基于信號補償算法的數據采集裝置研制

榮宏偉

（核工業理化工程研究院，天津 300180）

變送器是工程現場的重要組成部件之一[1]，通過對管道壓力、溫度、流量等工藝參數的實時監測，來調節各執行機構的運行狀態，對提升產品質量、保障設備安全運行、提高生產效率等方面至關重要[2]。以某工程現場生產試驗系統為例，變送器主要集中在主工藝管理系統、環境監測子系統和循環水子系統中。其中，主工藝管理子系統、環境監測子系統中主要為壓力變送器，負責將管道中的壓力信號轉化為0～10 V 電壓值[3]；循環水子系統主要為流量變送器，負責將工藝水管中的流量信號轉換為4～20 mA電流值。現通過2 種方式實現變送器參數采集：①現場設立儀表柜，通過變送器配套的二次儀表顯示；②現場設立現場站，通過可編程控制器（PLC）完成變送器信號采集，再通過以太網上傳至控制室。

現有方式存在以下問題：①儀表柜的二次表不具備通訊功能，無法自動匯總變送器數據，需要值班人員定期抄數，浪費了大量的人力、物力；②二次儀表、PLC 等集成模塊基本均為國外進口，受中美貿易爭端影響，模塊在采購過程中存在供貨周期長、甚至斷供等“卡脖子”問題；③現場PLC 及配套模塊價格較貴，設計成本較高，不符合綠色、低碳發展理念。

1 研制目標

基于上述問題，提出了一種基于信號補償算法的數據采集裝置，技術指標如下所述。

（1）功能指標

研制一種集電流、電壓變送器信號采集、傳輸于一體的數據采集裝置，在保證設計成本低、測量準確性高的同時，提高系統的自主化水平。

（2）性能指標

2 系統結構

裝置硬件主要由A/D 轉換單元、電流處理單元、電壓處理單元、主控單元、通訊單元和電源管理單元組成。其中，A/D 轉換單元采用上海貝嶺公司的BL1082 模數轉換芯片，BL1082 為國產高性能模數轉換器，可實現8 通道、16 位分辨率和200 ksps 采樣率模擬信號采集，通過配置可處理±10 V 的模擬電壓信號；電流處理單元和電壓處理單元的功能是將變送器輸出的電流、電壓信號轉換為A/D 轉換單元能夠識別的電壓信號，同時降低噪聲、提高信號轉換精度，對于變送器信號測量的準確性至關重要[4]；主控單元以國產華大HC32F460 微控制器為核心，通過并行接口與A/D 轉換單元完成數據交互，并通過通訊單元將處理后的數據上傳至監控主機；電源管理單元負責其它各單元模塊的供電，裝置結構框圖如圖1 所示。

圖1 結構框圖Fig.1 Structural block diagram

3 經濟性與自主化設計

目前，工程現場所用的集成模塊基本都采用集成芯片實現信號處理。如臺灣泓格科技有限公司的M-7017RC、M-7016RC 兩款產品（分別用于4～20 mA電流、0～10 V 電壓信號采集），兩者分別通過RCV420（美國德州儀器）、XCM410（日本特瑞仕半導體株式會社）集成芯片完成信號轉換。其中，RCV420 單價在150 元左右，XCM410 單價在100 元左右，不僅設計成本高，而且存在芯片斷供的風險。為此，本設計通過分立元器件搭建信號處理電路，實現電壓、電流變送器至基準電壓值的高精度轉化[5]，具體實現過程如下所述。

3.1 電流處理單元

電流信號處理單元的功能是將標準電流轉化成基準電壓值[6]。考慮到檢測精度、設計成本等問題，本單元設計原理如圖2 所示。

圖2 電流轉換電路Fig.2 Current conversion circuit

R1為阻值100 Ω、精度0.01%的金屬薄膜電阻，即：

因此VO1∈（0.4 V，2 V）

調零電路為VO2的可調電壓，現VO2=0.4 V。

將VO1、VO2接入減法電路，在理想情況下，可得：

且：

由式（1）～式（3）可得：

電阻R1=R3=R4=R5=R9=4.9 kΩ，因此：

即VO3∈（0 V，1.6 V）

同比例放大電路用于將VO3放大，即：

且：

由式（7）、式（8）可得：

電阻R7=5.1 kΩ，R8=1 kΩ，Vout=6.1 VO3，即Vout∈（0 V，9.76 V）。

因此，電流處理單元的功能是將基準電流信號轉換為0～9.76 V 電壓值。

3.2 電壓處理單元

電壓處理單元是對變送器輸出的電壓信號進行預處理，以提高模擬信號的分辨率與信噪比。試驗現場變送器輸出的電壓信號為0～10 V，在電路設計中，需要通過RC 濾波器、電壓跟隨器對模擬信號進行濾波，RC 濾波器可按信號頻率進行濾波，避免高頻干擾；電壓跟隨器具有高輸入阻抗、低輸出電阻的特點，在電路中起到緩沖、隔離等作用。原理圖如圖3 所示。

