（检测技术与自动化装置专业论文）埋地金属管道杂散电流测试仪的研制.pdf

摘要 摘要 本课题是与西南油气田分公司合作的横向课题。该手持式杂散电流检测仪主 要用来采集和处理杂散电流信号，具有功耗低、自动化、设置灵活、人机界面友 好等特点。 根据实际工程需要，采用了低功耗的m s p 4 3 0 f 1 6 1 1 单片机作为核心器件。整 个系统由主控模块、数据采集模块、数据存储模块、电源模块和显示与控制模块 五部分组成，实现了数据采集、时钟读写、系统设置、液晶实时显示波形、键盘 控制、s d 卡便携式数据存储等功能。系统采用c 语言进行编程，易于维护和修改。 实践应用表明，该数据采集系统是可行的。它能够满足用户对数据采集的要求， 提高生产自动化程度，降低用户劳动强度。 关键词：杂散电流检测；嵌入式系统；数据采集 a b s t r a c t t h es t u d yi sac o o p e r a t i v ep r o j e c tw i t hs o u t h w e s to i la n dg a sf i e l dc 。m p a n y t h es t r a y 咄e i l tt e s t e ri su s e dt oc o l l e c ts t r a yc u r r e n ts i g n a l i t h a ss o m ef e a t u r e ss u c ha s l o w p o w e r ，a u t o m a t i o na n df l e x i b l ec o n f i g u r e t om a t c hu s e r s r e q u i r e m e n t s ，t h es t u d yu s em s p 4 3 0 f 1 6 11a sk e yd e v i c e t h e s v s t 锄c o n s i s t so ff i v em o d u l e s ，w h i c ha rec o r em o d u l e ，d a t aa c q u i s i t i o nm o d u l e ，d a t a s a v em o d u l e ，p o w e rm o d u l ea n dd i s p l a ya n dc o n t r o lm o d u l e , r e a l i z et h ef u n c t i o no f d a m a c q u i s i t i o n ，e l o c kr e a d i n ga n dw r i t i n g , s y s t e mc o n f i g u r a t i o n , k e y b o a r dc o n t r o l ，s d c 莉 d a t as a v i n g m o d i f ya n dm a i n t a i nt h es y s t e mi s c o n v e n i e n tb ya d o p tcl a n g u a g e p r o 霉卸m m i n g i ti sp r o v e dt h a tt h es t r a y c u r r e n tt e s t e rh a sa c h i e v e dr e m a r k a b l er e s u l tb y e x p e r i m e n t s t h et e s t e rc a ns a t i s f yt h en e e d s o fu s e r s ，i n c r e a s et h ed e g r e eo fa u t o m a t l o n a n dr e d u c et h el a b o rs t r e n g t hi ni n d u s t r i a lp r o d u c t i o n k e yw o r d s ：s t r a yc u r r e n tt e s t ；e m b e d d e ds y s t e m ；d a t aa c q u i s i t i o n u 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，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 为获得电子科技大学或其它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做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：五掣泣一日期刁年6 月叫日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：戤i 幺导师签名： 日期：矽 第一章绪论 第一章绪论 1 1 杂散电流的定义及其危害 厂自然干扰源 漉f 1 扰源仨毳 图1 - 1 杂散电流的来源 直流杂散电流对埋地金属管道的危害最大，当埋地管道对地绝缘达不到完好 程度，或者防腐层存在破损位时，由于聚流作用，杂散电流就会流入管道，并且 往往在防腐层破损集中流出管道( 即管体阳极趋向点) ，使该处管道在短时间内发 生激烈的点蚀坑腐蚀，造成穿孔泄漏。 