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隨著石油勘探開發(fā)技術(shù)的不斷提高，快速色譜分析的作用顯而易見。綜合錄井儀色譜分析系統(tǒng)以數(shù)分鐘取得每米幾組色譜分析數(shù)據(jù)已經(jīng)不能完全滿足現(xiàn)場快速鉆井的要求[1]。快速色譜分析系統(tǒng)能夠及時(shí)準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)顯示薄層及超薄油氣層，其C1-C5分析周期小于30s，分析精度高，有效地為石油勘探開發(fā)提供寶貴的第一手資料[2]。因此，在實(shí)際使用的過程中，應(yīng)該實(shí)時(shí)校驗(yàn)色譜分析系統(tǒng)的性能，其中最為關(guān)鍵的就是要能夠提供高精度的恒定微小的電流模擬實(shí)際的離子流，以此保證色譜分析系統(tǒng)的顯示精度及地層分辨能力。同時(shí)，離子流發(fā)生器還能夠適應(yīng)現(xiàn)場工作環(huán)境，具有很強(qiáng)的抗干擾性能及便攜性。 本文設(shè)計(jì)的微恒離子流發(fā)生器就是滿足色譜分析系統(tǒng)校驗(yàn)的需要，能夠輸出高精度的恒定微小電流。并且，該發(fā)生器的抗干擾性能能夠滿足現(xiàn)場校驗(yàn)的環(huán)境需求。微恒離子流發(fā)生器采用Microchip公司的 dsPIC30F為主控芯片。該芯片是一款將單片機(jī)與DSP技術(shù)相結(jié)合的高性能16位數(shù)字信號(hào)控制器，綜合了單片機(jī)(MCU)的控制功能和集成了多種外設(shè)的優(yōu)點(diǎn)，以及DSP的計(jì)算能力和數(shù)據(jù)處理吞吐能力[3]。此外，它在異常事件處理，軟件開發(fā)環(huán)境等方面也表現(xiàn)出強(qiáng)大的性能[4]。由于dsPIC30F芯片的內(nèi)部資源豐富，基于dsPIC30F平臺(tái)開發(fā)的微恒離子流發(fā)生器需要的外設(shè)很少，不但系統(tǒng)的抗干擾性和可靠性能夠滿足微恒離子流發(fā)生器在各種環(huán)境下運(yùn)行的要求，而且可以提高系統(tǒng)的靈活性，縮短開發(fā)時(shí)間，降低開發(fā)成本。 系統(tǒng)硬件 微恒離子流發(fā)生器是以dsPIC30F微處理器為核心的，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。dsPIC30F微處理器根據(jù)電壓給定的輸入，輸出PWM信號(hào) 如圖1所示，本裝置的硬件結(jié)構(gòu)非常簡單，極大地提高了微恒離子流發(fā)生器的實(shí)時(shí)顯示性及抗干擾性。 主電路設(shè)本設(shè)計(jì)采用電壓負(fù)反饋控制技術(shù)設(shè)計(jì)精密浮動(dòng)電流源，輸出電流為兩檔：0~10nA和0~100nA(圖2)。精密浮動(dòng)電流源由高輸入阻抗運(yùn)算放大器CA3140構(gòu)成。電壓給定輸入通過電阻R3接到運(yùn)放A1的同相輸入端，電阻R3=R4=20kΩ。電阻R3與R4之間的電位以增益 (1+R2/R1)放大輸出，取R1=R2=20kΩ。運(yùn)算放大器A2構(gòu)成了電壓負(fù)反饋跟隨電路。 微恒離子流發(fā)生器設(shè)計(jì)為兩檔輸出，通過繼電器S1和S2切換，故取電阻RREF1=400MW和RREF2=40MW，分別對(duì)應(yīng)輸出電流I0的量程為0~10nA和0~100nA。 開關(guān)二極管D1~D4構(gòu)成輸出高阻抗隔離電路。由于開關(guān)二級(jí)管在正向?qū)ㄟ^程中，具有流經(jīng)的電流小，壓降低，阻抗高的特點(diǎn)，使精密浮動(dòng)電流源和綜合錄井儀快速色譜分析系統(tǒng)隔離。 運(yùn)算放大器A3構(gòu)成自動(dòng)輸出校準(zhǔn)電路。利用dsPIC30F微處理器的PWM占空比能呈線性變化輸出的特性，對(duì)輸出電流進(jìn)行自動(dòng)校準(zhǔn)。輸出校準(zhǔn)電路和恒流輸出通過繼電器S3選擇輸出。電阻R7為一假負(fù)載，取樣電阻R7上的電壓，通過電阻R6限流從運(yùn)算放大器A3的同相輸入端輸入校準(zhǔn)電壓，然后跟隨輸出至dsPIC30F微處理器的內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器端口。取R5=2kW，R6=20kW，R7=10MW。 給定電壓反饋控制電路 根據(jù)電壓給定的數(shù)字輸入量，寫入相應(yīng)的占空比數(shù)據(jù)到PWM占空比緩沖寄存器，數(shù)字信號(hào)控制器dsPIC30F4013便輸出PWM信號(hào)。PWM信號(hào)由電阻R8、電容C1構(gòu)成的RC濾波電路高頻濾波后，經(jīng)過由運(yùn)算放大器A4構(gòu)成的跟隨器輸出給主電路，如圖3所示，R8=10kW、C1=1mF。電阻R9及穩(wěn)壓管D5構(gòu)成反饋取樣電路，反饋電壓和給定電壓相等，輸入到數(shù)字信號(hào)控制器dsPIC30F3014內(nèi)部的12位A/D轉(zhuǎn)換器端口，因此，通過電壓反饋控制即可調(diào)整給定電壓輸出。其中，電阻R9=1kW，起限流作用;穩(wěn)壓管D5用DL4732A。 