針對井下傳感器的電磁干擾自動測試系統*

王小蕾，袁鳳培

(1.中煤科工集團常州研究院有限公司，江蘇 常州 213015；2.天地(常州)自動化股份有限公司，江蘇 常州 213015)

0 引言

近些年來，隨著煤礦井下變頻器等電力電子設備、驅動大型電力設備的普及，這些設備造成的電磁干擾對煤礦安全生產非常不利，對井下傳感器的數據采集和信號傳輸更是造成明顯干擾[1-3]。在安全監控系統中，傳感器具有舉足輕重的作用，其性能良好與否直接影響整個安全監控系統的監測效果與系統的可靠性[4-5]。除環境造成的自身損耗外，電磁干擾更會降低傳感器采集數據的準確性，由于電磁干擾具有瞬時性強、難以監測等特點，因此電磁干擾精確的分析、測試變得尤為重要[6-7]。

通過科學有效的測試和分析，可以提高數據采集精確度，LabVIEW恰恰是一種利用圖形化語言代替文本創建應用程序的編程語言，采用數據流編程的方式實現各種測試、測量等功能[8-10]，最重要的是，LabVIEW軟件內部自帶的測試模塊通過編程可以代替許多高頻測量儀器，如示波器、光譜儀、萬用表，也可以結合單片機搭建傳感器的測試測量環境[11-12]。目前，已有很多基于LabVIEW軟件平臺對電磁濾波處理的相關報道，如董鵬等[13]人以LabVIEW作為上位機開發平臺，設計出一款多路數據采集系統，已實現對數據的采集和電磁濾波處理。為此，針對傳感器在井下環境受到電磁干擾的問題，利用LabVIEW編程實現與傳感器通信并對受到電磁干擾的數據信號進行采集濾波。

1 整體方案設計

1.1 試驗原理

試驗裝置包括光纖甲烷傳感器(二次儀表)、分站、PC端的LabVIEW上位機和電快速瞬變脈沖模擬試驗儀。光纖甲烷傳感器探頭將采集的甲烷濃度值通過A/D模塊轉變成可與二次儀表、分站通訊的電信號，PC端的LabVIEW上位機進行采集并顯示數據，電快速瞬變脈沖群模擬試驗器產生脈沖，通過通信線纜施加電磁干擾，使上位機采集到受電磁干擾的數據，并在LabVIEW上位機程序上進行濾波處理，如圖1所示。

圖1 針對井下電磁干擾的自動測試系統試驗裝置圖

1.2 硬件電路設計

硬件電路主要包括信號處理電路與STM32F407外部A/D模塊。考慮到硬件電路的使用環境，首先在信號輸入端采用保險絲FU1對后續電路進行保護，穩壓管VD14對輸入信號進行穩壓，以確保信號正常傳輸。采用電阻R62與R66進行限流，防止電流過大損壞電路，同時利用AD8629放大器組成的電壓跟隨器穩定輸入信號。利用R73與C64組成的低通濾波器濾波，其中R75采用0 Ω電阻隔離數字電源地與模擬電源地提高電路穩定性，最后將信號送入外部A/D模塊進行信號采集。該A/D模塊采用AD7606芯片為核心，該A/D芯片為16位，采樣頻率高達200 kHz，每秒可采集大小為8×200K的數據樣本。硬件平臺搭建好之后，需編寫相應的LabVIEW程序，實現傳感器數據的采集,以及對受到電磁干擾數據的濾波處理。

2 LabVIEW軟件程序設計

LabVIEW程序由兩部分組成，第1部分是數據采集程序用來實現與傳感器數據的通信；第2部分是電磁濾波處理程序，將采集到的電磁干擾環境中的數據實現濾波處理。同時通過LabVIEW軟件特有的TDMS文件實現對大量數據的存儲以及打開，以便后續對數據的進一步分析。

2.1 LabVIEW數據采集程序

數據采集前面板：LabVIEW數據采集前面板包括IP地址、遠程端口、接收數據長度顯示、接收數據顯示、采樣頻率、采樣點數、保存TDMS文件、時域波形顯示和幅度值顯示等。只有當LabVIEW數據采集程序接收的數據無錯誤、無丟失，才能保證在電磁干擾環境下，濾波結果準確無誤。前面板“數值”欄顯示的是一次可接收的數據為65 536字節，每次發送數據間隔為300 ms，“時域波形”是把接收的全部數據圖形化顯示，“幅度值”顯示波形頻率為100 Hz，“字符串”顯示的是接收下位機的16進制雙字節數據，可通過上下拉列表對話框查看數據，“模塊”欄顯示是前面板，TDMS文件采用隊列的方式傳輸命令數據，將采集的全部數據保存于指定的Excel Importer并顯示在界面列表中，如圖2所示。