大地( 自然) 杂散电流的低频( 近于直流) 组分对埋地管道的腐蚀危害较其 高频组分大。尽管对管道腐蚀的激烈程度不如直流杂散电流，但其广泛性而且时 时存在的事实是无需质疑的，尤其是对土壤电阻率较低的地区，更不能忽视此类 杂散电流对埋地管道的腐蚀作用。 交流杂散电流对埋地管道的腐蚀作用比上述两类杂散电流要弱。有资料表明， 钢铁的交流腐蚀效应一般相当于直流腐蚀的2 ，但是，交流杂散电流对原已存在 的腐蚀活动有明显的促进或加速作用。 杂散电流由土壤流入管道的部位是阴极，管体受到保护，又从管道流向土壤 的部位是阳极，管体遭受腐蚀。对于现有的阴极保护控制系统，杂散流具有破坏 性的作用，并可能带来危险。1 安培直流杂散电流在一根钢管上流进流出，一年内 电子科技大学硕士学位论文 将导致大约1 0 公斤金属的蚀失。在煤矿井下，杂散电流还可以使雷管发生先期爆 炸。由于杂散电流的存在，地面有一定的电位差，若雷管的俩个管脚同时接触地 面时，就会有电流流过，当其电流大于雷管的起爆电流时，就会使雷管引爆。杂 散电流还会引起瓦斯爆炸，由于杂散电流的存在，金属碰撞管道时，会产生电火 花，当杂散电流值超过其引爆安培数量级时，瓦斯就会爆炸。油气田生产系统的 腐蚀非常严重。据不完全统计，仅1 9 8 9 1 9 9 2 年，中原油田单井管线腐蚀穿孔1 8 8 9 次，报废管线7 条共3 3 9 5 k m ；集油支线穿孔8 2 5 次，报废9 6 3 k m ；集油干线已 有4 7 次发生穿孔，已报废5 5 6 8 k m ；原油外输管线已穿孔2 3 5 次，报废3 5 2 5 k m 。 据统计资料显示，中原油田自开发以来，因腐蚀造成的直接经济损失累计已达5 亿元左右2 。 1 2 杂散电流测试原理 管道防护的电气测量具有一定的复杂性，因为油、气管道在土壤中的电化学 反应有多种类型。各处土壤的化学性质差异极大，表征土壤性质的多种参数随季 节、气候而变化。阳极和管道的要化、去极化随外施电流大小变化，管道涂层破 损、漏敷的随意性等等，使测量数据往往离散多变、不容易获得准确的结论b 。 国内外常用的检测技术有：标准管地( p s ) 电位测试、密间隔电位测试技术 ( c i p s ) 、直流电位梯度法( d c v g ) 、p e a r s o n 测试技术、管中电流衰减测试法、变频 选频法、直流电流一电位法等。 i， 倒也? ，i l f t l t l 7 1 h 矗 图l - 2 地表参比法测试接线示意图 杂散电流的测试，行业上一般是通过标准管地电位的测试来间接判断杂散电 流强度，主要采用的测试方法是地表参比法，其接线示意图见图1 2 。地表参比法 主要用于管道自然电位、牺牲阳极开路电位、管道保护电位等参数的测量川，通过 电位的分布数据间接判断涂层的质量状况。 2 第一章绪论 1 3 国内外研究现状 由于杂散电流所造成的电腐蚀现象己成为危及人们生产生活的重大隐患。围 绕这一课题，许多发达国家和地区等均投入大量人力物力，进行了长期、深入的 研究，采取了多方面的防护措施。 国外对杂散电流腐蚀的日常维护管理非常重视。德国柏林交通公司的做法是： 成立专业检查测量部门，共配备2 5 人，其中专业工程师1 人，长年累月、周而复 始地监察、检查庞大复杂的有轨交通网络的杂散电流防护情况，把杂散电流危害 性控制在v d e 0 1 5 0 标准规定的范围之内。在杂散电流的自动在线监测方面，国外 已经研究出了长线管道受杂散电流腐蚀的监测方法，使用了大存储量的数据采集 装置，利用计算机进行数据采集和数据分析巧1 。j e o n g h y ob a c ，y o o n c h e o lh a 等人提出一种杂散电流记录仪，利用同步测量的管地电压与杂散电流源数据，并 分析二者之间关系来评估杂散电流的影响1 。i k e d a , m a k o t o 等人设计了一种杂散 电流测试仪，用于测量铁路、水管、天然气管道的电腐蚀c 7 。 国内防腐的监测手段比较原始。根据现场调研，中石油西南油气田分公司对 输气管道防腐监测的主要工具是万用表。只有少数的几台进口在线监测仪器，价 格非常昂贵，只供科研人员使用，没有应用于日常监测中。 国内外主要杂散电流测试仪有英国雷迪公司( r a d i o l o e a t i o nc o m p a n y ) 的 r d - 4 0 0 p c m ( 价格大约3 0 万) ，加拿大c a t h o d i ct e c h n o l o g yc o m p a n y 的s m a r t l o g g e r ( 价格大约4 0 万) ，深圳鸿昌滨江电子仪器有限公司的h c 0 6 9 ( 价格大 约7 万) 以及中科院金属所的s c m 2 0 0 b 。表1 1 对s m a r tl o g g e r ，h c 0 6 9 和 s c m 2 0 0 b 的功能做出比较。根据表1 - 1 ，产品的说明书，以及仪器现场使用的情 况，可以得出下列结论。 