針對井下傳感器的電磁干擾自動測試系統(tǒng)*

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(shè)備、驅(qū)動大型電力設(shè)備的普及，這些設(shè)備造成的電磁干擾對煤礦安全生產(chǎn)非常不利，對井下傳感器的數(shù)據(jù)采集和信號傳輸更是造成明顯干擾[1-3]。在安全監(jiān)控系統(tǒng)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(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)測效果與系統(tǒng)的可靠性[4-5]。除環(huán)境造成的自身損耗外，電磁干擾更會降低傳感器采集數(shù)據(jù)的準確性，由于電磁干擾具有瞬時性強、難以監(jiān)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(xué)有效的測試和分析，可以提高數(shù)據(jù)采集精確度，LabVIEW恰恰是一種利用圖形化語言代替文本創(chuàng)建應(yīng)用程序的編程語言，采用數(shù)據(jù)流編程的方式實現(xiàn)各種測試、測量等功能[8-10]，最重要的是，LabVIEW軟件內(nèi)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(jié)合單片機搭建傳感器的測試測量環(huán)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(guān)報道，如董鵬等[13]人以LabVIEW作為上位機開發(fā)平臺，設(shè)計出一款多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，已實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的采集和電磁濾波處理。為此，針對傳感器在井下環(huán)境受到電磁干擾的問題，利用LabVIEW編程實現(xiàn)與傳感器通信并對受到電磁干擾的數(shù)據(jù)信號進行采集濾波。

1 整體方案設(shè)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(zhuǎn)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(shù)據(jù)，電快速瞬變脈沖群模擬試驗器產(chǎn)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(shù)據(jù)，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(tǒng)試驗裝置圖

1.2 硬件電路設(shè)計

硬件電路主要包括信號處理電路與STM32F407外部A/D模塊?？紤]到硬件電路的使用環(huán)境，首先在信號輸入端采用保險絲FU1對后續(xù)電路進行保護，穩(wěn)壓管VD14對輸入信號進行穩(wěn)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(wěn)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(shù)字電源地與模擬電源地提高電路穩(wěn)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(shù)據(jù)樣本。硬件平臺搭建好之后，需編寫相應(yīng)的LabVIEW程序，實現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)的采集,以及對受到電磁干擾數(shù)據(jù)的濾波處理。

2 LabVIEW軟件程序設(shè)計

LabVIEW程序由兩部分組成，第1部分是數(shù)據(jù)采集程序用來實現(xiàn)與傳感器數(shù)據(jù)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(huán)境中的數(shù)據(jù)實現(xiàn)濾波處理。同時通過LabVIEW軟件特有的TDMS文件實現(xiàn)對大量數(shù)據(jù)的存儲以及打開，以便后續(xù)對數(shù)據(jù)的進一步分析。

2.1 LabVIEW數(shù)據(jù)采集程序

數(shù)據(jù)采集前面板：LabVIEW數(shù)據(jù)采集前面板包括IP地址、遠程端口、接收數(shù)據(jù)長度顯示、接收數(shù)據(jù)顯示、采樣頻率、采樣點數(shù)、保存TDMS文件、時域波形顯示和幅度值顯示等。只有當LabVIEW數(shù)據(jù)采集程序接收的數(shù)據(jù)無錯誤、無丟失，才能保證在電磁干擾環(huán)境下，濾波結(jié)果準確無誤。前面板“數(shù)值”欄顯示的是一次可接收的數(shù)據(jù)為65 536字節(jié)，每次發(fā)送數(shù)據(jù)間隔為300 ms，“時域波形”是把接收的全部數(shù)據(jù)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(jié)數(shù)據(jù)，可通過上下拉列表對話框查看數(shù)據(jù)，“模塊”欄顯示是前面板，TDMS文件采用隊列的方式傳輸命令數(shù)據(jù)，將采集的全部數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)采集前面板示意

數(shù)據(jù)采集后面板：圖3是LabVIEW數(shù)據(jù)采集程序后面板示意圖。如圖所示，它主要由TCP數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)高低位顯示、TDMS文件讀取，以及數(shù)據(jù)圖形化顯示4部分組成。

圖3 LabVIEW數(shù)據(jù)采集程序后面板示意

工作方式：LabVIEW數(shù)據(jù)采集程序通過以太網(wǎng)接收光纖甲烷傳感器傳送給分站的數(shù)據(jù)信號，前面板輸入的地址、遠程端口號應(yīng)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(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)到LabVIEW上位機，LabVIEW端發(fā)送啟動命令，數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，在其過程中要保證數(shù)據(jù)完整、不丟失、數(shù)據(jù)傳輸不擁堵，因此采用TDMS文件對數(shù)據(jù)進行快速寫入和讀取并且通過隊列的方式來傳輸數(shù)據(jù)命令，將大量數(shù)據(jù)保存、顯示在Excel Importe表格中。TDMS文件的優(yōu)點是實現(xiàn)大數(shù)量的數(shù)據(jù)保存，不會造成數(shù)據(jù)擁堵、數(shù)據(jù)打開困難等問題，也可將采集的數(shù)據(jù)一次性保存后，直接的顯示在圖形界面，可以進一步分析數(shù)據(jù)，并且數(shù)據(jù)在LabVIEW中能完整地讀取和顯示，對采集的數(shù)據(jù)能進行數(shù)據(jù)處理。

