肖　站　國海峰

摘要：為了模擬綜合錄井儀快速色譜分析系統(tǒng)中的離子流，設(shè)計了一種基于微處理器dsPIC30F系列的微恒離子流發(fā)生器。該發(fā)生器采用電壓反饋控制及數(shù)字PID調(diào)節(jié)精密浮動電流源輸出恒定微小電流。實際的調(diào)試和運行表明，此系統(tǒng)的輸出電流精度高，達到納安級，抗干擾能力強、體積小，具有很強的實用價值。

關(guān)鍵詞：離子流發(fā)生器：dsPIC30F；數(shù)字PID調(diào)節(jié)

引言

隨著石油勘探開發(fā)技術(shù)的不斷提高，快速色譜分析的作用顯而易見。綜合錄井儀色譜分析系統(tǒng)以數(shù)分鐘取得每米幾組色譜分析數(shù)據(jù)已經(jīng)不能完全滿足現(xiàn)場快速鉆井的要求?？焖偕V分析系統(tǒng)能夠及時準確發(fā)現(xiàn)顯示薄層及超薄油氣層，其C1-C5分析周期小于30s，分析精度高，有效地為石油勘探開發(fā)提供寶貴的第一手資料。因此，在實際使用的過程中，應(yīng)該實時校驗色譜分析系統(tǒng)的性能。其中最為關(guān)鍵的就是要能夠提供高精度的恒定微小的電流模擬實際的離子流，以此保證色譜分析系統(tǒng)的顯示精度及地層分辨能力。同時，離子流發(fā)生器還能夠適應(yīng)現(xiàn)場工作環(huán)境，具有很強的抗干擾性能及便攜性。

本文設(shè)計的微恒離子流發(fā)生器就是滿足色譜分析系統(tǒng)校驗的需要，能夠輸出高精度的恒定微小電流。并且，該發(fā)生器的抗干擾性能能夠滿足現(xiàn)場校驗的環(huán)境需求。微恒離子流發(fā)生器采用Microchip公司的dsPIC30F為主控芯片。該芯片是一款將單片機與DSP技術(shù)相結(jié)合的高性能16位數(shù)字信號控制器，綜合了單片機(MCU)的控制功能和集成了多種外設(shè)的優(yōu)點，以及DSP的計算能力和數(shù)據(jù)處理吞吐能力。此外，它在異常事件處理，軟件開發(fā)環(huán)境等方面也表現(xiàn)出強大的性能。由于dsPIC30F芯片的內(nèi)部資源豐富，基于dsPIC30F平臺開發(fā)的微恒離子流發(fā)生器需要的外設(shè)很少，不但系統(tǒng)的抗干擾性和可靠性能夠滿足微恒離子流發(fā)生器在各種環(huán)境下運行的要求，而且可以提高系統(tǒng)的靈活性，縮短開發(fā)時間，降低開發(fā)成本。

系統(tǒng)硬件

微恒離子流發(fā)生器是以dsPIC30F微處理器為核心的，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。dsPIC30F微處理器根據(jù)電壓給定的輸入，輸出PWM信號：PWM信號經(jīng)過RC濾波電路濾波作為微恒離子流發(fā)生器主電路的電壓給定。同時對給定的電壓取樣反饋電壓輸入給dsPIC30F微處理器內(nèi)部自帶的12位A/D轉(zhuǎn)換器，即可通過取樣反饋電壓對給定電壓進行電壓反饋調(diào)節(jié)。在每次選擇輸出量程時、dsPIC30F微處理器通過采集輸出校準信號、控制輸出校準電路對微恒離子流發(fā)生器主電路進行預(yù)先校準。為了提高A/D轉(zhuǎn)換的精度，采用專門的A/D基準電壓。同時發(fā)生器通過液晶顯示電路實時顯示輸出電流。

如圖1所示，本裝置的硬件結(jié)構(gòu)非常簡單，極大地提高了微恒離子流發(fā)生器的實時顯示性及抗干擾性。

主電路設(shè)本設(shè)計采用電壓負反饋控制技術(shù)設(shè)計精密浮動電流源，輸出電流為兩檔：0～10nA和0～100nA(圖2)。精密浮動電流源由高輸入阻抗運算放大器CA3140構(gòu)成。電壓給定輸入通過電阻R3接到運放A1的同相輸入端，電阻且3=R4=20kΩ。電阻R3與R4之間的電位以增益(I+R2/R1)放大輸出，取Rl=R2=20kΩ。運算放大器A2構(gòu)成了電壓負反饋跟隨電路。微恒離子流發(fā)生器設(shè)計為兩檔輸出，通過繼電器S₁和S₂切換，故取電阻且R_REF1=400MQ和R_REF2=40MΩ，分別對應(yīng)輸出電流I₀的量程為0～10nA和0～100nA。

開關(guān)二極管D₁～D₂構(gòu)成輸出高阻抗隔離電路。由于開關(guān)二級管在正向?qū)ㄟ^程中，具有流經(jīng)的電流小，壓降低，阻抗高的特點，使精密浮動電流源和綜合錄井儀快速色譜分析系統(tǒng)隔離。

運算放大器A₃構(gòu)成自動輸出校準電路。利用dsPIC30F微處理器的PWM占空比能呈線性變化輸出的特性，對輸出電流進行自動校準。輸出校準電路和恒流輸出通過繼電器S₃選擇輸出。電阻R₇為一假負載，取樣電阻R，上的電壓，通過電阻R₆限流從運算放大器A₂的同相輸入端輸入校準電壓、然后跟隨輸出至dsPIC30F微處理器的內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器端口。取R₅=2kΩ，R₆=20kΩ，R₇=10MΩ。