从给出的说明书资料来看，国外知名厂商生产的设备功能比较强大。从技术 角度来说，可以视作是d c v c r + c i p s + g p s + 分析软件的组合，但这种强大的功能是 以昂贵的价格作为代价的。即使是批量采购，仍将是一笔不小的费用，同时在操 作培训和售后服务等方面会碰到一些困难。 另外，从现场实际使用加拿大c t 公司的s m a r tl o g g e r 和英国雷迪公司的 r d - 4 0 0 p c m 管道电流测绘系统的情况来看，有些功能在实际应用中不能令人很满 意。根据多次施工现场使用经验，可以比较客观地分析这两台仪器的优缺点。s m a r t l o g g e r 的优点是能够长时间的存储直流杂散电流测试数据、能够设定测试时间以 进行自动测试以及能够将测量数据显示在屏幕上，具有一定的直观性。但该设备 电子科技大学硕士学位论文 存在采样频率过低以致难以判断管线交流杂散成分的影响程度、采样率过低且数 据不能以波形显示、缺乏高效的数据处理方法以及价格昂贵等缺点。这些缺点严 重限制了该设备在管道杂散电流测试和分析中的应用。r d 4 0 0 p c m 管道电流测绘 系统在实际应用中能够寻找管道绝缘层的破损点，并且具有较高的准确度，非常 适合管道局部破损点的检测。但该设备无法测量管地电位，因此无法判断管道杂 散电流的严重程度。在评估长距离管线阴极保护状况时，仅用该设备，工作量非 常大。因此，应该和其他杂散电流测试设备配合使用。 表1 - 1市面上现有仪器功能比较 杂散电流测试设加拿大c t 公司 深圳鸿昌中科院金属所 备功能s m a r tl o g g e r公司h c 0 6 9s c m 2 0 0 b 1 、管地电位长时 具备具备具备 间测量 2 、大地电位梯度 不具备 不定具备 测量 3 、数据的分析处 不定具备具备 理 4 、多采样点同步 具备具备不具备 测量 5 、管道腐蚀状况 不具备具备不定 自动评估 6 、交流杂散干扰 不具备不具备不具备 电流测量 7 、测量数据现场 不具备不具备不具备 图形显示 8 、排流效果评估不具备不定具备 9 、来源分析及排 不具备不具备不具备 流建议 1 0 、自动生成分 不具备不具备不具备 析报告 。1 、商品化生产， 得到市场检验 具备不定具备 4 第一章绪论 国内厂家生产的测试仪中，中科院金属所s c m 一2 0 0 b 价格相对较便宜，而且 自带数据处理软件。但从所提供的说明书来看，该设备主要用于直流杂散电流的 分析，不能用于交流杂散电流的测量，而且也不能直观地显示数据、多台设备同 步触发运行和进行杂散电流来源分析。深圳鸿昌滨江电子有限公司的产品实质上 只是一个具有数据存储功能的数字式万用表，价格比较贵，性价比很低。 综合以上分析，现有杂散电流检测普遍设备功能单一，价格昂贵，而且软件 功能简单，与其他系统之间不能实现资源共享，造成严重的资源浪费。目前市场 上缺少功能强大价格合理的杂散电流自动检测系统为运行维护部门提供准确可靠 的杂散电流腐蚀情况，服务于设备维护工作。 1 4 课题的研究内容 综合考虑目前杂散电流腐蚀防护和检测的现状及存在的问题，本文的旨在开 发一个功能强大、使用方便、价格低廉的杂散电流测试仪，以方便地进行杂散电 流的危害分析评估。 第二章首先讨论了数据采集的技术基础。首先根据奈奎斯特采样定律分析频 混产生的原因及消除的办法。然后讨论数据采集系统的工作原理及设计原则，探 讨将数据采集系统理论应用于杂散电流检测的方法。最后简单介绍了杂散电流测 试仪的开发平台。 第三章根据实际需求，划分上、下位机功能，比较各种方案的优缺点，确定 了杂散电流测试仪的总体设计方案。 第四章详细介绍了杂散电流测试仪下位机的硬件设计。 第五章详细介绍了杂散电流测试仪下位机的软件设计，给出了一部分软件流 程图，并规定了数据存储格式及上位机通信协议。 第六章是系统调试结果及现场应用情况。 结论与展望部分对本文主要工作进行了总结，并提出系统改进的方案。 5 电子科技大学硕士学位论文 第二章数据采集技术基础 2 1 数据采集的基本理论 2 1 1 数据采集的基本过程 将模拟信号转换为数字信号、并进行存储和显示的过程称为数据采集，而将 完成数据采集功能的系统称为数据采集系统( d a t a a c q u i s i t i o ns y s t e m ) 。数据采集系 统的主要任务是将采集到的模拟信号源的信号转换为数字信号，以便于后级电路 的分析或传输。这些模拟信号源一般是真实世界中的质量、压力、温度、应变等 各种物理量经过传感器或变送器变换后得到的电信号。模拟信号转换成数字信号 后对原始信号的精度及完整性的保留程度是评价数字采集系统性能的最重要的标 准。一个典型的数据采集系统结构框图如图2 1 所示峭j 。 图2 1 数据采集系统 传感器虽然能够将物理量转换为电信号，但其输出往往不能直接满足a d 转 换器对输入信号的要求，信号调理电路将被测的模拟信号或数字信号通过放、滤 波等功能变换为适合a d 转换器要求的信号。信号调理电路主要包括信号放大或 衰减、信号隔离、滤波、激励、线性化、多路转换等。 