鉆桿缺陷信號(hào)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

馬義來(lái)，林立，趙旭林，程騰飛，王晗，郭樹(shù)霞

(中國(guó)石油大學(xué)(北京) 機(jī)械與儲(chǔ)運(yùn)工程學(xué)院，北京 102249)

鉆桿屬于薄壁管，在鉆井作業(yè)中承受軸向力、彎矩、離心力、扭矩力以及動(dòng)載作用，工況條件極其惡劣，特別是深井、斜井，鉆桿中微小缺陷就可能導(dǎo)致井下鉆具事故，因而有必要對(duì)鉆桿進(jìn)行在線及時(shí)檢測(cè)[1]。針對(duì)現(xiàn)有鉆桿缺陷信號(hào)運(yùn)用數(shù)據(jù)板卡采集過(guò)程中，存在模擬信號(hào)從探頭到工控機(jī)之間的傳輸距離長(zhǎng)(4～6 m)、傳輸導(dǎo)線粗、易受電磁干擾等缺點(diǎn)，導(dǎo)致信號(hào)采集效果不佳的問(wèn)題，筆者提出基于設(shè)計(jì)嵌入式漏磁信號(hào)測(cè)量板，安裝在鉆桿檢測(cè)探頭中，對(duì)霍爾傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，通過(guò)USB總線傳輸給PC，從而大幅改善了信號(hào)采集效果。

1 信號(hào)采集系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

鉆桿缺陷漏磁檢測(cè)信號(hào)采集系統(tǒng)由上位機(jī)、單片機(jī)、信號(hào)調(diào)理電路、A/D模塊、霍爾傳感器和傳感器供電電源板等部分組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。由于信號(hào)采集實(shí)時(shí)性要求較高，所以單片機(jī)與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸選擇USB通信方式，采用了Silicon公司的片上系統(tǒng)型MCU中C8051F340單片機(jī)作為嵌入式系統(tǒng)的核心。

圖1 鐵桿缺陷漏磁檢測(cè)信號(hào)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

2 硬件設(shè)計(jì)

2．1 嵌入式測(cè)量板電路設(shè)計(jì)

嵌入式測(cè)量板是整個(gè)系統(tǒng)的核心，其任務(wù)包括對(duì)霍爾傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，同時(shí)與PC進(jìn)行USB通信。 嵌入式測(cè)量板由C8051F340單片機(jī)模塊、A/D模塊以及RC濾波模塊三部分組成。

RC濾波模塊采用電阻和電容組成的低通濾波系統(tǒng)對(duì)霍爾傳感器信號(hào)進(jìn)行濾波處理。A/D模塊采用ADI公司的AD7265芯片作為核心[2]，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。AD7265芯片采用先進(jìn)的設(shè)計(jì)技術(shù)，可在高吞吐量的情況下實(shí)現(xiàn)極低的功耗，其工作電壓為5 V，吞吐量達(dá)1百萬(wàn)采樣/秒，而最大功耗僅為4 mA。

C8051F340單片機(jī)模塊不僅要控制AD7265進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，通過(guò)SPI總線讀取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果，而且要將A/D轉(zhuǎn)換的大量數(shù)據(jù)通過(guò)USB總線傳輸給PC。為了使嵌入式測(cè)量板的硬件盡可能的簡(jiǎn)化，采用帶USB收發(fā)器的微控制器C8051F340作為核心[3]。該微控制器中通用串行總線控制器(USB0)符合USB2．0規(guī)范，可以全速或低速工作，集成了收發(fā)器和端點(diǎn)FIFO RAM。該微控制器共有8個(gè)端點(diǎn)： 1個(gè)雙向控制端點(diǎn)(端點(diǎn)0)和3對(duì)輸入/輸出端點(diǎn)(端點(diǎn)1～3 輸入/輸出)。

