s e ) 数字滤波器。数字滤波器 按功能上可以分为：低通滤波器( f ) 、高通滤波器r ( h p f ) 、带通滤波器( b p f ) 、带阻滤波器 ( b s f ) 。 2i ir 数字滤波器结构 l i r 数字滤波器的单位冲激响应j l l 0 ) 是无限长的，传递函数h ( z ) 在有限z 平面o l z i + 上有极点存在，结构上存在着输出到输入的反馈，也就是结构上是递归型的。对于相同的设 计指标，f i r 数字滤波器所要求的阶数比i i r 数字滤波器高5 1 0 倍，成本较高，而且信号的 延迟也较大。i i r 数字滤波器所要求的阶数不仅比f i r 数字滤波器低，而且可以利用模拟滤波 器的设计成果，设计工作量相对较小，体现了其优越性。所以本文采用i i r 数字滤波器对双 路采集漏水声信号滤波。 i i r 数字滤波器的传递函数如式( 3 1 ) 所示： 1 2 酢，：鸳1 1 - 荟叩。 对应的差分方程为 y ( ，1 ) 2 荟钆工( 万一七) + 荟口t y ( - 一七) ( 3 1 ) ( 3 2 ) 酢，2 筝n 芬mz 屯亭咀舡， ” 其中日t ( z ) 2 荟阮z 。 h ：( z ) ， 1 - 荟叩。 式( 3 3 ) 的框图与运算结构如图3 1 所示，是先实现零点再实现极点。 i i r 数字滤波器的系统函数也可以写为 m h 0 ) = 荟z 七 ， 一罱 1 1 一荟口t z 1 一荟口t z 一 ( 3 4 ) ( 3 5 ) 罗钆z 一一h ：0 ) h ，0 ) ( 3 6 ) 局 式( 3 6 ) 的框图与运算结构如图3 2 所示，是先实现极点再实现零点。图3 1 与图3 2 都称为i i r 系统的直接i 型。 1 3 型 酽怔乎型 互p 叫互丑型 工仰， 1 7 0、y 2 ) y l ， -k ， z 。1 1 z 一1 b 1 。 口1 z 一1 1， 1lji 、 也、 z 一1 j 口2 e ：习b m - 1i 田i a n - i i 矿 图3 1i i r 系统的直接i 型 f i g 3 1d i r e c tf o r m1o fi i rs y s t e m jl 77 j l ，r 1 7 z 一1z 一 r 。 口l6 l 、 jp r z 一1 z 一、 ， i 。a 2b 2。 1 r a n _ l k 4 jp ，z 1z 一1 ， 1i 1 口k。 图3 2i i r 系统的另一种直接i 型 f i g 3 2 a n o t h e rd i r e c tf o r m1o fi i rs y s t e m 从图3 2 可以看到两行延时支路的输入相同，均为y ：o ) ，将其合并为一行，得到新的系 统结构，如图3 3 所示。若m = n ，可省n 个延时器。图3 3 的结构称为直接i i 型，通常i i r 的直接形式是指直接i i 型。 图3 3f i r 系统的直接型 f i g 3 3d i r e c tf o r m i io fi i rs y s t e m 直接i i 型结构的优点是简单直观，所使用的延时器数量少。缺点是改变某一个系数和。) 将影响所有的极点，改变某一个系数慨) 将影响所有的零点。更严重的是这种结构的极点位 置灵敏度太大，对有限字长效应太敏感，容易出现不稳定现象和产生较大误差。对于三阶以 上的高阶i i r 滤波器，几乎不采用直接型结构，而是采用级联型、并联型等其他形式的结构。 ( 2 ) 级联型结构 i i r 系统的级联形式实现方法，是将h ( z ) 分解为零、极点形式，即： 1 4 酢，霉二。 1 - 荟叩。 式中，奴) 是零点：p 。) 是极点。 j w ( 1 ( 1 ( 3 7 ) 系统的零、极点有司能是复数，由于a 。，瓯均是实数，所以如果h ( z ) 有复数的零、极点， 一定是共扼成对的。把每对共扼因子合并，可构成一个实系数的二阶节。实系数单极点也可 以看成是复数的特例，可两两合并为基本二阶节。这样 日cz，：1(i=i-竿)1芝篆聋1。r 嚣m h 。， c 3 8 ， 式中【( 丛# ) 】表示对丝# 取整。将式( 3 8 ) 中每个二阶节都用前面的最少延迟结构实现， j 7 jl ，j l r7 jl r a l lz h 7 芦1 1 a 址z 一1 卢n ll ， jl ， ， j l j、 口2 1 z 一1 1 7 卢2 l ji 口甜z 。