a d 转换器电路的功能是将放大器输出的模拟信号转换为数字信号。a d 转 换器是采样通道的核心，是影响数据采集系统采样速率和精度最主要的因素之一。 定时与时序控制电路用来控制信号调理、放大器、a d 转换器等单元。m c u 通过控制时序逻辑控制电路可以实现对信号调理、采样保持、a d 转换电路的控 制。 6 第二章数据采集技术基础 2 1 2 奈奎斯特采样定理 连续信号厂( f ) 的采样信号z ( f ) ，可以用厂( f ) 和单位冲激每( f ) 相乘来得到【9 】： z ( f ) = f ( t ) s r ( f ) = 厂( ) 万( t - k t ) k = - - = f ( k t ) 8 ( t - k t ) 2 “ ( 2 1 ) 其中，t 是单位冲激串的周期，也就是z ( ) 中的样本间隔。 设厂( f ) 与z ( f ) 的傅里叶变换分别为f ( j r o ) 和f ( j r o ) ，即 厂( f ) h ，( _ ，国) f a t ) 卜一cu 彩)(2-2) 而 磊( f ) h ( 国) = 等8 ( r o - n r o o ) 1 ”“ ( 2 3 ) 根据频域卷积定理： 1 f 。( j r o ) = 寺f ( j c o ) 拳氏( 彩) = z f ( j ( o ) 宰8 ( r o - n r o o ) 上 = = i 1 f j ( r o - n r o o ) ”1 ( 2 一- 4 ) 这是一个非常重要的结论：时域的离散化，造成了频域的周期化。图2 2 表示 对连续信号厂( f ) 采样，从而使其采样信号f ( t ) 的频谱f ，( j r o ) 周期化的过程。 从图2 - 2 可以看出，如果信号厂( f ) 是带限的，即当俐 时，f ( j r o ) = 0 ，且 采样频率足够高，即c o o 2 ，则在周期化后的频谱e ( 歹国) 中，各周期的频谱就 不会重叠。这样，只要将采样信号l ( t ) 通过一个合适的低通滤波器，就可以从 只( j c o ) 中取出f ( j r o ) ，即从l ( t ) 完全恢复原来的连续信号f ( t ) 。 反之，如果f ( t ) 不是带限的，即其频率成分延伸到无限宽；或者，即使f ( t ) 是 带限的，但采样频率不够高，则采样后，f 。( j r o ) 中各周期的谱就会交叠，如图2 3 所示。在这情况下，就无法从f ( j r o ) 中取出f ( j c o ) 。也就是说，无法从采样信号z ( f ) 完全地恢复原来的连续信号f ( t ) 。 7 电子科技大学硕士学位论文 从以上的分析可以得出如下结论： 对于当l f i 厶f 厶时，f ( j a ) ) = 0 的带限信号，由间距不大于t = 厶2 的 均匀间隔上的采样序列唯一地确定。这就是时域采样定理，也称奈奎斯特采样定 理。厶= 2 尼称为奈奎斯特采样频率。 可见，要使采样信号z ( 0 无失真地保持连续信号厂( f ) 的全部信息，首先要使 厂( f ) 通过一个截止频率为，m 的低通滤波器，滤掉原有信号中高于厶的频率成分， 使其成为一个带限信号。然后，选取高于2 厶的采样频率对其采样，以便防止频谱 的交叠而带来的信号失真。 d t 味f ， l l l 一 l 刖。 f川 一 _ 2 y o ，dr 2 r 傍 2 1 3 频混的产生 图2 2 采样信号及其频谱示意图 图2 - 3 频谱交叠示意图 采样定理严格地规定了采样时间间隔毛的上限，即五1 2 l 。如果t 。取的 过大，使互 1 2 f 。，将会发生x ( f ) 中的高频成分被叠加到低频成分上去的现象， 8 第二章数据采集技术基础 这种现象称为频混。 不产生频混现象的临界条件是z = l t = 2 f , 。或者说当采样间隔一定时，不 发生频混的信号最高频率z = 1 2 c 。 信号中相互混淆的频率为 z = 五+ 妩，( 七= 1 ，2 ，3 ，) ( 2 - - 5 ) 式中，z ，z 为能相互混淆的频率。 2 1 4 消除混频 为了消除频混，通常可以采用以下两种方法。 2 1 4 1 抗混叠滤波器 在采样前，用一截止频率为f 的消除频混滤波器，先将信号x o ) 低通滤波，将 不感兴趣或不需要的高频成分滤掉，然后再进行采样和数据处理，这样才能证采 样后的数据不发生频混。抗混叠滤波器是一个低通滤波器，应具备良好的截止特 性。比较理想的是巴特沃斯( b u t t e r - w o r t h ) 滤波器。 实际上，由于信号频率都不是严格有限的，而且实际使用的滤波器也都不具 有理想滤波器在截止频率处的垂直截止特性。实际的滤波器的衰减是从截至频率 到阻带逐渐增加的，而且阻带衰减也无法达到无穷大。因此，对于一个给定截止 频率的实际滤波器，以两倍截止频率采样将产生部分频谱混叠。从通带到阻带的 过渡带越陡，采样信号由频谱混叠引起的失真就越小。通常，需要用比较复杂的 滤波器得到较陡的过渡带和较高的阻带衰减，这样的模拟滤波器实现比较困难。 另外，随着过渡带陡度的增加，相位响应变得更加非线性，这又引起了采样信号 的失真，因为信号通带内相位的失真引起信号不同频率分量产生不同的延时，造 成信号的失真【1 0 1 。 