有1 KB的RAM模塊被用作USB FIFO空間。該空間被分配給端點(diǎn)0～3；端點(diǎn)1～3 的FIFO可以被配置為輸入、輸出或輸入/輸出(分割模式)。最大的FIFO大小為512 Bytes(端點(diǎn)3)。片內(nèi)4倍時(shí)鐘乘法器和時(shí)鐘恢復(fù)電路允許使用內(nèi)部高精度振蕩器作為USB時(shí)鐘源，實(shí)現(xiàn)全速和低速通信。外部振蕩器也可以與4倍時(shí)鐘乘法器配合使用來(lái)產(chǎn)生USB時(shí)鐘。CPU時(shí)鐘源與USB時(shí)鐘相互獨(dú)立。

2．2 電源板設(shè)計(jì)

由于霍爾傳感器輸出信號(hào)噪聲與電源噪聲正相關(guān)，因而設(shè)計(jì)低噪聲的傳感器供電電路非常重要。因?yàn)榈蛪翰罹€性穩(wěn)壓源輸出噪聲小、穩(wěn)定性好，所以在系統(tǒng)中選用低壓差線性穩(wěn)壓源(LDO)作為電源電路的輸出級(jí)。USB總線提供5 V，500 mA的電源，能夠滿(mǎn)足傳感器功率的要求，但USB電源的噪聲大，因而系統(tǒng)中將USB VBUS作為輸入級(jí)。LDO芯片采用LT1962(300 mA，低噪聲，微功耗LDO穩(wěn)壓器)，該芯片要求輸入電壓比輸出電壓高0．5 V。為此在USB VBUS和LT1962之間增加1個(gè)DC-DC升壓器,將USB VBUS的電壓升到6 V之后作為L(zhǎng)T1962的輸入，最后獲得傳感器所需要的5 V電源。

2．3 USB通信接口設(shè)計(jì)

USB通信接口具有即插即用、通信速率高(最高480 Mbit/s)、易于擴(kuò)展(最多支持127個(gè)設(shè)備)等特點(diǎn)。C8051F340單片機(jī)帶有USB收發(fā)器(USB硬件)，同時(shí)單片機(jī)生產(chǎn)商還提供了USB開(kāi)發(fā)動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)USBxpress和USB固件庫(kù)函數(shù)。 在單片機(jī)程序調(diào)用USB固件庫(kù)函數(shù)控制USB收發(fā)器控制數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，PC端采用LabVIEW調(diào)用USB開(kāi)發(fā)動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)識(shí)別USB設(shè)備并調(diào)度各設(shè)備數(shù)據(jù)傳送。

3 軟件設(shè)計(jì)

3．1 上位機(jī)軟件組成

漏磁檢測(cè)系統(tǒng)軟件包括參數(shù)設(shè)置模塊、信號(hào)顯示模塊、數(shù)據(jù)分析處理模塊和故障報(bào)表模塊[4]。參數(shù)設(shè)置模塊可以對(duì)測(cè)試單位、鉆桿序號(hào)等進(jìn)行設(shè)置保存；信號(hào)顯示模塊將單片機(jī)采集的信號(hào)完整地在PC上予以顯示；數(shù)據(jù)處理模塊對(duì)顯示的信號(hào)進(jìn)行分析處理，對(duì)缺陷進(jìn)行自動(dòng)辨識(shí)；故障報(bào)表模塊自動(dòng)生成記錄鉆桿缺陷的報(bào)表。

3．2 信號(hào)處理算法設(shè)計(jì)

在實(shí)際檢測(cè)中，鉆桿的漏磁信號(hào)屬隨機(jī)信號(hào)，而且嚴(yán)格來(lái)說(shuō)不具有平穩(wěn)性，加上鉆桿剩磁和傳感器運(yùn)動(dòng)方向變化的影響，信號(hào)的背景電壓是在不斷地波動(dòng)的，因此使用單一閾值的判別算法可能會(huì)出現(xiàn)誤檢和漏檢。為適應(yīng)檢測(cè)過(guò)程中信號(hào)統(tǒng)計(jì)特征的變化，系統(tǒng)采用自適應(yīng)門(mén)限調(diào)整技術(shù)，使系統(tǒng)能在一定范圍內(nèi)自動(dòng)追隨信號(hào)電壓的變化而變化，以減少人工對(duì)檢測(cè)的干預(yù)。為便于實(shí)時(shí)處理，門(mén)限值用均值X來(lái)構(gòu)造。均值的定義為

