隨鉆感應(yīng)式電能信號(hào)耦合裝置測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

劉復(fù)玉，李 林，李立剛，郝憲鋒，賈建波

（1. 中國(guó)石油大學(xué)（華東）控制科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266580；2. 中國(guó)石油大學(xué)（華東）海洋與空間信息學(xué)院，山東 青島 266580；3. 中海油田服務(wù)股份有限公司 油田技術(shù)研究院，北京 101149）

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，萬物互聯(lián)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)給人們的生活和工作帶來方方面面的巨變，許多高校也開設(shè)了相關(guān)的課程。但由于實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)有限，相關(guān)實(shí)驗(yàn)設(shè)備更新?lián)Q代的速度常常落后于技術(shù)發(fā)展的速度，實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的設(shè)備功能單一，可開設(shè)的實(shí)驗(yàn)題目較少，僅能滿足日常教學(xué)的基本實(shí)驗(yàn)需要。因?yàn)槿狈ο鄳?yīng)的硬件條件，暑期的課程設(shè)計(jì)和綜合實(shí)踐中很多稍微復(fù)雜些的題目只能進(jìn)行仿真，學(xué)生興趣不大而且易抄襲。因此如何利用現(xiàn)有條件，改善實(shí)踐環(huán)境、豐富實(shí)習(xí)內(nèi)容就顯得很有意義[1-2]。

為了滿足電子競(jìng)賽和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的需要，創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室近年來引進(jìn)了一批高精度的儀器設(shè)備，例如固緯公司的8105G 電子電橋、是德公司的N5770A 程控電源和DSOX4054A 示波器等，這些儀器精度高，具有多種通信接口和通信方式如通用串口、USB 口、以太網(wǎng)口等，但長(zhǎng)期以來只使用了一些基本手動(dòng)操作功能，遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有發(fā)揮這些貴重儀器的價(jià)值。

隨鉆感應(yīng)式電能信號(hào)耦合裝置是一種非接觸式電磁耦合器，用來實(shí)現(xiàn)初級(jí)和次級(jí)間的非接觸式電源耦合以及數(shù)字信號(hào)的雙向傳輸。該裝置通過非接觸式電磁耦合將初級(jí)輸入的直流電源傳送到次級(jí)，為次級(jí)所連的其他設(shè)備提供電源，同時(shí)為初級(jí)和次級(jí)兩端連接的控制設(shè)備提供雙向串行數(shù)字信號(hào)通道[3-5]。為確保該裝置在井下高溫振動(dòng)環(huán)境下能夠持續(xù)可靠工作，同時(shí)為了更好地培養(yǎng)人才和充分發(fā)揮現(xiàn)有儀器設(shè)備的功能和價(jià)值，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)實(shí)際需要，本文設(shè)計(jì)開發(fā)了隨鉆感應(yīng)式電能信號(hào)耦合裝置測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)常溫和高溫環(huán)境下耦合裝置的全功能模擬測(cè)試，圖1 和2分別是測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)圖和實(shí)物圖。

圖1 電能信號(hào)耦合裝置測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

圖2 電能信號(hào)耦合裝置測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)物圖

1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)方案設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)從功能設(shè)計(jì)角度可分為四個(gè)功能模塊。①電源板動(dòng)態(tài)參數(shù)檢測(cè)模塊：程控電源在計(jì)算機(jī)的控制下，輸出一定規(guī)律的電壓和功率給原邊電路板（包括信號(hào)板、電源板），通過耦合線圈，副邊電路板（包括信號(hào)板、電源板）接收原邊電路板發(fā)出的電能信號(hào)，計(jì)算機(jī)控制的程控負(fù)載模擬現(xiàn)場(chǎng)的用電設(shè)備。通過監(jiān)控程控電源的電源參數(shù)（電壓、電流、功率）和程控負(fù)載參數(shù)（電壓、電流、功率），可檢驗(yàn)和分析電能的傳輸質(zhì)量和可靠性。②耦合線圈電參數(shù)靜態(tài)特性檢測(cè)模塊：利用電子電橋可以分析靜態(tài)下耦合線圈的電感、電容、電阻、電導(dǎo)等電參數(shù)特性。③電源板輔助電源電參數(shù)檢測(cè)模塊：利用高性能示波器、程控電源和輔助電源測(cè)試負(fù)載可以分析電源板輔助電源的電能信號(hào)紋波成分，進(jìn)而分析輔助電源電能輸出質(zhì)量和可靠性。④通信板和通信回路檢測(cè)模塊：RS422 通信模塊、原邊信號(hào)板、耦合線圈、副邊信號(hào)板共同構(gòu)成通信回路，通過檢測(cè)發(fā)送和接收的不同頻率、不同時(shí)長(zhǎng)的信號(hào)，分析和檢測(cè)通信信號(hào)的傳輸質(zhì)量和可靠性。通過以上多角度的檢測(cè)，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)電能信號(hào)耦合裝置的全面檢測(cè)[6-8]。