2 1 4 2 过采样 根据奈奎斯特采样定理，需要数字化的模拟信号的带宽必须被限制在采样频 率z 的一半以下，否则将会产生混叠效应，信号将不能被完全恢复。这就从理论 上要求一个理想的截频为z 2 的低通滤波器。实际中采用的通频带为0 z 2 的 低通滤波器不可能既完全滤掉高于的z 2 的分量又不衰减接近于z 2 的有用分 量。 9 电子科技大学硕士学位论文 因此实际的采样结果也必然与理论上的有差别。如果采用高于，的采样频率， 如图2 - 4 中为2 f ，则可以很容易用模拟滤波器先滤掉高于1 5 z 的分量，同时完整 保留有用分量。采样后混入的界于o f 1 f 之间的分量可以很容易用数字滤波 器来滤掉。这样输入模拟滤波器的设计将比抗混叠滤波器简单的多。但是采用这 种方案要付出的代价是，同样的输入信号条件下，需要更高的采样频率，这就对 a d c 提出了更高的要求l l 。 2 2a d c 的工作原理 2 2 1 模数转换的过程 图2 4 过采样示意图 模拟量转换为数字量通常分成三个步骤进行。这就是采样保持、量化与编码， 如图2 5 所示。连续的模拟信号x ( f ) ，按一定时间间隔t s 采样- 保持后得到台阶信 号t ( f ) ，在经过量化变为量化信号( 以) ，最后编码转换为数字信号x 0 ) 。在现 代a d c 器件中，这三个步骤一般合起来在一个器件中完成【1 2 1 。 1 0 第二章数据采集技术基础 震侏臻l l 工。( f i 照化 l i 工4 伽z r 滴鹳 l - 2 2 2 采样保持 x ( x ：( 图2 5 数据采集过程 采样保持电路的基本功能是在某一时间内通过模拟开关对连续的输入模拟信 号进行采样，并使采样值保持不变，直到下一次重新采样信号或信号处理完毕为 止。采样保持电路对a d 转换系统的精度起着决定性的影响。a d c 位数越多，对 既定变换时间而言，所能直接处理的正弦输入信号频率就越低。对于转换时间为 2 0 比s 的1 2 位a d c ，只能处理频率不高于1 h z 的信号。 在数据采集系统中，采样保持器主要起以下两种作用： ( 1 ) 稳定快速变化的输入信号，以利于模数转换器把模拟信号转换成数字信 号，以减少采样误差。 ( 2 ) 用来储存模拟多路开关输出的模拟信号，这样可使多个模拟多路开关继续 切换下一个待转换的信号【1 3 】。 2 2 3 量化及其误差 量化就是把采样信号的幅值与某个最小数量单位的一系列整倍数比较，以最 接近于采样信号幅值的最小数量单位来代替该幅值。这一过程称为“量化过程 ， 简称“量化 。 最小数量单位称为量化单位。量化单位定义为量化器满量程电压f s r ( f u u 电子科技大学硕士学位论文 s c a l er a n g e ) 与2 n 的比值，用q 表示，因此有： f s r g2 可 式中，1 1 为量化器的位数。 a d 转换器有两种量化方法：“只舍不入和“有舍有入 。“只舍不入 是指 采样信号幅值小于量化单位的部分一律舍去；“有舍有入采样信号幅值中小于 g 2 的部分舍去而大于g 2 的部分计入。 量化误差是由a d 转换器的有限分辨率而引起的误差，即有限分辨率a d 转 换器的阶梯状转移特征曲线和无限分辨率a d 转换器( 理想a d 转换器) 的转移 特性曲线之间的最大偏差。通常是由一个或半个最小数字量的模拟变化量，表示 为1 l s b 或者1 2 l s b ，量化误差实际上是一种取整误差。 2 2 4 编码 编码是模数转换过程的最后阶段。编码是指把量化信号的电平用数字代码来 表示，编码有多种形式，最常用的是二进制编码。在数据采集中，被采集的模拟 信号是存在着极性的，例如单极性信号，电压从附5 v 变化；双极性信号，电 压从5 v , - , + 5 v 变化。因此，二进制码也分成两大组：单极性二进制码和双极性二 进制码。在应用时，可根据被采集信号的极性来选择编码形式。【1 4 】 2 2 5 d 转换器的误差来源 a d 转换器的作用是将模拟量转化为数字系统所能接收的数字量，包含数字 部分和模拟部分，是一种混合信号器件。根据工作原理的不同，a d 转换器主要 有双积分型、逐次逼近型、一型、流水线型等几种类型n 引。 在具体应用中，a d 转换器选型的一个重要依据就是系统对m d 转换器误差 的要求。系统分配给a d 转换器的误差决定了a d 转换器的精度。然而并非1 2 位分辨率的a d 转换器就能满足对精度要求为1 2 位的系统。a d 转换器的性能一 般要比工程师的期望值低。要设计一个合适的数据采集系统，就必须对a d 转换 器与误差的性能指标有准确的理解，并掌握和消除a d 转换器之外的因素对a d 转换器性能的影响。 整个数据采集系统的误差可以视做信号通路上每个电路元素所贡献的误差项 的综合。总误差均方根值可由下式给出： 1 2 第二章数据采集技术基础 e = 萍 ( 2 - - 8 ) 其中，巨，i = 1 ，2 ，刀代表某个特定电路元件的误差项。在一个数据采集系统 中，a d 转换器是其中的一个电路元件。如果要求系统的平均采样精度为0 1 ， 分配给a d 转换器的误差为0 0 7 5 ，则需要选择一个更高分辨率的a d 转换器。 