2.2 電磁干擾濾波器軟件程序設(shè)計

數(shù)據(jù)收集：煤礦井下應(yīng)用的中頻(300～1 000 kHz)通訊系統(tǒng)對井下電子設(shè)備、監(jiān)控系統(tǒng)有嚴重電磁干擾，會產(chǎn)生誤動或拒動，對煤礦安全生產(chǎn)存在潛在威脅，有必要對井下電磁干擾抑制進行設(shè)計和測試[14]。當上述數(shù)據(jù)采集程序正常運行、數(shù)據(jù)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(huán)境，即用電快速瞬變脈沖群發(fā)生器對通信電纜產(chǎn)生電磁干擾，對該過程中的數(shù)據(jù)進行采集，并對受到電磁干擾的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)與未受干擾的原始數(shù)據(jù)。

參數(shù)設(shè)置：表1為電快速瞬變脈沖群模擬試驗器產(chǎn)生脈沖信號頻率參數(shù)設(shè)置。在數(shù)據(jù)傳輸過程中，會隨機產(chǎn)生100個脈沖干擾，采集了不同頻率的4組電磁干擾數(shù)據(jù)，通過LabVIEW數(shù)據(jù)采集程序?qū)⑹芨蓴_的數(shù)據(jù)采集寫入到Excel Importer，再通過電磁干擾濾波器讀取該數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)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(shù)1電磁干擾濾波器的前面板示意圖。由表1知，參數(shù)1的頻率為300 kHz，脈沖數(shù)為100，電磁干擾濾波器前面板程序設(shè)計包括TDMS文件打開顯示，脈沖干擾的數(shù)據(jù)采集波形顯示和濾波處理后數(shù)據(jù)采集波形顯示。由圖4可知，LabVIEW程序可將采集的數(shù)據(jù)所用數(shù)據(jù)顯示于波形圖表中，但其采集的數(shù)據(jù)量太大，數(shù)據(jù)折疊難以清晰顯示，不利于分析，為了更加直觀地說明數(shù)據(jù)處理結(jié)果，將圖中橫坐標放大，以下參數(shù)2、3、4也將直接分析放大后的波形。

圖4 參數(shù)1電磁干擾濾波器前面板示意

表1 瞬變脈沖群模擬器產(chǎn)生脈沖信號參數(shù)設(shè)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(shè)計包括TDMS文件打開、TDMS文件讀取、濾波器設(shè)置等。程序中數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)進行處理，對濾波器參數(shù)設(shè)置調(diào)用IIR，生成Butterworth濾波器，對脈沖干擾數(shù)據(jù)進行濾波處理。

濾波計算過程：圖5框圖中為濾波器參數(shù)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(yīng)(IIR)濾波器拓撲結(jié)構(gòu)選擇Butterworth、階數(shù)選擇3。將采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過顯示，通過濾波器設(shè)置無限長沖激響應(yīng)(IIR)Butterworth數(shù)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(shù)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(tǒng)函數(shù)分母與分子的系統(tǒng)數(shù)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(jīng)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(dǎo)結(jié)果與試驗結(jié)果一致，結(jié)合公式推導(dǎo)，得到濾波波形，對程序中的濾波器參數(shù)進行配置。

電磁干擾濾波器處理：圖6是參數(shù)1電磁干擾濾波器細節(jié)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(shù)據(jù)波形，而下面波形則顯示為濾波后的數(shù)據(jù)波形。通過電磁干擾濾波器程序處理，可將數(shù)據(jù)中電磁干擾濾掉，并與未受干擾的原始數(shù)據(jù)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(shù)1電磁干擾濾波器細節(jié)放大示意

圖7是參數(shù)2電磁干擾濾波器細節(jié)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(shù)據(jù)波形，而下面波形則顯示為濾波后的數(shù)據(jù)波形，由圖可知，通過濾波器處理，可以將數(shù)據(jù)干擾濾掉，并與未受干擾的原始數(shù)據(jù)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(shù)2電磁干擾濾波器細節(jié)放大示意

圖8是參數(shù)3電磁干擾濾波器細節(jié)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(shù)據(jù)波形，而下面波形則顯示為濾波后的數(shù)據(jù)波形，由圖可知，通過濾波器處理，可以將數(shù)據(jù)干擾濾掉，并與未受干擾的原始數(shù)據(jù)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(shù)3電磁干擾濾波器細節(jié)放大示意

圖9是參數(shù)4電磁干擾濾波器細節(jié)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(xiàn)了采集錯誤。

圖9 參數(shù)4電磁干擾濾波器細節(jié)放大示意

重復(fù)試驗：為了更加清晰地說明問題，將干擾頻率設(shè)置大于等于1 000 kHz，進行多次試驗，均出現(xiàn)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(shù)據(jù)讀?。簩⒉杉降碾姶鸥蓴_數(shù)據(jù)通過TDMS文件在LabVIEW軟件中打開，讀取數(shù)據(jù)，進行濾波器設(shè)置，以得到濾波后的波形。其中“Butterworth濾波器”函數(shù)節(jié)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(yīng)用中，可以根據(jù)濾波情況，對井下電磁干擾分布進行分析。

3 結(jié)語

結(jié)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(tǒng)，可實現(xiàn)傳感器的數(shù)據(jù)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(shù)量的數(shù)據(jù)實時保存于Excel Importer。試驗結(jié)果表明，頻率為300～1 000 kHz的電磁干擾，經(jīng)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(shù)據(jù)對比，接收的數(shù)據(jù)基本一致，可通過該系統(tǒng)對井下電磁干擾進行分析測試，同時將該系統(tǒng)應(yīng)用于傳感器數(shù)據(jù)采集，可大大提高數(shù)據(jù)采集的準確性和安全性，具有較大的實用價值。