圖2 LabVIEW數據采集前面板示意

數據采集后面板：圖3是LabVIEW數據采集程序后面板示意圖。如圖所示，它主要由TCP數據接收、數據高低位顯示、TDMS文件讀取，以及數據圖形化顯示4部分組成。

圖3 LabVIEW數據采集程序后面板示意

工作方式：LabVIEW數據采集程序通過以太網接收光纖甲烷傳感器傳送給分站的數據信號，前面板輸入的地址、遠程端口號應和分站地址、端口號一致，保證LabVIEW程序和分站的正常連接，分站通過以太網傳輸數據到LabVIEW上位機，LabVIEW端發送啟動命令，數據顯示于時域波形圖表中，并顯示正弦波信號頻率。其中，LabVIEW程序需要接收大量數據，在其過程中要保證數據完整、不丟失、數據傳輸不擁堵，因此采用TDMS文件對數據進行快速寫入和讀取并且通過隊列的方式來傳輸數據命令，將大量數據保存、顯示在Excel Importe表格中。TDMS文件的優點是實現大數量的數據保存，不會造成數據擁堵、數據打開困難等問題，也可將采集的數據一次性保存后，直接的顯示在圖形界面，可以進一步分析數據，并且數據在LabVIEW中能完整地讀取和顯示，對采集的數據能進行數據處理。

2.2 電磁干擾濾波器軟件程序設計

數據收集：煤礦井下應用的中頻(300～1 000 kHz)通訊系統對井下電子設備、監控系統有嚴重電磁干擾，會產生誤動或拒動，對煤礦安全生產存在潛在威脅，有必要對井下電磁干擾抑制進行設計和測試[14]。當上述數據采集程序正常運行、數據接收無錯誤時，用LabVIEW編寫了電磁干擾濾波器程序，在該過程中模擬了煤礦井下受到的電磁干擾為中頻(300～1 000 kHz)的環境，即用電快速瞬變脈沖群發生器對通信電纜產生電磁干擾，對該過程中的數據進行采集，并對受到電磁干擾的數據進行濾波處理，還原傳感器原始傳輸信號，對比分析濾波后數據與未受干擾的原始數據。

參數設置：表1為電快速瞬變脈沖群模擬試驗器產生脈沖信號頻率參數設置。在數據傳輸過程中，會隨機產生100個脈沖干擾，采集了不同頻率的4組電磁干擾數據，通過LabVIEW數據采集程序將受干擾的數據采集寫入到Excel Importer，再通過電磁干擾濾波器讀取該數據，對數據進行算法處理達到濾波效果。

電磁干擾濾波器前面板：圖4為參數1電磁干擾濾波器的前面板示意圖。由表1知，參數1的頻率為300 kHz，脈沖數為100，電磁干擾濾波器前面板程序設計包括TDMS文件打開顯示，脈沖干擾的數據采集波形顯示和濾波處理后數據采集波形顯示。由圖4可知，LabVIEW程序可將采集的數據所用數據顯示于波形圖表中，但其采集的數據量太大，數據折疊難以清晰顯示，不利于分析，為了更加直觀地說明數據處理結果，將圖中橫坐標放大，以下參數2、3、4也將直接分析放大后的波形。

圖4 參數1電磁干擾濾波器前面板示意

表1 瞬變脈沖群模擬器產生脈沖信號參數設置

電磁干擾濾波器后面板：圖5為電磁干擾濾波器的后面板圖。電磁干擾濾波器后面板設計包括TDMS文件打開、TDMS文件讀取、濾波器設置等。程序中數據濾波過程是：在文件路徑處選擇需要處理的指定Excel Importer文件，打開用于讀寫操作的.tdms文件，讀取Excel Importer中的數據，首先顯示原始脈沖干擾的波形，再通過濾波器對脈沖干擾數據進行處理，對濾波器參數設置調用IIR，生成Butterworth濾波器，對脈沖干擾數據進行濾波處理。