一般会认为选择一个1 2 位分辨率的a d 转换器已经足够，但事实并非如此。一般 来说，1 2 位分辨率的a d 转换器不一定能够得到1 2 位精度。而具体能够得到多 少位精度的a d 转换结果，要根据器件的规格书来定。一个具有4 l s b 积分非线 性( i n l ) 的a d 转换器即使其失调误差、增益误差已经得到修正，也最多只能得到 1 0 位精度。如果它的积分非线性为1 2 l s b ，且其它误差得到修正，则可获得 0 0 1 2 2 的误差或1 3 位的精度。 影响a d 转换器在实际电路中精度的因素远远不止i n l 一个，失调误差、增 益误差、电源噪声等诸多因素都会对a d 转换器的最终精度造成影响。 2 2 6a d 转换器的信噪比( s n r ) 信噪比( s i g n a l t o - n o i s er a t i o ) 是指a d 转换器输出端的信号和噪声之比， 通常用d b 表示，记做s n r ，其中信号指基波分量的有效值，噪声是指导奈奎斯特 频率以下的全部非基波分量，但不包括直流分量的总有效值。理想a d 转换器的 噪声主要来自量化噪声，对于正弦波输入信号，信噪比的理论值满足6 d b 规则： s n r = ( 6 0 2 n + 1 7 6 ) d b ( 2 9 ) 式中n 为a d 转换器的倍数，即a d 转换器的倍数每增加1 位，s r n 值增加 约6 d b 。 2 3 数据采集系统的设计原则 数据采集系统设计的主要工作是系统结构的选择、软硬件功能的合理分配、 误差的合成与分配。系统设计的基本原则是【1 6 1 1 7 】： 1 确保性能指标的完全实现 系统设计的目标是性能指标如采样速率、系统分辨率、系统精度等等达到实 际要求，该目标必须首先得到保证。要保证系统性能指标达到要求应考虑输入 信号的特性，如输入信号的通道数、信号的强弱及动态范围、信号的输入方式( 单 电子科技大学硕士学位论文 端输入还是差分输入，单极性还是双极性、信号源接地还是浮地等) 、是模拟量还 是数字量、信号的频带宽度、信号源的阻抗、是周期信号还是瞬态信号、信号中 的噪声及其共模电压大小等等诸多方面的因素。 2 系统结构的合理选择 系统结构的合理与否，直接影响系统的可靠性、性能价格比。首先是硬件和 软件的功能要合理分配。原则上尽可能“以软代硬 ，如果能用软件实现尽量不要 用硬件实现。其次要考虑系统的布局以及接口特性。接口特性包括采用的总线类 型、采样到的数据的输出形式、数据的编码格式等。 3 安全可靠，有足够的抗干扰能力 要确保在工业现场环境下，系统能安全可靠稳定地工作，保证系统精度能符 合要求，并保证系统应用人员的人身安全。 2 4 本章小结 本章首先对数据采集的基本过程包括采样定理、频混的产生以及如何消除频 混等基本概念与原则做了简要的介绍，然后详细介绍a d c 的工作原理并讨论数据 采集系统的设计原则。 1 4 第三章杂散电流测试仪系统设计 第三章杂散电流测试仪系统设计 手持式杂散电流测试仪的研制是从用户需求出发，在实现用户功能要求的前 提下，综合考虑系统的可靠性、成本、体积、功耗等因素的专用嵌入式系统。 3 1 功能划分 通过比较国内外现有杂散电流测试仪的功能，并考虑西南油气田公司实际生 产的需要，在当前研制计划中，确定杂散电流测试仪的功能如下： 1 ) 作为管道阴极保护系统检测设备，应该可以替代现有的万用表以及加拿大 c t 公司的s m a r tl o g g e r ，实现高精度的管地电位、大地电位梯度等的测量； 2 ) 可以连续4 8 小时记录管地电位； 3 ) 检测管地电压，能够实时直观地显示信号波形，并对测量数据进行分析， 帮助工作人员确定干扰程度； 4 ) 判断杂散电流可能流入流出区域； 5 ) 智能推理功能。系统基于数据采集的结果进行智能推理，给出适当的排流 措施，并通过进一步的测试来分析和比较、评价排流效果，达到综合治理阴极保 护杂散电流的目的。 第四、第五点要求，判断杂散电流流入流出区域并具备智能推理功能必须使 用专家系统才能实现，该部分功能由上位机软件完成。下位机只负责实现数据的 采集、存储、实时显示等功能，不做数据分析。 本文只讲述下位机软硬件的开发过程及通信协议，不涉及上位机软件开发。 3 2 下位机系统开发流程 作为一个实际工业应用的嵌入式系统，最重要的是满足用户具体功能需求， 并在实现功能的前提下尽可能地优化人机界面，简化操作。杂散电流测试仪的设 计，从提出设计要求到完成样品可分为以下几个步骤：确定设计要求、方案设计、 电路设计、电路板设计与制作、软件设计、电路和软件调试，其总体设计流程如 图3 1 所示。 1 5 电子科技大学硕士学位论文 设计要求是杂散电流测试仪所要达到的性能指标，在确定性能指标后，才能 能正确的，有针对性的进行器件的选型，确定整体设计方案。先进行现场调研， 明确现场情况；再做需求分析，了解用户具体需求。通过以上两个步骤，可以掌 握具体设计要求。 方案设计是杂散电流测试仪设计中最重要的一个环节。方案设计包括系统方 案的选择，芯片的选型和整体设计以及各功能模块的细化和设计。根据设计要求 来进行芯片选型。