給定電壓反饋控制電路

根據(jù)電壓給定的數(shù)字輸入量，寫入相應(yīng)的占空比數(shù)據(jù)到PWM占空比緩沖寄存器，數(shù)字信號控制器dsPIC30F4013便輸出PWM信號。PWM信號由電阻R_R、電容C₁構(gòu)成的RC濾波電略高頻濾波后，經(jīng)過由運算放大器A₄構(gòu)成的跟隨器輸出給主電路，如圖3所示，R₈=10kΩ、C₁=1μF。電阻R₉及穩(wěn)壓管D5構(gòu)成反饋取樣電路，反饋電壓和給定電壓相等，輸入到數(shù)字信號控制器dsPIC30F3014內(nèi)部的12位A/D轉(zhuǎn)換器端口，因此，通過電壓反饋控制即可調(diào)整給定電壓輸出。其中，電阻R₉=1kΩ，起限流作用；穩(wěn)壓管D₅用DIA732A。

LCD顯示模塊

LCD顯示模塊采用C00511-12864液晶模塊。設(shè)計采用6800時序的接口方式(如圖4)。微處理器dsPIC30F4013的RD3引腳連接LCD顯示模塊的使能端，下降沿閉鎖：RC13引腳連接命令數(shù)據(jù)選擇端、高電平為數(shù)據(jù)選擇輸入，低電平為命令選擇輸入；RC14引腳連接6800時序讀寫信號選擇端，高電平為讀數(shù)據(jù)，低電平為寫數(shù)據(jù)。LCD模塊片選端始終接地。

系統(tǒng)軟件

軟件在Microchip公司的MPLAB IDE可視化集成開發(fā)環(huán)境下運行，使用C30編譯器編寫。MPLAB IDE提供了方便且功能豐富的界面、其中C30編譯器提供了C語言的標準特性。微恒離子流發(fā)生器的軟件主要由主程序和子程序模塊組成。主程序主要完成電壓給定數(shù)字量輸入和量程選擇的人機接口服務(wù)、輸出校準及面板顯示等功能。子程序模塊包括按鍵輸入捕捉中斷、A/D轉(zhuǎn)換和處理子程序和電壓給定PID調(diào)節(jié)輸出子程序。

數(shù)字濾波器設(shè)計

由于工作人員需隨身攜帶微恒離子流發(fā)生器，因此要求微恒離子流發(fā)生器對工作環(huán)境適應(yīng)性和抗干擾性強。

在數(shù)據(jù)采集及處理時采用了dsPIC30F4013內(nèi)部12位精度的A/D轉(zhuǎn)換器采集轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，并采用防脈沖干擾平均濾波算法與滑動平均濾波算法相結(jié)合的濾波器，減少了對數(shù)據(jù)的偶然脈沖性千擾并抑制了周期性干擾，增強了數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和可靠性。

A/D轉(zhuǎn)換采用Timer3定時器定時，每100gs自動轉(zhuǎn)換的模式，即ADCON1=0x0044；采用掃描輸入的方式，每16個采樣點后發(fā)生中斷，即AADCON2=0x043C。本系統(tǒng)使用了2路通道掃描輸入，一次轉(zhuǎn)換后，每路通道的信號都采集了8個采樣點，然后對8個數(shù)據(jù)排序并去掉其中的最大值和最小值，再求平均值處理，并形成8個數(shù)據(jù)隊列，減少了偶然出現(xiàn)的脈沖性干擾，消除由此引起的采樣值偏差；然后每次采樣到一個新數(shù)據(jù)放人數(shù)據(jù)隊尾，并扔掉原來隊首的一個數(shù)據(jù)，把數(shù)據(jù)隊列中的8個數(shù)據(jù)進行算術(shù)平均運算，即獲得濾波結(jié)果，由此可抑制周期性干擾，濾波平滑度較高。

數(shù)字PID調(diào)節(jié)器設(shè)計

電壓反饋調(diào)節(jié)采用數(shù)字PID調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)，首先dsPIC30F4013采樣給定電壓作為反饋電壓，并和電壓給定輸入值進行比較，再利用比較差值e(k)進行PID調(diào)節(jié)、公式如下：

其中，u(k)為第k次采樣計算的到的PWM占空比值，e(k)為第k次采樣誤差。通過設(shè)定比例K_p、積分K₁、微分K_D常數(shù)即可閉環(huán)調(diào)節(jié)電壓給定輸出值。電壓給定輸出子程序主要是利用dsPIC30F4013內(nèi)部的輸出比較模塊，使其工作在PWM模式下。dsPIC30F4013根據(jù)給定輸入的數(shù)字量裝載相應(yīng)的占空比，從而輸出對應(yīng)不同電壓的給定值。配置輸出比較模塊2為PWM輸出模式OC2CON=0x0006，并設(shè)定時間基值周期PR2=0x0884，即5kHz。

結(jié)語

本微恒離子流發(fā)生器，采用了運算放大器設(shè)計的精密浮動電流源輸出恒定微小電流，模擬色譜分析系統(tǒng)中的離子流，利用了16位高性能數(shù)字控制器dsPIC30F實現(xiàn)了給定電壓的電壓反饋控制及PID調(diào)節(jié)，并利用雙重數(shù)字濾波算法使得輸出電流恒定在納安級，且能夠LCD實時顯示輸出電流。按照此方案設(shè)計的系統(tǒng)成功研制了60套設(shè)備并應(yīng)用于色譜分析系統(tǒng)中。實際的調(diào)試和運行表明，此系統(tǒng)的輸出電流精度高，抗干擾能力強，體積小，具有很強的實用價值。