基于GPS授時及時鐘細(xì)分的管線破壞定位

3.3時鐘細(xì)分
GPS時間信息與秒脈沖同步，每秒發(fā)一個脈沖，若接收時刻處于兩相鄰秒脈沖之間時，僅讀取GPS UTC時間會產(chǎn)生較大誤差，為使定位更加精確，對時鐘進(jìn)行了細(xì)分。C8051F020單片機(jī)16位定時器有高字節(jié)和低字節(jié)兩個寄存器，計(jì)數(shù)最大可以達(dá)65536，經(jīng)編程使每個機(jī)器周期為20μs，定時時間可以到1.31s，足以完成在每秒中斷內(nèi)的時間定時。賦值高字節(jié)數(shù)據(jù)給變量timerH，低字節(jié)數(shù)據(jù)給變量timerL，經(jīng)過處理換算為十進(jìn)制數(shù)值即為計(jì)數(shù)個數(shù)，再乘以20μs可以得到準(zhǔn)確的秒內(nèi)定時時間，賦值給一個存儲定時時間的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)timerTime，精度可達(dá)到20μs。圖4為時鐘同步與細(xì)分時序圖，C8051F020程序流程圖如圖5所示。

圖4 時鐘同步與細(xì)分時序圖

圖5 核心處理單元程序流程圖

時鐘細(xì)分的工作過程為： C8051F020采用中斷方式接收GPS的UTC時間信息，每秒由GPS接收器的PPS產(chǎn)生INT0中斷，響應(yīng)中斷后，在INT0 中斷服務(wù)程序中，定時器先清零后啟動，以便進(jìn)行時鐘細(xì)分，同時通過UART0接收GPS時間幀信息。當(dāng)下一個PPS觸發(fā)INT0時，同樣定時器先清零后啟動，存儲時間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)更新。這樣INT0中斷周而復(fù)始，每秒中斷一次；外部INT1由專用DSP芯片的P11端口觸發(fā)，且被設(shè)為最高優(yōu)先級，如果外部INT1中斷被觸發(fā)，表示聲音識別單元已經(jīng)將破壞聲波識別成功，主程序立即轉(zhuǎn)向INT1中斷服務(wù)程序，讀定時器的高字節(jié)和低字節(jié)寄存器的數(shù)據(jù)，CPU經(jīng)過處理將時間信息與GPS時間幀合并制成時間標(biāo)簽。

3.4實(shí)驗(yàn)結(jié)果
破壞信息報(bào)文包含年，月，日，時，分，秒，精度20 s的微秒時間信息以及破壞方式特征編碼等，例如如圖6所示：20060423 085026.82366 06，表示在2006年4月23日8時50分26秒823660微秒時刻，DSC接收到來自站點(diǎn)13573100603的破壞方式編碼為06信息報(bào)文。

圖6接收的報(bào)文信息

如果DSC接收到管線上下游各監(jiān)測站點(diǎn)的報(bào)文信息，解碼提取聲波信號傳播至各站點(diǎn)的時刻后，經(jīng)程序簡單處理，對破壞方式進(jìn)行識別，并由公式(6)可以對破壞點(diǎn)進(jìn)行精確定位，理論誤差小于1m。

4結(jié)論
運(yùn)用GPS授時為基準(zhǔn)的時鐘同步細(xì)分技術(shù)，準(zhǔn)確獲得破壞特征聲波信號傳播至各監(jiān)控站點(diǎn)的時刻，通過時間標(biāo)簽的換算可以分別確定破壞點(diǎn)特征信號向上游和下游傳播的速度，然后再利用時間標(biāo)簽的差值和各監(jiān)控站點(diǎn)之間的距離即可確定管道破壞的精確位置。實(shí)驗(yàn)中取得了良好效果。在管道安全受到威脅或造成破壞之前，提前發(fā)出警報(bào)，并快速準(zhǔn)確地判定事發(fā)地點(diǎn)，使被動巡線轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃硬⒂心繕?biāo)地出擊，可有效遏制鉆孔盜竊現(xiàn)象，節(jié)約大量的人力、物力和財(cái)力，為國家財(cái)產(chǎn)安全和環(huán)境保護(hù)提供一種新的有效的技術(shù)保障。

本文的主要創(chuàng)新點(diǎn)：(1) 給出聲波沿管線不同方向傳播的速度測定方法，推導(dǎo)出實(shí)際破壞點(diǎn)定位的計(jì)算公式；(2) 將GPS授時及時鐘細(xì)分技術(shù)用于輸送管線各監(jiān)控站點(diǎn)的時鐘同步，提高破壞點(diǎn)定位精度，實(shí)現(xiàn)了對傳輸管線破壞精確定位的預(yù)警監(jiān)測。