基于labview 的STM32 串口数据采集系统

2020-01-09欧姗姗冯旭东李国玮

云南化工 2019年12期

欧姗姗，徐飞，宋楠，冯旭东，李国玮

（1.西安石油大学，陕西西安 710065；2.中国石油测井集团有限公司，陕西西安 710065）

针对现代钻井新技术对随钻数据传输及其信息处理的要求，对井下声波无线遥测系统信号采集与处理进行基础理论研究，对于井下传输到地面的信号特征进行分析，设计了声波无线遥测地面系统的信号处理机制。

1 系统总体设计方案

地面系统的硬件部分主要由放大滤波电路，AD 采集电路以及上位机部分组成。当载有井下信息的声波信号随着钻杆传输到地面之后，地面系统首先用传感器获取到井下声波信号，再通过放大滤波电路，对信号进行初步的放大滤除干扰，将干扰信号滤除之后，交给地面的主控芯片STM32，STM32 控制AD7656 对信号进行采集，将井下传输上来的模拟信号转换成了数字信号，通过SPI 通信，把这个数字信号交给STM32，利用labview 的VISA 库函数，设计对应的串口通信，配合下位机的AD 采集模块，把井下的信号传输给上位机进行显示。系统方案如图1 所示。

2 AD 采集电路

图1 系统设计总方案

采集电路由主控芯片STM32F407 和AD 芯片AD7656 组成，当井下声波信号传输给主控芯片STM32 之后，由AD7656 进行采集，把原来的井下模拟声波信号转换成数字信号，利用labview串口传输给上位机，因为上位机具有很好的交互界面，AD7656 是高集成度、6 通道、16bit 逐次逼近(SAR) 型ADC。这里选择的是STM32F407单片机，上电复位之后，初始化串行口和AD。AD 初始化主要是：时钟的设置，数据输入通道的选择，然后设置中断优先级，将数据采集系统中的数据上传至上位机显示。软件设计流程图如图2 所示。

3 labview 上位机软件编程

3.1 总体设计思路

图2 软件设计流程图

串行通信是工业现场仪器或设备常用的通信方式，早期的仪器单片机等均使用串口与计算机进行通信。上位机软件的整体设计思路如图3 所示。

图3 上位机整体设计图

测井信号采集软件主要分为串口配置，对于曲线的绘制，保存数据和回放数据，各模块的功能如下：

1）先对串口进行配置，设置波特率，字节数，奇偶校验位，停止位。

2）绘制测井曲线是将测得的数据绘制成曲线，更加直观地得到地层信息。

3）保存数据是将测得的地层信息数据保存成文本格式，后期数据处理时，可以调取已经保存好的数据。

4）数据回放是为了方便测井人员查看历史数据。

测井信号处理软件主要分为滤波，解调两部分，各模块功能如下：

5）对采集到的数据进行平滑滤波则是滤除掉叠加在有用信号上的干扰，通过求平均值的方法可滤除此类干扰。

6）解调则是把加载在声波信号上的井下信息分离出来，得到有用信息。

3.2 软件面板

如图4 所示波形图为数据波形显示模块。

图4 上位机接收波形

利用串口和单片机进行通信，运用labview 中的VISA 库函数便可以实现串口通信，这种方法成本较低。采集选择异步通信，在传输速度这方面看来，异步通信没有同步通信好，但是同步通信的优点在于，在一次串行数据传输的过程中，若是出现了错误，仅仅影响一个字节的数据。并且通信双方都要遵从统一的通信协议，方可保证数据成功传输。在串口采集程序中，选择对应的串口号以及波特率，8 位字节数，无奇偶校验位，运行程序，点击开始运行，在接收缓冲区中就会对应显示接收到的数据，在数据波形显示模块则绘制对应的波形，点击停止采集，系统则停止采集数据。

图5 是滤波的波形图，可通过labview 的滤波器模块，为了更加清楚准确地得到FSK 信号，需要用滤波算法对原始信号进行处理，这里用到均值滤波算法，对于一般具有随机性干扰的信号用算术平均值法，寻找一个Y 值，使得该值与各采样值X（k）之间的误差平方和最小，即：

对于其中的高频成分，对于平滑度要求较高，可以采用滑动平滑滤波算法来处理，使采样数据的长度固定为N，每次进行新的采样就把采样结果放在队尾，剔除在队首的一个，这样始终只有N 个数据，只要把N 个数据进行平均求其均值，就可以得到新的滤波值，在labview 中可以通过加法器和乘法器就可以实现滤波方法。

图5 上位机滤波波形

为了把井下信息从声波上分离下来，需要对FSK 信号进行解调，其解调原理是将2FSK 信号分解为上下两路2ASK 信号分别进行解调，然后判决。本次采用相干解调方法，如图6 所示。2FSK 信号为：e2FSK=s1(t)cosω1t+s2(t)cosω2t，公式中s1(t)和s2(t)分别为两路二进制基带信号，基带信号中的，，其中，