1 、 户2 i l y o ) 图3 4i i r 系统的级联型 f i g 3 4c a s c a d ef o r mo f f i rs y s t e m 级联型结构的一个重要优点是存储单元需要较少，硬件实现时，可以用一个二阶节进行 时分复用。级联型结构的另一个特点是每一个基本节系数变化只影响该子系统的零极点，因 此便于准确地实现滤波器的零、极点，也便于调整滤波器的频率特性。此外，级联型结构对 系数变化的敏感度小，受有限字长的影响比直接型低，而且改变每一个二阶节级联的先后顺 序，可以使滤波器特性得到优化，运算误差最小。 ( 3 ) 并联型结构 f i r 系统的并联型结构实现对应的是h ( z ) 部分分式形式，即 川加荟寿+ 荟印以 9 ) 与级联情况相同，把每对共扼因子合并，可构成一个实系数的二阶节。实系数单根是复 数的特例，也两两合并为基本二阶节。这样 4 一 d z z q 一吼 一 一 一 肿嚣m 器+ 警 当m n 时没有式( 3 1 0 ) 中的第二项和式。m = n 时的并联结构如图3 5 所示。 图3 5i i r 系统的并联型 f i g 3 5p a r a l l e lf o r mo f i i rs y s t e m 显然，并联结构运算速度快，各基本节的误差互不影响，还可以单独调整极点的位置， 但不能像级联型那样直接调整零点，因为子系统零点不是整个系统的零点。因此，当要求准 确传输零点时，以级联型为宜。 综合考虑以上三种结构形式的优缺点，本文采用级联型i i r 滤波器实现各种滤波功能， 用多个二阶基本节级联，每一个二阶节可采用直接i i 型结构实现，这种结构便于准确实现滤 波器的零极点，也便于性能调整。 3 数字滤波器的实现方法 数字滤波器的实现方法主要有以下两种： ( 1 ) 先设计一个模拟滤波器，然后变换成满足预订指标的数字滤波器。由于模拟滤波器 的设计方法很成熟，有许多简单和现成的设计公式，设计参数已经表格化，因而这种方法比 较方便。 ( 2 ) 计算机辅助设计方法，这是一种最优化的设计方法，先确定一种最佳规则，然后求 在此规则下滤波器系统函数的系数。 本文采用m a t l a b 软件设计数字滤波器的系数，对数字滤波器进行仿真，用d s p 来实现滤 波算法。 1 6 ( 二) l lr 滤波器在m a t l a b 上的设计 1b u t t e r w o r t hl ir 滤波器的m a t l a b 设计与仿真 与f i r 滤波器的设计不同，i m 滤波器设计时的阶数不是由设计者指定，而是根据设计者 在m a 汀i a b 平台上输入的各个滤波器参数( 截止频率、通带滤纹、阻带衰减等) ，由软件设 计出满足这些参数的最低滤波器阶数。巴特沃斯( b u t t e r w o r t h ) i i r 滤波器的m a t l a b 设计 步骤如下： 使用b u t t e r 函数 语法：【b , a = b u t t e r ( n ，w n ) ； 【b ，a = b u t t e r ( n ，w n ，f r y p e ) 。 说明：b u t t e r 函数可设计低通、高通、带通和带阻的数字i i r 滤波器，其特性为使通带内 的幅度响应最大限度地平坦，但同时损失截止频率处的下降斜度。在期望通带平滑的情况下， 可使用b u t t e r 函数。 用法： ( 1 ) 【b , a = b u t t e r ( n ，w n ) 可以设计出截止频率为w n 的n 阶b u t t e r w o r t h 低通滤波器。 o w n l ，当w n = l 时，表示0 5 f s ，f s 为采样频率。当w n = w l ，w 2 】( w l w 2 ) 二元矢量 时，得到2 n 阶通带滤波器，其通带为w 1 w w 2 。 ( 2 ) 【b , a = b u t t e r ( n ，w n , f r y p e ) 可以设计出高通或带阻滤波器。 当f r y p e = h i g h 时，可以设计出截止频率为w n 的高通滤波器； 当f r y p e = s t o p 时，可以设计出带阻滤波器，这时w n = w l ，w 2 ，即阻带为w l w w 2 ： 在使用b u t t e r 函数设计巴特沃斯i i r 滤波器之前，需首先调用b u t t o r d 函数。b u t t o r d 函数