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隨著(zhù)石油勘探開(kāi)發(fā)技術(shù)的不斷提高，快速色譜分析的作用顯而易見(jiàn)。綜合錄井儀色譜分析系統以數分鐘取得每米幾組色譜分析數據已經(jīng)不能完全滿(mǎn)足現場(chǎng)快速鉆井的要求[1]�？焖偕V分析系統能夠及時(shí)準確發(fā)現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(kāi)發(fā)提供寶貴的第一手資料[2]。因此，在實(shí)際使用的過(guò)程中，應該實(shí)時(shí)校驗色譜分析系統的性能，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)生器還能夠適應現場(chǎng)工作環(huán)境，具有很強的抗干擾性能及便攜性。 本文設計的微恒離子流發(fā)生器就是滿(mǎn)足色譜分析系統校驗的需要，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(mǎn)足現場(chǎng)校驗的環(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與DSP技術(shù)相結合的高性能16位數字信號控制器，綜合了單片機(MCU)的控制功能和集成了多種外設的優(yōu)點(diǎn)，以及DSP的計算能力和數據處理吞吐能力[3]。此外，它在異常事件處理，軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境等方面也表現出強大的性能[4]。由于dsPIC30F芯片的內部資源豐富，基于dsPIC30F平臺開(kāi)發(fā)的微恒離子流發(fā)生器需要的外設很少，不但系統的抗干擾性和可靠性能夠滿(mǎn)足微恒離子流發(fā)生器在各種環(huán)境下運行的要求，而且可以提高系統的靈活性，縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間，降低開(kāi)發(fā)成本。 系統硬件 微恒離子流發(fā)生器是以dsPIC30F微處理器為核心的，系統硬件結構如圖1所示。dsPIC30F微處理器根據電壓給定的輸入，輸出PWM信號 如圖1所示，本裝置的硬件結構非常簡(jiǎn)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。 主電路設本設計采用電壓負反饋控制技術(shù)設計精密浮動(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算放大器CA3140構成。電壓給定輸入通過(guò)電阻R3接到運放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。運算放大器A2構成了電壓負反饋跟隨電路。 微恒離子流發(fā)生器設計為兩檔輸出，通過(guò)繼電器S1和S2切換，故取電阻RREF1=400MW和RREF2=40MW，分別對應輸出電流I0的量程為0~10nA和0~100nA。 開(kāi)關(guān)二極管D1~D4構成輸出高阻抗隔離電路。由于開(kāi)關(guān)二級管在正向導通過(guò)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隔離。 運算放大器A3構成自動(dòng)輸出校準電路。利用dsPIC30F微處理器的PWM占空比能呈線(xiàn)性變化輸出的特性，對輸出電流進(jìn)行自動(dòng)校準。輸出校準電路和恒流輸出通過(guò)繼電器S3選擇輸出。電阻R7為一假負載，取樣電阻R7上的電壓，通過(guò)電阻R6限流從運算放大器A3的同相輸入端輸入校準電壓，然后跟隨輸出至dsPIC30F微處理器的內部A/D轉換器端口。取R5=2kW，R6=20kW，R7=10MW。 給定電壓反饋控制電路 根據電壓給定的數字輸入量，寫(xiě)入相應的占空比數據到PWM占空比緩沖寄存器，數字信號控制器dsPIC30F4013便輸出PWM信號。PWM信號由電阻R8、電容C1構成的RC濾波電路高頻濾波后，經(jīng)過(guò)由運算放大器A4構成的跟隨器輸出給主電路，如圖3所示，R8=10kW、C1=1mF。電阻R9及穩壓管D5構成反饋取樣電路，反饋電壓和給定電壓相等，輸入到數字信號控制器dsPIC30F3014內部的12位A/D轉換器端口，因此，通過(guò)電壓反饋控制即可調整給定電壓輸出。其中，電阻R9=1kW，起限流作用;穩壓管D5用DL4732A。 LCD顯示模塊 LCD顯示模塊采用CO0511-12864液晶模塊。設計采用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引腳連接命令數據選擇端，高電平為數據選擇輸入，低電平為命令選擇輸入;RC14引腳連接6800時(shí)序讀寫(xiě)信號選擇端，高電平為讀數據，低電平為寫(xiě)數據。LCD模塊片選端始終接地。 系統軟件 軟件在Microchip公司的MPLAB IDE可視化集成開(kāi)發(fā)環(huán)境下運行，使用C30編譯器編寫(xiě)。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(yǔ)言的標準特性。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字量輸入和量程選擇的人機接口服務(wù)、輸出校準及面板顯示等功能。子程序模塊包括按鍵輸入捕捉中斷、A/D轉換和處理子程序和電壓給定PID調節輸出子程序。 數字濾波器設計 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)生器對工作環(huán)境適應性和抗干擾性強。在數據采集及處理時(shí)采用了dsPIC30F4013內部12位精度的A/D轉換器采集轉換數據，并采用防脈沖干擾平均濾波算法與滑動(dòng)平均濾波算法相結合的濾波器，減少了對數據的偶然脈沖性干擾并抑制了周期性干擾，增強了數據的穩定性和可靠性。 A/D轉換采用Timer3定時(shí)器定時(shí)，每100ms自動(dòng)轉換的模式，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。本系統使用了2路通道掃描輸入，一次轉換后，每路通道的信號都采集了8個(gè)采樣點(diǎn)，然后對8個(gè)數據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)數據隊列，減少了偶然出現的脈沖性干擾，消除由此引起的采樣值偏差;然后每次采樣到一個(gè)新數據放入數據隊尾，并扔掉原來(lái)隊首的一個(gè)數據，把數據隊列中的8個(gè)數據進(jìn)行算術(shù)平均運算，即獲得濾波結果，由此可抑制周期性干擾，濾波平滑度較高。 數字PID調節器設計 電壓反饋調節采用數字PID調節器調節，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調節，公式如下： 其中，u(k)為第k次采樣計算的到的PWM占空比值，e(k)為第k次采樣誤差。通過(guò)設定比例KP、積分KI、微分KD常數即可閉環(huán)調節電壓給定輸出值。電壓給定輸出子程序主要是利用dsPIC30F4013內部的輸出比較模塊，使其工作在PWM模式下。dsPIC30F4013根據給定輸入的數字量裝載相應的占空比，從而輸出對應不同電壓的給定值。配置輸出比較模塊2為PWM輸出模式OC2CON=0x0006，并設定時(shí)間基值周期PR2=0x0B84，即5kHz。 結語(yǔ) 本微恒離子流發(fā)生器，采用了運算放大器設計的精密浮動(dòng)電流源輸出恒定微小電流，模擬色譜分析系統中的離子流，利用了16位高性能數字控制器dsPIC30F實(shí)現了給定電壓的電壓反饋控制及PID調節，并利用雙重數字濾波算法使得輸出電流恒定在納安級，且能夠LCD實(shí)時(shí)顯示輸出電流。按照此方案設計的系統成功研制了60套設備并應用于色譜分析系統中。實(shí)際的調試和運行表明，此系統的輸出電流精度高，抗干擾能力強，體積小，具有很強的實(shí)用價(jià)值。 |
