基于GPS授時(shí)及時(shí)鐘細(xì)分的管線破壞定位

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

圖4 時(shí)鐘同步與細(xì)分時(shí)序圖

圖5 核心處理單元程序流程圖

時(shí)鐘細(xì)分的工作過(guò)程為： C8051F020采用中斷方式接收GPS的UTC時(shí)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(shí)器先清零后啟動(dòng)，以便進(jìn)行時(shí)鐘細(xì)分，同時(shí)通過(guò)UART0接收GPS時(shí)間幀信息。當(dāng)下一個(gè)PPS觸發(fā)INT0時(shí)，同樣定時(shí)器先清零后啟動(dòng)，存儲(chǔ)時(shí)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(jí)，如果外部INT1中斷被觸發(fā)，表示聲音識(shí)別單元已經(jīng)將破壞聲波識(shí)別成功，主程序立即轉(zhuǎn)向INT1中斷服務(wù)程序，讀定時(shí)器的高字節(jié)和低字節(jié)寄存器的數(shù)據(jù)，CPU經(jīng)過(guò)處理將時(shí)間信息與GPS時(shí)間幀合并制成時(shí)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(shí)，分，秒，精度20 s的微秒時(shí)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(shí)50分26秒823660微秒時(shí)刻，DSC接收到來(lái)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(cè)站點(diǎn)的報(bào)文信息，解碼提取聲波信號(hào)傳播至各站點(diǎn)的時(shí)刻后，經(jīng)程序簡(jiǎn)單處理，對(duì)破壞方式進(jìn)行識(shí)別，并由公式(6)可以對(duì)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(shí)為基準(zhǔn)的時(shí)鐘同步細(xì)分技術(shù)，準(zhǔn)確獲得破壞特征聲波信號(hào)傳播至各監(jiān)控站點(diǎn)的時(shí)刻，通過(guò)時(shí)間標(biāo)簽的換算可以分別確定破壞點(diǎn)特征信號(hào)向上游和下游傳播的速度，然后再利用時(shí)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(dòng)巡線轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)并有目標(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(guó)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?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)：(1) 給出聲波沿管線不同方向傳播的速度測(cè)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(shí)及時(shí)鐘細(xì)分技術(shù)用于輸送管線各監(jiān)控站點(diǎn)的時(shí)鐘同步，提高破壞點(diǎn)定位精度，實(shí)現(xiàn)了對(duì)傳輸管線破壞精確定位的預(yù)警監(jiān)測(cè)。