分布式电位监测数据采集系统的实现

魏春华，颜树华，董浩斌，刘　欢

(1．国防科学技术大学机电工程与自动化学院，湖南长沙　410073；2．中国地质大学(武汉)机械与电子信息学院，湖北武汉　430074)

0　引言

电位法监测技术是依据传导类电法勘探的理论，通过测量地面电位梯度的变化来解释和推断目的层段的相关参数，其中地面电位梯度的变化是由注入到压裂层位(或注水层位)内高电离能量的工作液所引起。早在20世纪70年代末，电位法测量技术就在油田勘探中得到应用。该方法在油气田寻找和开发中发挥了重要作用。

20世纪80年代初，我国也展开了这方面的研究工作，完成了方法理论、室内试验及现场试验等相关工作。由于该测量技术是基于人工在目的层段所造成的低电阻率异常体在地面产生的变化，即不依赖于目的层段岩石的自然状况，如弹性模量参数等，故在煤层气勘探领域中发挥着重要的作用，而且此方法在煤层气井压裂裂缝方位测定方面，也是其他方法所不能比拟的[1]。

文中设计了一种适合在野外工作的电位法监测仪器装置，该仪器系统结构简单，测量方便实用，界面设计人性化，测试结果满足实际测量的要求。

1　仪器系统总体方案

根据俄罗斯自然电位法探测经验表明：当一点受到激励信号时，会在以激励中心为圆心、不同半径的测量圆环上产生微弱的地面电位差，根据电位差的特征，可以推测出该地区的矿藏情况。由于电位差非常微弱，因此，数据采集系统的技术要求为：(1)采用24位A/D转换器；(2)下位机和上位机之间通过CAN总线进行通信和数据传输。

电位法监测仪器在野外工作的布置如图1所示，在该测试点布置了3个测试环，3个测试圆环距离测试中心的距离逐渐增加[2]。仪器系统主要由上位机(接收机)、下位机(采集盒)、CAN总线、供电线和发射机组成。其中，上位机负责发送控制指令、接收和处理下位机传输过来的数据；下位机通过接收上位机的指令、采样数据并传输给上位机；CAN总线负责上位机和下位机之间的通信。

图1　电位监测野外工作布置示意图

上位机通过4条线与下位机相连，其中2条为数据线，2条为电源线(整个系统用24 V电源供电)。上位机先向发射机发送命令，激励源产生相应的激励信号，同时通知所有下位机开始采集电压，具体结构见图2。

图2　整机系统框图

2　数据采集系统硬件设计

下位机数据采集系统以MCU(STM32F103RB)为核心[3]，结构图如3所示。

图3　采集系统分机结构图

采集系统硬件部分功能是对激励后大地所产生的微弱信号进行放大、采集、处理与传输。主要由前置放大、DA补偿电路、A/D采样、CAN中继器模块构成。末级由上位机完成数据存储与显示。

该系统实现了控制指令的发送，微弱信号的采集、处理，数据的存储与实时显示等功能。系统硬件框图如图4所示。

图4　系统硬件框图

2．1前置放大电路设计

前置放大电路的主要作用是为微弱信号提供电压增益，以满足A/D转换对电平的要求。为了检测到完整的信号，对前置放大电路有很高的要求：高输入阻抗(阻抗匹配)、高共模抑制比CMRR、低噪声、低漂移、增益可选等，而且由于野外工作供电不是很方便，所以仪器必须具有低功耗的性能。

前置放大电路由低功耗、高精度的仪表放大器AD620及其外围电路组成。在信号输入端分别向±5 V电源两端串接二极管，对运放起到钳位保护作用。同时在输入端接入RC滤波网络，尽可能降低噪声[5]。其基本电路图如图5所示。

图5　前置放大电路图

2．2D/A补偿电路设计

由于在进行野外测试时，在没有外加激励信号时，运放的两个输入端仍可能存在微小的自然电位差，而这个电位差是测量不需要的，因此必须设法将其消除。由于AD620的信号输出是其相对芯片REF管脚的电压差。因此，在电路中设计D/A补偿电路将自然电位测量出来后接入放大器的REF端，对自然电位进行补偿。

D/A采用LTC1596，后加精密运放LT1112，将电流值转换为电压值，后再由一片LT1112实现一加法电路，实现从负参考电压到正参考电压的输出，其基本电路图如图6所示。

图6　DA补偿电路图

2．3A/D采样电路

A/D转换器使用24位Δ-Σ型高准确度模数转换器LTC2411。其内部具有精度较高的集成振荡器时钟，外部不需任何频率调整元件，内部的四阶数字陷波滤波器对50 Hz或60 Hz的信号具有最小为110 dB的衰减能力。该转换器具有2 ppm的线性度，24 位无漏码，4 ppm的满度增益误差，1 ppm 的失调误差，0．29 ppm的噪声等优良直流性能和良好的低噪声特性。

