徐錦程，陳金忠，孟 濤，李曉龍，楊緒運(yùn)，何仁洋，郭巖寶

(1.中國石油大學(xué)(北京) 機(jī)械與儲(chǔ)運(yùn)工程學(xué)院，北京 102249；2.中國特種設(shè)備檢測研究院 壓力管道部，北京 100029)

0 引言

雜散電流是指不按指定回路流動(dòng)的電流，通常分為直流雜散電流和交流雜散電流兩種。雜散電流來源廣，隨機(jī)性強(qiáng)，易導(dǎo)致腐蝕穿孔等管道缺陷，是影響埋地鋼質(zhì)管道的正常運(yùn)行的重要因素之一[1-4]。

現(xiàn)階段，對(duì)于雜散電流檢測，作業(yè)現(xiàn)場多采用以下三種方式：以萬用表作為測量儀器采集電位數(shù)據(jù)，通過人工巡檢的方式記錄。這種方式采集的通電電位存在埋地鋼質(zhì)管道與參比電極之間土壤產(chǎn)生的電壓降，測量誤差較大，且無法定時(shí)采集斷電電位。以u(píng)DL2,Smart logger等數(shù)字存儲(chǔ)記錄儀作為測量儀器，能夠連續(xù)采集24 h以上的交直流雜散電流測試數(shù)據(jù)[5-6]。這種方式缺少遠(yuǎn)程通信功能，數(shù)據(jù)共享困難，且上位機(jī)數(shù)據(jù)分析功能簡單。以SCM管道雜散電流測繪系統(tǒng)作為測量儀器，通過磁場測量技術(shù)檢測管道上雜散電流的大小和方向，并實(shí)現(xiàn)檢測數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和顯示[7-8]。該設(shè)備對(duì)檢驗(yàn)人員的要求較高，且無法測量土壤電位梯度。對(duì)于上述系統(tǒng)或設(shè)備，往往還存在難以應(yīng)對(duì)多個(gè)指標(biāo)檢測作業(yè)等問題。

為了解決上述問題，提出了一種基于STM32和LabVIEW的埋地鋼質(zhì)管道雜散電流檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)以雙STM32F103微處理器作為采集系統(tǒng)的主控芯片，以LabVIEW作為上位機(jī)平臺(tái)搭建工具，能夠?qū)崿F(xiàn)雜散電流信號(hào)的采集、儲(chǔ)存、分析和遠(yuǎn)程通信等功能，為工程應(yīng)用提供了一種低成本、高精度、可靠性強(qiáng)的方案。

1 系統(tǒng)檢測指標(biāo)及總體方案設(shè)計(jì)

1.1 檢測指標(biāo)

根據(jù)GB/T19285-2014《埋地鋼質(zhì)管道腐蝕防護(hù)工程檢驗(yàn)》標(biāo)準(zhǔn)[9]，直流雜散電流干擾評(píng)價(jià)指標(biāo)主要有管地電位正向偏移量和土壤表面電位梯度，交流雜散電流干擾評(píng)價(jià)指標(biāo)主要有交流干擾電壓和交流電流密度，詳見表1。交流電流密度可由交流干擾電壓通過式(1)求得。

表1 埋地鋼質(zhì)管道雜散電流干擾程度評(píng)價(jià)指標(biāo)

(1)

式中：JAC為交流電流密度用表示;ρ為土壤電阻率(單位：Ω·m);d為破損點(diǎn)直徑(單位：m);V為系統(tǒng)測量的交流干擾電壓有效值的平均值(單位：V)。

在有測試樁的條件下，將采集系統(tǒng)與硫酸銅參比電極(CSE)及管道相連接，測量并記錄測試樁處管道的管地電位和交流干擾電壓；在缺少測試樁的條件下，通過十字交叉法測得平行和垂直管道方向的電位梯度的大小和方向，求解矢量和后除以對(duì)應(yīng)參比電極間距即可求得管道附近的土壤表面電位梯度。綜上，埋地鋼質(zhì)管道雜散電流檢測系統(tǒng)需要同時(shí)滿足測量管地電位、交流電壓、土壤表面電位梯度三個(gè)指標(biāo)的要求。

1.2 總體方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要由采集系統(tǒng)和上位機(jī)兩部分組成。采集系統(tǒng)分為主機(jī)和從機(jī)兩部分，運(yùn)用模塊化方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，具體包括主、從機(jī)主控電路、信號(hào)調(diào)理電路、信號(hào)采集電路、存儲(chǔ)電路、遠(yuǎn)程通信電路、試片斷電法控制電路、LCD顯示電路、電源及其轉(zhuǎn)換電路等多個(gè)模塊。上位機(jī)采用圖形化編程軟件LabVIEW，調(diào)用MATLAB Script腳本節(jié)點(diǎn)進(jìn)行搭建，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示、存儲(chǔ)和分析功能。

如圖1所示，從機(jī)將經(jīng)過調(diào)理和A/D轉(zhuǎn)換后的信號(hào)進(jìn)行處理后在LCD上顯示，并將采集數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送到上位機(jī)和主機(jī)。上位機(jī)顯示、存儲(chǔ)并分析信號(hào)，方便現(xiàn)場人員評(píng)估雜散電流干擾程度。主機(jī)將采集數(shù)據(jù)通過SIM800C遠(yuǎn)程通信模塊發(fā)送至服務(wù)器或移動(dòng)終端，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，在網(wǎng)絡(luò)條件不佳時(shí)可離線存儲(chǔ)至SD卡。LCD觸摸屏上設(shè)計(jì)了人機(jī)交互界面，現(xiàn)場人員可通過LCD觸摸屏完成采樣頻率、服務(wù)器IP地址、移動(dòng)終端號(hào)碼以及是否采集斷電電位等基礎(chǔ)參數(shù)的設(shè)置。試片斷電法控制電路可以通過主機(jī)輸出高低電平控制試片和管道的定時(shí)通斷，實(shí)現(xiàn)斷電電位采集。電源及其轉(zhuǎn)換電路為整個(gè)系統(tǒng)提供供電支持。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