芯片选定后，杂散电流测试仪的性能指标也就确定了。在进行 方案设计时，利用模块化自顶向下进行设计的方法，划分各模块的具体功能，并 确定各功能模块的之间的接口关系。 电路板设计与制作实现杂散电流测试仪的硬件功能，同时进行初步的工艺和 机械结构的设计。一方面通过芯片和其他电路元件之间的连接，将各元器件组合 起来构成完整的系统；另一方面按照电路、尺寸、工艺及环境的要求，确定电路 板的尺寸和形状，并进行元器件的布局、布线；完成焊接制作。电路和软件调试 的目的在于检查设计中存在的问题，其中包括硬件和软件的调试。最终完成整个 系统软硬件的调试，使杂散电流测试仪的性能指标满足设计要求。 夏目 至困 ， 匾堕圃 。j 。 ， 硬件电路设计程序软件设计 i 叫垦堡皇1 i 至, i ! i 互 nv l 斗( 甄匦蔓堕) 一 奈 y 系统联合调试卜1 人 y 蓝 图3 - 1 系统开发流程图 1 6 第三章杂散电流测试仪系统设计 3 3 需求分析 3 3 1 手持式杂散电流测试仪的功能要求 手持式杂散电流测试仪是一个能够对被测管道电压情况进行显示和分析的便 携式测量仪器。设计的系统主要实现的功能是： - 能够准确的测量管地电位，精度符合石油行业标准的要求； 一能进行直流电压梯度检测，并显示电压梯度方向； _ 具有示波功能，能将信号波形、幅值、频率等信息显示于本仪器的液晶屏 幕； _ 具有独立的数据处理，显示以及键盘控制功能，具有独立供电系统，不依 赖于外部设备，具有能手持的特点； _ 能持续长时间工作，并且可以设置自动开始采样时间； _ 人机界面友好，操作方便； 3 3 2 手持式杂散电流测试仪的技术指标分析 根据中石油西南油气田分公司输气工艺研究所提出的功能要求，参考市场上 现有杂散电流测试产品的参数以及现场调研的结果，并按照中华人民共和国石油 天然气行业标准埋地钢质管道阴极保护参数测试方法、油气田及管道仪表控 制系统设计规范和埋地钢质管道直流排流保护技术标准的要求，可以得出 该设计所要的技术指标。 - 电池续航能力：要求设备可以连续工作4 8 小时以上； 一测量范围：直流电压3 0 v , - - , + 3 0 v ，交流电压o 1 0 v ； 一 准确度：直流电压正负( 0 5 + 2 d ) ，交流电压正负( 0 8 + 5 d ) ； 输入阻抗：1 0 m 欧； 采样速率：可调，上限1 0 k h z _ 存储器容量：1 g b ，方便多次测量数据的存储； 一显示屏采用3 2 0 * 2 4 0 点阵式图形液晶，可以实时显示液晶波形。 1 7 电子科技大学硕士学位论文 3 4 核心方案比较与选择 3 4 1 主控方案选择 考虑到手持式杂散电流测试仪的性能和用途的要求，首先作为测量仪器，要 求系统的设计必须具有处理大数据量的能力，以保证系统的实时性；其次作为手持 式仪器，对系统的体积、功耗等也有较严格的要求。对于这种控制外设多、控制 速度要求高、运算种类多、运算量大的实时信号处理系统通常采用d s p + c p l d 方 案。 仅从芯片的性能方面考虑，d s p + c p l d 的运算速度可以很好的满足系统实时 性的要求。但是，从系统的功能要求、产品的定位及性价比、与芯片相关开发资 源等方面来考虑。对本系统来说，采用l c d 液晶显示器作为显示部件，它的响应 速度是毫秒级的，如果刷新太快，显示屏上将会产生“拖影 现象，而且较低的 采样频率，对主控芯片速度的要求也不高，采用速度很快、价格昂贵的d s p + c p l d 方案会提高整个系统的成本并加大开发难度。 本文的设计目标是开发一种适合石油行业工人野外测试用、基本功能齐全、 价格便宜的手持式杂散电流测试仪，选择了具有高指令执行速度、高性价比、配 套开发资源丰富的低功耗单片机来取代d s p 作为主控芯片的方案。 3 4 2 数据存储方案及上位机通信方案选择 非易失性数据存储方案一般有以下几种选择：e e p r o m 、铁电存储器( f r a m ) 、 s r a m + b a k b a t 、c f 卡、m m c 卡、s d 卡等。 纵观目前非易失存储器市场，e e p r o m 、f r a m 、s ram + b 触a t 方案等占 据了市场主流，其中e e p r o m 的供应厂家很多，其中以a t m e l ，s t 等厂家占主 导地位，f r a m 只有美国r a m t r o n 公司一技独秀，而采用s r a m + b a k b a t 方 式的厂家，目前d a l l a s 占据了大部分市场空间。以上三种方案，其共同的缺点 就是容量太小，不能满足存储容量要高达1 g b 的实际需求。 c f 卡得以普及的原因很多，其中比较重要的一点就是物美价廉。存储容量大， 成本低，兼容性好，这些都是c f 卡的优点，缺点则是体积庞大，功耗相对s d 卡 较大。与m m c 卡相比较，s d 卡的容量大得多，且读写速度也m m c 卡快4 倍。 同时，s d 卡的接口与m m c 卡是兼容的，支持s d 卡的接口大多支持m m c 卡。 基于以上以分析，选择s d 卡作为备选方案l 。 