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調節(jié)精密浮動電流源輸出恒定微小電流。實際的調試和運行表明，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。

關鍵詞：離子流發(fā)生器：dsPIC30F；數(shù)字PID調節(jié)

引言

隨著石油勘探開發(fā)技術的不斷提高，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，應該實時校驗色譜分析系統(tǒng)的性能。其中最為關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技術相結合的高性能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)硬件結構如圖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微處理器內部自帶的12位A/D轉換器，即可通過取樣反饋電壓對給定電壓進行電壓反饋調節(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)生器主電路進行預先校準。為了提高A/D轉換的精度，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，本裝置的硬件結構非常簡單，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。

主電路設本設計采用電壓負反饋控制技術設計精密浮動電流源，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構成了電壓負反饋跟隨電路。微恒離子流發(fā)生器設計為兩檔輸出，通過繼電器S₁和S₂切換，故取電阻且R_REF1=400MQ和R_REF2=40MΩ，分別對應輸出電流I₀的量程為0～10nA和0～100nA。

開關二極管D₁～D₂構成輸出高阻抗隔離電路。由于開關二級管在正向導通過程中，具有流經的電流小，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微處理器的內部A/D轉換器端口。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構成的RC濾波電略高頻濾波后，經過由運算放大器A₄構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內部的12位A/D轉換器端口，因此，通過電壓反饋控制即可調整給定電壓輸出。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、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轉換和處理子程序和電壓給定PID調節(jié)輸出子程序。

數(shù)字濾波器設計

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)境適應性和抗干擾性強。

在數(shù)據(jù)采集及處理時采用了dsPIC30F4013內部12位精度的A/D轉換器采集轉換數(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轉換采用Timer3定時器定時，每100gs自動轉換的模式，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)進行算術平均運算，即獲得濾波結果，由此可抑制周期性干擾，濾波平滑度較高。

數(shù)字PID調節(jié)器設計

電壓反饋調節(jié)采用數(shù)字PID調節(jié)器調節(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。通過設定比例K_p、積分K₁、微分K_D常數(shù)即可閉環(huán)調節(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)字量裝載相應的占空比，從而輸出對應不同電壓的給定值。配置輸出比較模塊2為PWM輸出模式OC2CON=0x0006，并設定時間基值周期PR2=0x0884，即5kHz。

結語

本微恒離子流發(fā)生器，采用了運算放大器設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。按照此方案設計的系統(tǒng)成功研制了60套設備并應用于色譜分析系統(tǒng)中。實際的調試和運行表明，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。