1.1 電源板動(dòng)態(tài)參數(shù)檢測(cè)模塊

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)電能信號(hào)耦合裝置的電能傳輸可靠性的檢測(cè)，在設(shè)定的溫度節(jié)點(diǎn)（如常溫、125 ℃、145 ℃）條件下，計(jì)算機(jī)控制程控電源輸出一定變化規(guī)律的電壓（波形為正弦、階梯、三角、方波，電壓范圍為43～53 V）和功率給原邊電源板，副邊電源板通過耦合線圈接受原邊電源板傳輸?shù)碾娔?，進(jìn)而傳輸給電子負(fù)載，電子負(fù)載按照一定的變化規(guī)律（正弦、三角、階梯、方波）模擬現(xiàn)場(chǎng)的用電設(shè)備消耗電能，計(jì)算機(jī)通過RS232 和USB 通信協(xié)議來控制和采集程控電源和電子負(fù)載的相關(guān)參數(shù)（電壓、電流、功率），進(jìn)而分析電能信號(hào)耦合裝置的電能傳輸?shù)目煽啃浴榱吮ＷC測(cè)量的精度和可靠性，電子負(fù)載采用艾德克斯IT8512，輸入電壓為0～120 V、輸入電流為1 mA～30 A、輸入功率為10～300 W，可以實(shí)現(xiàn)定電壓、定電流等多種工作方式[9]。圖3 是電源板動(dòng)態(tài)參數(shù)檢測(cè)實(shí)物連接圖。

圖3 電源板動(dòng)態(tài)參數(shù)檢測(cè)實(shí)物連接圖

1.2 耦合線圈電參數(shù)靜態(tài)特性檢測(cè)模塊

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)耦合（包括電能耦合、信號(hào)耦合）線圈電參數(shù)靜態(tài)特性的檢測(cè)，計(jì)算機(jī)采用RS232 通信協(xié)議控制電子電橋，檢測(cè)和分析耦合線圈電感、電阻、電容、電導(dǎo)等參數(shù)。為了保證測(cè)量的精度和可靠性，采用固緯公司的8105G 電子電橋，8105G 測(cè)量精度為 0.1%，具有圖表模式，能夠?qū)崿F(xiàn)電阻 0.1 mΩ～100 MΩ、電感0.1 nH～100 kH、電容0.01 pF～1 F 等大范圍的精確測(cè)量，通過RS232 通信，可實(shí)現(xiàn)測(cè)量參數(shù)和測(cè)量圖片的遠(yuǎn)傳和存儲(chǔ)[10-11]。圖4 和5 分別是耦合線圈電參數(shù)靜態(tài)特性檢測(cè)實(shí)物連接圖和功能示意圖。

圖4 耦合線圈電參數(shù)靜態(tài)特性檢測(cè)實(shí)物連接圖

圖5 耦合線圈電參數(shù)靜態(tài)特性檢測(cè)功能示意圖

1.3 電源板輔助電源電參數(shù)檢測(cè)模塊

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)電源板輔助電源（+15、-15、+5 V）性能的檢測(cè)，計(jì)算機(jī)控制程控電源輸出一定的電壓（43～53 V）和功率給原邊電源板，副邊電源板通過耦合線圈接受原邊電源板傳輸?shù)碾娔埽瑫r(shí)輸出+15、-15、+5 V 輔助電源，為了檢測(cè)輔助電源的帶負(fù)載能力和電源質(zhì)量，分別給不同的電壓加上固定的輔助負(fù)載（5 W），同時(shí)通過高精度的示波器觀測(cè)輔助電源的電壓值和紋波電壓。為了保證測(cè)量的精度和可靠性，采用是德公司的N5770A 程控電源和DSOX4054A 示波器，N5770A 程控電源電壓輸出為0～150 V，電流為0～10 A，功率為0～1 500 W，輸出紋波和噪聲最低分別可達(dá)100 和15 mV。程控電源和示波器采用USB 接口與計(jì)算機(jī)相連，實(shí)現(xiàn)儀器的自動(dòng)控制和測(cè)量數(shù)據(jù)的采集[12]。圖6 和7 分別是電源板輔助電源電參數(shù)測(cè)試實(shí)物連接圖和功能示意圖。

1.4 通信板和通信回路檢測(cè)模塊

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)通信板和通信回路的檢測(cè)，利用RS232/RS422 轉(zhuǎn)換模塊，原邊通信板、耦合線圈、副邊通信板、計(jì)算機(jī)構(gòu)成通信回路，可以測(cè)試在設(shè)定的溫度節(jié)點(diǎn)（如常溫、125 ℃、145 ℃）條件下通信耦合線圈的通信故障點(diǎn)分析和記錄，圖8 是通信板通信回路檢測(cè)實(shí)物連接圖[13]。