實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)門(mén)限調(diào)整的步驟是： 通過(guò)實(shí)驗(yàn)決定初始門(mén)限值；當(dāng)n≤N時(shí)，用初始門(mén)限值對(duì)采樣值進(jìn)行分析處理，同時(shí)計(jì)算X值，其中n為所求序列中第n個(gè)值。

4 檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

為了檢驗(yàn)嵌入式鉆桿漏磁檢測(cè)信號(hào)采集系統(tǒng)的效果，采用一段長(zhǎng)度約為1 m、直徑為127 mm的鉆桿實(shí)物，在其均勻桿體段加工有深為4 mm，寬為1 mm的溝槽，并將嵌入式信號(hào)采集系統(tǒng)至于鉆桿漏磁探頭中，然后通過(guò)手柄使探頭裝置以約0．1 m/s速度沿軸向移動(dòng)。漏磁試驗(yàn)裝置中裝有1只UG3503集成霍爾元件，通過(guò)1只6009型NI數(shù)據(jù)采集器與PC的USB端口相連。PC中采用LabVIEW軟件搭建了虛擬儀器，嵌入式信號(hào)采集系統(tǒng)在經(jīng)過(guò)上述溝槽時(shí)的漏磁信號(hào)如圖2所示，信號(hào)采集效果良好。

圖2 鉆桿試樣橫向外刻槽檢測(cè)結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

文中詳細(xì)介紹了基于嵌入式鉆桿缺陷漏磁檢測(cè)信號(hào)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。該系統(tǒng)具有精度高、功耗低、穩(wěn)定度好、體積小和數(shù)字輸出等特點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)適用于鉆桿缺陷漏磁檢測(cè)，且具有良好的信號(hào)采集效果。

參考文獻(xiàn)：

[1] 馬義來(lái),林立,謝新安,等． 鉆桿在線漏磁檢測(cè)系統(tǒng)[J]．石油機(jī)械,2012,40(12)： 30-33．

[2] 林立，張俊亮，曹旭東，等．單片機(jī)原理及應(yīng)用[M]．北京： 電子工業(yè)出版社,2009： 147-148．

[3] 秦嶺． STM32單片機(jī)的酒精濃度探測(cè)儀設(shè)計(jì)[J]．單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2013(01)： 52-55．

[4] 劉洪正,鄭連勇,喬耀華． 遠(yuǎn)程監(jiān)控接地電阻測(cè)試儀[J]．石油化工自動(dòng)化,2013,49(01)： 58-60．

[5] 朱磊,劉東．C8051F340與LabVIEW基于API的USB通信[J]．單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2007(11)： 35-37．

[6] 王和,侯平智，吳鋒． 苯精制生產(chǎn)實(shí)訓(xùn)裝置DCS方案與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]．石油化工自動(dòng)化,2013,49(01)： 33-36．

[7] 曹景新，張麗平． 基于MCS-51單片機(jī)指令系統(tǒng)的數(shù)字濾波方法研究[J]．林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備，2004,32(03)： 21-22．

[8] 馬義來(lái)，林立，蔣開(kāi)文，等． 利用磁屏蔽效應(yīng)改善鉆桿漏磁探傷信號(hào)信噪比[J]．無(wú)損檢測(cè)，2013,35 (03) ： 9-12．

[9] 胡陽(yáng)，康宜華． 鋼絲繩無(wú)損檢測(cè)中的一些算法——信號(hào)的預(yù)處理和特征提取[J]．無(wú)損檢測(cè)，2000 (11)： 483-488．

[10] 任克強(qiáng)，劉暉． 微機(jī)控制系統(tǒng)的數(shù)字濾波算法[J]．現(xiàn)代電子技術(shù)，2003 (03)： 15-18．