第三章杂散电流测试仪系统设计 f l a s h 是一种b l o c k e r a s a b l e 存储设备，是从早期的b y t e e e p r o m 改进而来的。 早期的b y t e e e p r o m 是以字节为单位进行擦写的，但是采用这种技术的存储单元 较复杂，且成本较高。于是基于b l o c k 擦除的存储技术被提了出来，这样简化了存 储单元结构，也降低了成本。这种存储技术采用以多个字节为单位的方式进行擦 除。一次被擦除的最少字节数就称为一个b l o c k 。这种存储技术就称为f l a s h 。f l a s h 技术经过多年的发展，不断有新的架构被提出。目前f l a s h 包含有n o r 、n a n d 、d i n o r 、 a n d 及p a n d 等多种技术架构，而在f l a s h 市场中以n o r 及n a n d 架构的使用率最高。 而在最近几年，n a n d 更体现出强劲的市场竞争力。n a n df l a s h 是一种非易失闪 速存储器。n a n df l a s h 结构是于1 9 8 9 年东芝公司提出的，强调降低比特的成本， 更高的性能，并且像磁盘一样可以通过接口轻松升级。由于n a n d 芯片在大容量 存储的性价比优势，被广泛应用于嵌入式设备中。n 引因此，在这里把n a n df l a s h 芯片作为备选方案2 。 目前，市场上1 g b 的n a n df l a s h 芯片价格是1 g bs d 卡价格的两倍以上。 上位机通信一般采用串口通信或者通用串行总线c o s b ) 。r s 2 3 2 是美国电子工 业协会( e t a ) t 式公布的串行通信总线标准，是数据终端设备( d t e ) 和数据通信设 备( d e c ) 之间的接口标准。不同厂家生产的设备，只要它们都具有r s 2 3 2 标准接 口，就能保证硬件上的兼容性。数据传输时，r s 2 3 2 串口通信在1 5 m 内能保证优 良的传输，数据传输速率最快为115 2 0 0 b p s 【1 9 1 。 当前在智能仪器的设计中，实现智能仪器与计算机之间的u s b 通信已成为主 要功能之一，在传统的计算机系统上常采用串口( 如r s 2 3 2 ) 和并口连接外围设备， 但串口和并口都存在着通信速度慢，接口独占不利于扩展等无法克服的缺点，而 通用串行总线( u s b ) 因具有传输速度快、支持热插拔、扩展方便、抗干扰强、成本 低等优点而得到了广泛的应用，当前它已成为计算机最常用的接口之一。u s b 可 以把多达1 2 7 个外部了设备连接到用户的系统上，通过协议来共享u s b 的带宽， 其中1 2 m b p s 的带宽对于鼠标等中、低速外部设备已经足够了。而在新发布的 u s b 2 0 版本中，u s b 的带宽已经达到了4 8 0 m b p s 。u s b 支持即插即用( p l u ga n d p l a y ) ，即允许外设在主机和其它外设工作时进行连接、配置、使用和删耐2 0 1 。 串口通信开发简单但传输速度慢，1 1 5 2 0 0 b p s 的速率传输1 0 0 m b 的数据要超 过1 个小时。u s b 速度快，但开发周期比较长。 选择n a n df l a s h 芯片作为数据存储器，无可避免的要使用u s b 通信方案， 会带来开发周期延长、整机成本提高等不良后果。而且，使用n a n df l a s h 不利 于以后的系统扩展，要增大存储空间只能改变电路板设计，而s d 卡只需要更换一 1 9 电子科技大学硕士学位论文 张更大容量的卡片即可。 综上所述，最经济简便易于系统升级的存储加通信方案是采用s d 卡+ 读卡器 方案。 3 4 3 键盘方案选择 单片机系统中，键盘是能实现人机交互功的重要载体，其主要功能是对系统 运行状态进行实时干预、完成数据的输入以及对系统动作的控制。键盘及其接口 性能的优劣直接影响着系统的运行可靠性和操作的便利性。常见的键盘设计有独 立式按键、矩阵式按键以及专用芯片构成编码键盘三种。独立式按键的每个按键 都与单片机的一个引脚相连，当按键较多时，它要占用较多的i o 端口，对于硬件 资源有限的单片机使用有很大的局限性；矩阵式按键是通过使按键位于矩阵行列 交汇点处，同行与同列只与一个引脚连接，单片机要逐行逐列扫描来得到键值， 这样做使系统的软件负担增大，主程序要不断地扫描来完成键盘输入，同样占用 加资源，而且不利于在低功耗、高实时性的场合使用；用专用芯片构成键盘电路 是选用专用芯片通过通信接口与单片机通信，专用芯片负责键盘扫描等工作，单 片机软硬件设计完成后只需在有按键动作时，用中断程序读取键值即可。目前按 键数量较多的系统和实时性要求较高的系统主要采用专用芯片的方案。 由于本设计要用大量的按键( 1 5 个) 完成数据的输入及系统的控制。独立式键盘 要占用1 5 个i o 口，矩阵式键盘至少要占用8 个，专用芯片只需要两根数据线和 一根中断线。所以，本设计选择了专用芯片方案。 3 5 总体设计 本设计按功能划分为五个模块：主控模块、数据采集模块、存储模块、显示 控制模块和电源模块。 数据采集模块的功能主要包括