A/D转换器的基准源选择LTC6655，用于提供精确的基准电压。LTC6655具有极高精度，其基准噪声为0．25 ppm(0．1～10 Hz)，温漂2 ppm/°C(最大值)，负载调整率<10 ppm/mA，输出电压为1．25 V，精度为±0．025%，是基准源的理想选择。

3　CAN总线通信电路

由于系统要实现多点通信(包括一对多和多对一)，因此选择CAN总线作为通信方式。设计方案实现了与控制现场之间数据信息的采集、传输、数据处理以及通过CAN总线与上位机进行数据交互等任务，并使系统在低成本、高性能、高可靠等方面达到了新的高度[5]。

3．1系统通信的硬件实现

以往的CAN总线搭建设计大多是采用 MCU加CAN控制器或更多芯片的方案来解决的。例如，使用1片MCU加2路CAN控制器的结构实现中继器；或使用双MCU结构设计CAN总线中继器；也有使用独立双CAN 控制器作为2路CAN 接口的控制器来设计 CAN中继器。以上方案的电路都比较复杂，MCU与CAN控制器通过外部总线连接，数据吞吐速度慢，整体可靠性也比较差[6]。

由于STM32F103内部集成了双路的CAN控制器，CAN中继器的节点电路也就变得相对简单了。

CTM8251是一款带隔离的通用CAN收发器芯片，该芯片在不到3 cm2的芯片上内部集成了所有必需的CAN隔离及CAN收发器件，并且具有DC 2 500 V的电平隔离功能。其主要功能是将CAN控制器的逻辑电平转换为CAN总线的差分电平。该芯片符合ISO11898标准，因此，它可以和其他遵从ISO 11898标准的CAN收发器产品互操作。实践证明采用CTM8251不仅使系统真正与外接隔离开，抑制了串入干扰，提高了系统的可靠性，简化了CAN节点外围电路的复杂度，同时还降低了成本，具有较高的性价比[7]。

图7中120 Ω为选用的终端匹配电阻，如果网络中已经有一对匹配电阻，则不使用该电阻。另外，电路中软件可用于CAN网络的ID标志和设置相应的波特率。

图7　CAN节点电路

3．2CAN转USB模块说明

由于上位机设计采用PC机，故使用CAN转USB模块，方便上位机与下位机之间的通讯[8]。

GC-Tech CAN分析仪是CAN产品开发、CAN 数据分析的强大工具；同时，USB接口和USB供电具有体积小、即插即用等特点，也是便携式系统用户的最佳选择。 GC-Tech CAN分析仪自带光电隔离模块，避免由于地环流的损坏，增强系统在恶劣环境中使用的可靠性。性能如下：(1)PC 接口：USB2．0 接口；(2)数据传送速率：CAN控制器数据传送速率可编程，最高达1 Mbit/s；(3)CAN 通讯接口：4芯端子；(4)CAN协议：支持CAN2．0A、CAN2．0B协议，符合ISO/DIS 11898；(5)供电方式：USB总线供电(400 mA)；(6)光电隔离：1000 V DC；(7)工作温度：-25～70 ℃；(8)物理尺寸：115 mm×76 mm；(9)运行环境：Win9X/Me、Win2000/XP 操作系统。

4　系统软件模块设计

4．1主程序流程图

系统的软件由主程序和子程序组成，各个子程序在主程序的协调下运作，其流程图如图8所示。

图8　主程序流程图

4．2上位机界面程序设计

4.2.1上位机控制流程

上位机主要负责给下位机发送控制指令，并将下位机采集的数据进行显示、处理、存储等，具体工作流程如下：(1)通知所有采集器，采集自然电位V0i；(2)发射信号，延时N1s；(3)通知所有采集器采集数据V1i；(4)关闭发射机；(5)传输数据V0i、V1i，或传输V1i～V0i；为了抗干扰，可能为：(6)延时T1，时间从关断发射机开始计算，包括传输数据时间；(7)采集自然电位V0i；(8)反向供电，延时N1s；(9)采集数据V2i；(10)关闭发射机；(11)传输数据V0i、V2i，或传输V2i～V0i．

4.2.2上位机界面的设计

上位机界面主要包括以下内容：测点文件(包括测线、点号、文件名等)、激励发射参数(包括波形选择、供电时间)、接收参数(包括增益、采样时间间隔、叠加次数)、数据显示、数据保存等[9]。