圖3 電壓轉換電路Fig.3 Voltage conversion circuit

4 準確性設計

為降低分立元器件系統誤差的影響，提高變送器信號測量的準確性，通過對測量信號全量程標定，找到實測信號與標準信號之間的數學模型，并利用該數學模型進行數據補償，從而消除系統誤差對測量信號的影響，下文以電流型變送器為例進行介紹。

由3.1 可知，電流型變送器輸出的4～20 mA 電流信號經處理單元轉換為0～9.76 V 電壓值。根據采樣原理，輸入電流與采樣值的對應關系為

式中：ξ（AD（n））為采樣值；ξ（Vin（n））為輸入電壓值；Vref為基準電壓值。

但在實際檢測過程中，AD 采樣值存在零點誤差和滿刻度誤差。因此，在計算之前需進行零點校準和滿刻度校準，即將標準的4 mA、20 mA 電流接入數據采集裝置，讀取當前AD 采樣值ξ（AD（4））和ξ（AD（20）），可得：

根據（ξ（AD（4）），4），（ξ（AD（20）），20）兩點確定直線方程，得到實測電流Iout計算方程：

式中：ξ（AD（4））為零點采樣值；ξ（AD（20））為滿刻度采樣值；ξ（AD（n））為當前采樣值。在測量過程中，將式（10）帶入式（12）即可計算得到變送器的當前電流值。

5 測試

5.1 功能測試

在實驗室搭建模擬試驗平臺，對數據采集裝置的電壓數據讀取指令、電流讀取指令、參數設置指令以及數據通信進行全功能測試，連續測試12 h，記錄測試結果，如表1 所示。

表1 通信功能試驗結果Tab.1 Test results of communication function

由表1 可知，數據采集裝置能夠完全正確地按照通信協議進行數據幀的收發，且電流讀取、電壓讀取、參數設置和數據通信均合格。因此，數據采集裝置功能測試合格。

5.2 性能測試

為測試信號補償算法功能，分別通過帶信號補償算法和不帶信號補償算法的裝置測量標準信號，擬合得到測量結果與標準值的關系。如圖4 所示，I0、V0分別為標準電流、電壓信號曲線；I1、V1分別為經信號補償算法的仿真曲線；I2、V2為未加算法的仿真曲線。由圖可知，經數據補償算法處理后得到的數據更加準確、平滑，可以有效降低噪聲干擾，提高變送器信號測量的準確性。

圖4 信號檢測對比圖Fig.4 Comparison diagram of signal detection

為準確得到裝置的檢測精度，通過福祿克（FLUKE 754）過程信號校驗儀做對標試驗。由校驗儀輸出電流、電壓的標準值（電流輸出精度：0.01 mA；電壓輸出精度：0.01 mV），通過通訊接口實時讀取該標準值對應的實測值，每隔2 min 記錄標準值與實測值的偏差值（每種模擬量測量數據應≥2000 組數據），連續測試10 min，測試結果如表2 所示。

表2 電流、電壓信號檢測結果Tab.2 Current and voltage signal detection results

根據表2 分別計算電流、電壓檢測偏差值的均值和標準差。電流檢測偏差值的均值λ1=0.062 mA，標準差σ1=0.003，電壓檢測偏差值的均值λ2=0.39 mV，標準差σ2=0.002，即λ1≤0.1 mA，λ2≤1 mV，且數據穩定性高，滿足電流最大檢測誤差≤，電壓最大檢測誤差≤的要求。

6 應用

數據采集裝置已在某監控系統中應用，從2022年8 月穩定運行至今，產品功能和性能均滿足試驗現場需求。如圖3 所示為某系統應用實物圖，圖5（a）為現場站的監控柜，負責站內變送器、閥門等設備信號采集與遠程數據交互。數據采集裝置安裝在監控柜中，其信號采集接口直接與壓力變送器、流量變送器的信號輸出相連，處理后的數據通過通訊接口發送至上位機，從而實現工程現場壓力、流量等物理信號的遠程監控。

圖5 現場應用實物圖Fig.5 Physical map of field application

7 結語

根據工程現場需求，研制了一種集變送器信號采集、傳輸于一體的數據采集裝置，可逐步替代工程現場二次表、PLC 等設備，在系統自主化建設及成本控制等方面有著重大意義。通過分析變送器輸出信號特點，搭建基于分立元器件的信號預處理電路，實現了變送器輸出信號至基準電壓值的高精度轉化，解決了集成芯片價格昂貴、供貨周期長、存在斷供風險的問題；并針對外界噪聲干擾和元器件的固有測量誤差，設計了適用于數據采集裝置的信號處理算法，利用過程信號校驗儀建立標準信號與實測信號的數學模型，通過對變送器測量數據全量程標定與校準，保證了信號測量的準確性。通過仿真測試，該采集裝置的各項功能指標和性能指標均符合設計要求，可以在工程現場廣泛推廣應用。