濾波計算過程：圖5框圖中為濾波器參數配置圖，濾波器類型為低通濾波、截止頻率為0.1 Hz、無限長沖擊響應(IIR)濾波器拓撲結構選擇Butterworth、階數選擇3。將采集到的數據經過顯示，通過濾波器設置無限長沖激響應(IIR)Butterworth數字濾波，將信號代入，返回濾波后的信號。濾波過程就是解常系數線性差分方程的過程，形式如下[15]

圖5 電磁干擾濾波器后面板

(1)

式中，x(n)—濾波前的信號序列；ak，bm—系統函數分母與分子的系統數組。求出的y(n)即為濾波后的信號序列，將公式(1)簡化如下

(2)

當k>0時，x(k)，y(k)都為0。例如n=0時，經過迭代，可以求出y(n)序列的所有值，即Butterworth濾波可以將脈沖干擾濾除，公式推導結果與試驗結果一致，結合公式推導，得到濾波波形，對程序中的濾波器參數進行配置。

電磁干擾濾波器處理：圖6是參數1電磁干擾濾波器細節放大示意圖。如圖所示，電磁干擾頻率為300 kHz時，隨機列舉了4處受到電磁干擾的波形顯示情況，圖中以第1個電磁干擾濾波處理器為例，上面的波形顯示的是受到電磁干擾的數據波形，而下面波形則顯示為濾波后的數據波形。通過電磁干擾濾波器程序處理，可將數據中電磁干擾濾掉，并與未受干擾的原始數據相比較，濾波器處理后的波形和原始波形幾乎一致，即得到較好的濾波效果。

圖6 參數1電磁干擾濾波器細節放大示意

圖7是參數2電磁干擾濾波器細節放大示意圖。當電磁干擾的頻率為500 kHz時，列舉了任意4處受到電磁干擾的波形顯示情況，圖中以第1個脈沖濾波處理器為例，上面的波形顯示的是受到電磁干擾的數據波形，而下面波形則顯示為濾波后的數據波形，由圖可知，通過濾波器處理，可以將數據干擾濾掉，并與未受干擾的原始數據相比較，濾波器處理后的波形和原始波形幾乎是吻合的，即得到較好的濾波效果。

圖7 參數2電磁干擾濾波器細節放大示意

圖8是參數3電磁干擾濾波器細節放大示意圖。當脈沖干擾的頻率為700 kHz時列舉了任意4處受到電磁干擾的波形顯示情況，圖中以第1個脈沖濾波器為例，上面的波形顯示的是受到電磁干擾的數據波形，而下面波形則顯示為濾波后的數據波形，由圖可知，通過濾波器處理，可以將數據干擾濾掉，并與未受干擾的原始數據相比較，濾波器處理后的波形和原始波形幾乎是吻合的，即得到較好的濾波效果。

圖8 參數3電磁干擾濾波器細節放大示意

圖9是參數4電磁干擾濾波器細節放大示意圖。電磁干擾的頻率為1 000 kHz時，在LabVIEW波形顯示界面出現了采集錯誤。

圖9 參數4電磁干擾濾波器細節放大示意

重復試驗：為了更加清晰地說明問題，將干擾頻率設置大于等于1 000 kHz，進行多次試驗，均出現采集錯誤，分析可知當干擾頻率過高時，會造成LabVIEW中算法濾波器的頻率顯示超出范圍。在本試驗中，電磁干擾頻率大于1 000 kHz，電磁干擾濾波器失效。

數據讀取：將采集到的電磁干擾數據通過TDMS文件在LabVIEW軟件中打開，讀取數據，進行濾波器設置，以得到濾波后的波形。其中“Butterworth濾波器”函數節點用于對含有電磁干擾的輸入信號進行濾波，提取出基頻頻率的正弦信號，將脈沖干擾濾除，得到完整的正弦波。在煤礦實際應用中，可以根據濾波情況，對井下電磁干擾分布進行分析。

3 結語

結合LabVIEW上位機與井下傳感器的通信需求，提出針對井下電磁干擾的自動測試系統，可實現傳感器的數據采集并圖形化顯示，同時可對受到電磁干擾的信號進行濾波處理，并將大數量的數據實時保存于Excel Importer。試驗結果表明，頻率為300～1 000 kHz的電磁干擾，經過LabVIEW電磁濾波處理器可將干擾進行濾波處理，并與未受電磁干擾的原始數據對比，接收的數據基本一致，可通過該系統對井下電磁干擾進行分析測試，同時將該系統應用于傳感器數據采集，可大大提高數據采集的準確性和安全性，具有較大的實用價值。