当上位机发送控制指令之后，下位机开始采集数据，将A/D采集到的数据发送给上位机，经过上位机处理，在画图插件上显示，运行界面如图9。

图9　上位机运行图

5　系统测试

5．1测试仪器

电压信号来源：大华DH1718E-4型直流双路跟踪稳压稳流源；标准电压表：Agilent-34411A．

5．2校准

为了产生微弱信号，用电桥法进行模拟，测量桥臂中间两端的电压差，电桥4个电阻中R1、R2、R3使用100 kΩ的精密电阻，R4使用100 kΩ精密电阻串接100 kΩ电位器。通过调节电位器，实现两端电压差在0～1 mV之间变化。数据采集系统通过放大器放大1 000倍，将测得数据输送给ADC进行采样，再通过程序处理将原始电压值显示出来。同时用标准电压表进行测量，实时观察采集系统显示的电压值并和标准电压表的读数进行比对。

大量的测试数据表明，尽管AD620能确保高增益精密放大所需的低失调电压、低失调电压漂移和低噪声等性能，但是输入值跟实际测量的输出值相比还是存在一定的误差，图10为信号源输入3 mV信号时的幅频响应。

图10　 AD620幅频响应曲线

为了尽量的降低误差，必须采用软件的方法加以修正。修正方法是在STM32程序里面加入修正公式，修正公式如下：

修正后输出值=原输出值+修正系数

修正系数用大量的测量结果拟合，分区间段来进行修正，修正数据如表1所示。

表1　电压修正系数　μV

5．3系统总体测试

程序中加入修正公式后开始进行整体测试，整个系统达到的性能指标如下：信号幅度0～1 mV；灵敏度1 μV；精度0．005 mV；采样率10 Hz．

将系统整机上电进行测试，先不对电桥进行供电，使D/A对自然电位差进行补偿，然后给电桥供电，微调电桥的滑动变阻器，进行电压测量，测试结果如表2所示。

表2　测试数据结果　μV

误差原因分析：由测量结果表明，对小信号进行测量时，与标准电压表进行比较，采集系统显示的结果会有一定的波动，但上下浮动都在5 μV以内。达到了最初的设计需求。

参考电压源的稳定与否对于ADC的精度起了非常重要的作用。同时由于外界因素的影响，如外界温度的变化和反馈网络的负载效应引起的分压比的非线性、放大器器件的非线性以及动态范围不够宽的非线性误差等都是制约测量精度进一步提高的主要因素。如果想进一步提高精度，必须对以上问题进行克服和解决。

6　结束语

文中设计了一种基于CAN总线的分布式高精度数据采集系统。整个系统实现了对微弱信号的高精度测量，测量精度达到了0．005 mV．经实验测试，系统通信稳定，测量数据实时可靠，电压采集精度高，并且使用方便，实现了PC机对分布的子系统进行命令控制和数据采集、存储和显示等功能。

所做的实验都是在比较理想的条件下测试分析，然而系统终将要应用于复杂的野外环境，可能存在未知的干扰因素，需要批量生产，实地测量才能做出相应的改进。上述测试结果表明：该仪器利用电位法井间监测技术，能为油井(煤层气井)的压裂裂缝方位及生产措施评价等方面的生产实际问题提供实际参考，是目前一种新型的井间监测技术。该仪器系统在地质勘探领域、煤层气勘探领域、进行煤层气井压裂裂缝方位测定以及油气田寻找和开发中都将发挥重要作用。

参考文献：

[1]吴柏志，李军．电位法井间监测技术在压裂裂缝监测中的应用．石油地质与工程，2011，25(2)：126-128．

[2]苏朱刘．电位法在油储动态监测中的应用．石油天然气学报．2006，28(2)：56-59．

[3]张莹、乔建国．基于ARM的智能仪表系统的设计．自动化应用，2011(2)：59-62．

[4]孙启富，孙运强，姚爱琴．基于STM32的通用智能仪表设计与应用．仪表技术与传感器，2010(10)：34-37．

[5]杨建强，廖丹．高精度差动放大器AD620构成的四频差动激光陀螺数字稳频系统．电光与控制，2009，16(7)：62-64．

[6]汪孟寅，高明煜．基于STM32F105微控制器的双CAN冗余设计．杭州电子科技大学学报，2011，31(2)：9-13．

[7]杨旗，陆云龙．基于CAN总线的传感器网络节点设计．仪表技术与传感器，2011(9)：95-96．

[8]米兰，任子晖，黄涛．基于CAN总线和VB6．0的煤矿井下温度监测系统设计．煤矿机械，2012，33(11)：253-255．

[9]宁辉，孙学艳，刘建，等．VB6．0环境下基于USB的虚拟串口通讯实现．现代电子技术，2012，35(6)：45-48．