圖6 電源板輔助電源電參數(shù)測(cè)試實(shí)物連接圖

圖7 電源板輔助電源電參數(shù)測(cè)試功能示意圖

圖8 通信板通信回路檢測(cè)實(shí)物連接圖

2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)隨鉆感應(yīng)式電能信號(hào)耦合裝置測(cè)試平臺(tái)的運(yùn)行，開發(fā)了基于Visual Studio 2013 平臺(tái)C#語(yǔ)言的配套綜合測(cè)試分析軟件，按照軟件的功能和結(jié)構(gòu)劃分，共分為參數(shù)設(shè)置、靜態(tài)測(cè)試、動(dòng)態(tài)測(cè)試、電路測(cè)試、通信測(cè)試、趨勢(shì)曲線、數(shù)據(jù)查詢及報(bào)表等模塊，圖9 是軟件系統(tǒng)功能總圖，限于篇幅，下面僅介紹部分軟件功能模塊的設(shè)計(jì)思路和實(shí)現(xiàn)要點(diǎn)。

2.1 參數(shù)設(shè)置模塊

參數(shù)設(shè)置界面圖如圖10 所示，包括“測(cè)試方案設(shè)置”“串口設(shè)置”“報(bào)警設(shè)置”“通信測(cè)試設(shè)置” 等。例如，“測(cè)試方案設(shè)置” 實(shí)現(xiàn)對(duì)程控電源、電子負(fù)載各參數(shù)的上下限，工作方式和間隔時(shí)間的設(shè)置；“串口設(shè)置” 實(shí)現(xiàn)對(duì)電子電橋、電子負(fù)載、內(nèi)外筒通信端口的波特率、數(shù)據(jù)位等參數(shù)的設(shè)置等。相關(guān)參數(shù)設(shè)置好后都自動(dòng)保存到后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)，數(shù)據(jù)庫(kù)采用小型數(shù)據(jù)庫(kù)SqliteStudio.2.1.5，占用空間只有5～6 MB，不用安裝可以直接使用，另外測(cè)試方案通過點(diǎn)擊“導(dǎo)入”或“導(dǎo)出” 按鈕，就可以很方便把現(xiàn)有方案以EXCEL 格式導(dǎo)入或者導(dǎo)出數(shù)據(jù)庫(kù)。

圖9 軟件系統(tǒng)功能總圖

圖10 參數(shù)設(shè)置界面圖

2.2 靜態(tài)測(cè)試模塊

靜態(tài)測(cè)試的界面圖如圖11 所示。靜態(tài)測(cè)試的目的是利用電子電橋檢測(cè)耦合線圈的電參數(shù)，如線圈的電阻、電感、電容等。電子電橋的通信方式是RS232 串口。圖12 為靜態(tài)測(cè)試程序流程圖。串口通信除了可以讀取測(cè)量數(shù)據(jù)外，還可以讀取并保存電子電橋的測(cè)量波形（見圖13），形成數(shù)據(jù)和測(cè)量波形的雙重記錄，為后期的耦合線圈質(zhì)量綜合分析提供依據(jù)。

圖11 靜態(tài)測(cè)試界面圖

圖12 靜態(tài)測(cè)試程序流程圖

圖13 電子電橋測(cè)量波形截圖

2.3 電路測(cè)試模塊

電路測(cè)試的界面圖如圖14 所示。電路測(cè)試的目的是為了實(shí)現(xiàn)對(duì)電源板輔助電源的電能性能的檢測(cè)和分析，核心是利用示波器觀察輔助電源（+15、-15、+5 V）的輸出波形和紋波。示波器具有多種通信接口，本測(cè)試平臺(tái)采用USB 接口實(shí)現(xiàn)示波器的控制和數(shù)據(jù)波形的采集。首先在程序中添加引用廠家提供的有關(guān)動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，然后定義示波器類，在此基礎(chǔ)上根據(jù)示波器實(shí)際地址實(shí)例化示波器對(duì)象，最后根據(jù)需要分別調(diào)用對(duì)應(yīng)的示波器命令，進(jìn)行測(cè)量數(shù)據(jù)和波形的采集，形成數(shù)據(jù)和分析波形的雙重記錄[14-15]。圖15 為示波器主要控制步驟，圖16 是利用控制命令讀出并保存的示波器測(cè)量波形。

圖14 電路測(cè)試界面圖

圖15 示波器主要控制步驟

圖16 示波器測(cè)量波形

3 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種隨鉆感應(yīng)式電能信號(hào)耦合裝置實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，涉及多種通信接口和通信協(xié)議，其中涉及RS232 串口通信的儀器有電子電橋、電子負(fù)載、耦合線圈信號(hào)板，涉及USB 串口通信的儀器有程控電源、示波器，涉及TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)通信的有服務(wù)器的數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳等。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的開發(fā)和應(yīng)用基本上涉及所有常用的通信接口和通信協(xié)議，具有很強(qiáng)的代表性。通過各種通信協(xié)議，不但實(shí)現(xiàn)了單個(gè)儀器的控制和測(cè)試數(shù)據(jù)及圖片的讀取，而且實(shí)現(xiàn)了儀器之間的互聯(lián)互通。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的開發(fā)為學(xué)生的課程設(shè)計(jì)和實(shí)習(xí)提供了切合生產(chǎn)實(shí)際的范例和題目，避免了學(xué)生 “紙上談兵”。