管道运输作为一种应用非常广泛的运输方式应用于大部分行业,人们最为熟悉的便是应用在供水方面。供水管网以及相关设施的正常运行，保障了广大用户的正常权益。要保证供水管网的正常运行，及时地掌握管网的运行数据和运行状态是非常重要的^[1]。通过实时检测管网的运行数据，可以判断管网运行状态的正常与否，而且通过对数据的分析研究，还可为管道泄漏检测提供依据。

    本文在介绍管道运行状态数据监测系统的基础上，重点阐述了一种应用于该系统的多路巡检仪，主要包括控制核心STC89C52单片机、多路模拟选择开关CD4051、电流/电压转换芯片RVC420、A/D芯片MAX1241以及串口通信、无线通信、按键及显示等部分组成。

1 系统总体方案

    对供水管网进行实时监测，数据采集是整个系统的重要环节，是测控系统中不可或缺的部分。本系统的数据采集、显示及传输由所设计的智能巡检仪实现，它是一种功能齐全的智能二次仪表，不仅能够对流量、压力、温度等信号进行采集，还能够进行显示及必要的人机对话。通过巡检仪可以对输入的多路信号进行巡回检测，同时将信息通过无线网络传输到上位机。

    通过功能分析可知，完整的管道运行监测系统包含三部分，即数据采集部分、数据传输部分和上位机监控部分。系统的整体设计方案如图1所示。

    在数据采集部分，设计了多路巡检仪。针对管网现场测量采集物理量的不同，分别选用不同类型的传感器。多路巡检仪通过选择通道采集不同的传感器的信号，并进行循环采样，然后对采集到的信号进行处理，使这些信号统一成能被单片机处理的标准信号。

    多路巡检仪不仅可以对信号进行处理、显示，还可以通过无线网络将采集到的信号发送到监控系统，以方便进行实时监测^[2]。当需要对仪表进行数据存储的读取和程序更改时，采用串口通信的方式对巡检仪程序进行更改或者数据的读取。

2 多路巡检仪的设计

    多路巡检仪的控制核心采用STC公司的高性能低功耗微控制器STC89C52单片机。现场的信号由一次仪表(如压力传感器、温度传感器、流量传感器等)采集，得到的信号为4~20 mA电流信号，因为单片机不能直接处理测量到的电流信号，所以要对采集到的信号进行预处理，将电流信号转化成为可以被单片机识别处理的电压信号。巡检仪的总的系统结构框图如图2所示。

    电流/电压转换采用美国RURR－BROWN公司生产的精密电流环接收器芯片RVC420，将4~20 mA输入信号转换成为0~5 V输出信号^[3]。该芯片中集成了一个高级运算放大器、一个片内精密电阻网络和一个精密10 V电压基准。它的总转换精度为0.1％，共模抑制比CMR达86 dB，共模输入范围达±40 V^[4]。同时，RVC420的接口电路比较简单，不需要其他的外围器件辅助，就能实现诸多功能。增益、偏置和CMR无需调节，较之由分立器件设计的印制板电路，RCV420具有更低的开发成本、制造成本和现场维护费用，具有很高的性能价格比。电流/电压转换电路如图3所示。

    为了实现多路巡检仪不同路信号之间的选择切换，选用CD4051芯片。它是一款单8 通道数字控制的模拟开关，芯片有A、B、C  3个二进制控制输入端。EN端为使能端，当EN端为高电平时所有通道截止；只有使能端为低电平时，芯片才工作，才能够从8 个通道选择其中一个通道，将该输入端连接至输出。芯片的A、B、C这3端口分别接在单片机的P1.0、P1.1、P1.2端，通过程序的选择实现对X0~X7八路信号的选择切换。多路信号选择电路如图4所示。

    通过模拟开关选择输入的信号，经过A/D转换电路的处理后发送给单片机进行后续的运算处理等操作。在选择A/D转换芯片时，为了降低数据的转换误差并确保采集数据的准确性，选用MAX1241芯片，它是一款低功耗、低电压的12位串行ADC。A/D转换电路如图5所示。

     芯片的1口为电源输入端， 它的工作电压为+2.7 V~+5.2 V之间；2口为信号输入端，输入的模拟电压为经过I/V转换的0~5 V的电压信号；3口为节电方式控制端，让其节电起作用时此端口置以高电平或者悬空；4口作为参考电压的输入端，置电源电压；5口为模拟、数字地，将其接地处理；6端口为经过处理后的串行数据输出，将处理后的数据发送给单片机的P1.5口；7口作为芯片的选通接口，接单片机的P1.4口；8口为芯片的串行输出驱动时钟输入，接单片机的P1.3口，通过此口产生驱动脉冲SCLK。

3 数据传输设计

    仪表的通信分为串口通信和无线通信两种方式，当对仪表进行测量设定和存储数据读取时，采用串口通信方式；当仪表进行实时数据传输时采用无线通信方式。

    串口通信程序编写简单，硬件接口简单，而且用电脑显示相关的调试信息，不需要借助其他外部硬件，可以很方便地进行程序调试。当系统程序需要升级更新时，可以通过串口进行更改。

    仪表采用通用型的无线数据传输模块，将处理后的现场信号发送到上位机监控系统，无线通信电路如图6所示。仪表通过TTL电平的UART接口与无线模块连接^[5]。同时通过单片机的P1.6和P1.7端口控制模块的休眠与工作状态。

    单片机控制系统包括显示部分、按键控制等部分，通过单片机的P0口与P2口实现。

    本文从供水管网运行数据实时监测的要求出发,设计出一种基于无线通信的低功耗、高精度的智能巡检仪。该巡检仪可以采集管道运行过程中的压力、温度、流量等基本参量。多路巡检仪未用到的几路可以进行扩展，进行其他参量信号的采集。通过串口可以很好地对系统程序加以更新改进，无线通信方式的使用提高了数据采集的灵活性。同时对该系统进行适当的改进还可以应用在其他方向。

参考文献

[1] 李忠虎,郭卓芳.供水管道泄漏检测与定位技术应用研究[J].化工自动化及仪表，2011,38(4):388-391.

[2] 候毅,柴艳丽,叶威.基于无线通讯的低功耗温度巡检仪设计[J].计测技术，2010,30(2):19-22.

[3] 钟佳迅,庹先国，王洪辉,等.高精度地下水位监测仪[J].仪表技术与传感器,2012(9):15-17.

[4] 陈荣, 王玉彬.一种新颖的I/U 精密变换电路[J].仪表技术，2003(5):44-47.

[5] 付华科,任子晖,李伟泺.基于单片机的矿井瓦斯浓度及温度监测系统设计[J].仪表技术与传感器, 2010(7):87-91.