LCD顯示模塊 LCD顯示模塊采用CO0511-12864液晶模塊。設(shè)計(jì)采用6800時(shí)序的接口方式(如圖4)。微處理器dsPIC30F4013的RD3引腳連接LCD顯示模塊的使能端，下降沿閉鎖;RC13引腳連接命令數(shù)據(jù)選擇端，高電平為數(shù)據(jù)選擇輸入，低電平為命令選擇輸入;RC14引腳連接6800時(shí)序讀寫信號(hào)選擇端，高電平為讀數(shù)據(jù)，低電平為寫數(shù)據(jù)。LCD模塊片選端始終接地。 系統(tǒng)軟件 軟件在Microchip公司的MPLAB IDE可視化集成開發(fā)環(huán)境下運(yùn)行，使用C30編譯器編寫。MPLAB IDE提供了方便且功能豐富的界面，其中C30編譯器提供了C語言的標(biāo)準(zhǔn)特性。微恒離子流發(fā)生器的軟件主要由主程序和子程序模塊組成。主程序主要完成電壓給定數(shù)字量輸入和量程選擇的人機(jī)接口服務(wù)、輸出校準(zhǔn)及面板顯示等功能。子程序模塊包括按鍵輸入捕捉中斷、A/D轉(zhuǎn)換和處理子程序和電壓給定PID調(diào)節(jié)輸出子程序。 數(shù)字濾波器設(shè)計(jì) 由于工作人員需隨身攜帶微恒離子流發(fā)生器，因此要求微恒離子流發(fā)生器對(duì)工作環(huán)境適應(yīng)性和抗干擾性強(qiáng)。在數(shù)據(jù)采集及處理時(shí)采用了dsPIC30F4013內(nèi)部12位精度的A/D轉(zhuǎn)換器采集轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，并采用防脈沖干擾平均濾波算法與滑動(dòng)平均濾波算法相結(jié)合的濾波器，減少了對(duì)數(shù)據(jù)的偶然脈沖性干擾并抑制了周期性干擾，增強(qiáng)了數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和可靠性。 A/D轉(zhuǎn)換采用Timer3定時(shí)器定時(shí)，每100ms自動(dòng)轉(zhuǎn)換的模式，即ADCON1 = 0x0044;采用掃描輸入的方式，每16個(gè)采樣點(diǎn)后發(fā)生中斷，即ADCON2 =0x043C。本系統(tǒng)使用了2路通道掃描輸入，一次轉(zhuǎn)換后，每路通道的信號(hào)都采集了8個(gè)采樣點(diǎn)，然后對(duì)8個(gè)數(shù)據(jù)排序并去掉其中的最大值和最小值，再求平均值處理，并形成8個(gè)數(shù)據(jù)隊(duì)列，減少了偶然出現(xiàn)的脈沖性干擾，消除由此引起的采樣值偏差;然后每次采樣到一個(gè)新數(shù)據(jù)放入數(shù)據(jù)隊(duì)尾，并扔掉原來隊(duì)首的一個(gè)數(shù)據(jù)，把數(shù)據(jù)隊(duì)列中的8個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)平均運(yùn)算，即獲得濾波結(jié)果，由此可抑制周期性干擾，濾波平滑度較高。 數(shù)字PID調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì) 電壓反饋調(diào)節(jié)采用數(shù)字PID調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)，首先dsPIC30F4013采樣給定電壓作為反饋電壓，并和電壓給定輸入值進(jìn)行比較，再利用比較差值e(k)進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，公式如下： 其中，u(k)為第k次采樣計(jì)算的到的PWM占空比值，e(k)為第k次采樣誤差。通過設(shè)定比例KP、積分KI、微分KD常數(shù)即可閉環(huán)調(diào)節(jié)電壓給定輸出值。電壓給定輸出子程序主要是利用dsPIC30F4013內(nèi)部的輸出比較模塊，使其工作在PWM模式下。dsPIC30F4013根據(jù)給定輸入的數(shù)字量裝載相應(yīng)的占空比，從而輸出對(duì)應(yīng)不同電壓的給定值。配置輸出比較模塊2為PWM輸出模式OC2CON=0x0006，并設(shè)定時(shí)間基值周期PR2=0x0B84，即5kHz。 結(jié)語 本微恒離子流發(fā)生器，采用了運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)的精密浮動(dòng)電流源輸出恒定微小電流，模擬色譜分析系統(tǒng)中的離子流，利用了16位高性能數(shù)字控制器dsPIC30F實(shí)現(xiàn)了給定電壓的電壓反饋控制及PID調(diào)節(jié)，并利用雙重?cái)?shù)字濾波算法使得輸出電流恒定在納安級(jí)，且能夠LCD實(shí)時(shí)顯示輸出電流。按照此方案設(shè)計(jì)的系統(tǒng)成功研制了60套設(shè)備并應(yīng)用于色譜分析系統(tǒng)中。實(shí)際的調(diào)試和運(yùn)行表明，此系統(tǒng)的輸出電流精度高，抗干擾能力強(qiáng)，體積小，具有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。 |