由于原始管地電位和交流電壓信號(hào)的幅值超過了A/D轉(zhuǎn)換芯片的采樣電壓范圍，故原始信號(hào)需要通過信號(hào)調(diào)理電路處理后，輸入信號(hào)采集電路進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。

采用TL084來設(shè)計(jì)管地電位信號(hào)調(diào)理電路。TL084是一款四通道高速JFET(結(jié)型場效應(yīng)管)型運(yùn)算放大器，具有低失調(diào)電壓、低噪聲、高壓擺率等特點(diǎn)[10]。管地電位信號(hào)調(diào)理電路包括分壓衰減電路、濾波電路、電壓跟隨電路、可調(diào)放大電路和限幅保護(hù)電路5部分，如圖2所示。分壓衰減電路選用10 MΩ和2 MΩ大阻值電阻，提高輸入阻抗。在分壓衰減電路后加入濾波電路，能夠有效抑制交流噪聲。電壓跟隨器電路具有輸入高阻抗、輸出低阻抗的特性，作為中間級(jí)隔離前級(jí)電路和后級(jí)電路，起緩沖和隔離的作用?？烧{(diào)放大電路是通過調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器來改變反饋電阻大小，達(dá)到改變放大電路增益的目的。限幅保護(hù)電路由雙向ER608二極管組成，將信號(hào)幅值限制在正負(fù)5 V以內(nèi)。管地電位信號(hào)調(diào)理電路輸出電壓如式(2)所示。

圖2 管地電位信號(hào)調(diào)理電路

(2)

交流電壓信號(hào)調(diào)理電路由以下六部分組成：分壓衰減電路、限幅保護(hù)電路、電壓跟隨電路、可調(diào)放大電路、濾波電路及有效值轉(zhuǎn)換電路，如圖3所示。對(duì)交流電壓的信號(hào)調(diào)理方式與管地電位信號(hào)相似，主要區(qū)別有兩個(gè)：設(shè)計(jì)了基于AD536A芯片的真有效值轉(zhuǎn)換電路，實(shí)現(xiàn)了交流信號(hào)到直流信號(hào)的轉(zhuǎn)變；分壓衰減電路由固定阻值電阻和可變阻值電阻組成，通過撥碼開關(guān)控制不同的分壓電阻接入電路中，改變衰減倍數(shù)，從而適應(yīng)電壓范圍變化較大的交流信號(hào)。撥碼開關(guān)也可使用多路模擬開關(guān)代替，根據(jù)原始信號(hào)大小，從機(jī)STM32F103RBT6最小系統(tǒng)輸出高低電平，自動(dòng)調(diào)節(jié)增益。

圖3 交流電壓信號(hào)調(diào)理電路

土壤表面電位梯度信號(hào)屬于毫伏級(jí)微弱信號(hào)，因此設(shè)計(jì)了包括電壓跟隨電路、放大電路、濾波電路三部分的信號(hào)調(diào)理電路。選用AD620儀表放大器設(shè)計(jì)放大電路。AD620是一款高精度、易用性強(qiáng)的單芯片儀表放大器，在直流性能和噪聲控制方面十分出色[11]。如圖4所示，在引腳1和8之間接入由100 kΩ和4.7 kΩ電阻并聯(lián)而成的電阻RG，改變RG阻值大小來對(duì)電路放大倍數(shù)進(jìn)行調(diào)整。AD620的增益公式見式(3)，其中G為增益大小。

圖4 AD620儀表放大器電路

(3)

2.2 信號(hào)采集電路設(shè)計(jì)

信號(hào)采集電路是將經(jīng)過信號(hào)調(diào)理后的模擬信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為從機(jī)能夠處理的數(shù)字信號(hào)。信號(hào)采集電路選用AD7606芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)。AD7606芯片是ADI公司推出的的16位、8通道同步采樣的A/D芯片，采樣速率高達(dá)200 kHz[12]，可同時(shí)供兩路管地電位信號(hào)調(diào)理電路、兩路交流電壓信號(hào)調(diào)理電路與四路土壤表面電位梯度信號(hào)調(diào)理電路輸出的信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。AD7606與從機(jī)STM32F103RBT6最小系統(tǒng)是通過SPI協(xié)議進(jìn)行通信，硬件接線見圖5。

圖5 AD7606與STM32F103RBT6最小系統(tǒng)連接電路圖

2.3 主控電路設(shè)計(jì)

主控電路選用意法半導(dǎo)體公司STM32系列微控制器的STM32F103芯片，其特點(diǎn)是片上資源豐富、低功耗、易于開發(fā)[13-14]。采用STM32F103RBT6和STM32F103RCT6微處理器分別作為主控模塊中從機(jī)和主機(jī)的控制核心，設(shè)計(jì)了包括微處理器、時(shí)鐘電路、電源電路、JTAG調(diào)試電路、復(fù)位電路及啟動(dòng)電路的STM32F103最小系統(tǒng)。如圖6，從機(jī)的USART1_TX，USART1_RX引腳同主機(jī)的USART1_RX，USART1_TX引腳相連，主從機(jī)通過串口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。從機(jī)的PA11和PA12引腳分別與MiniUSB接頭的D-和D+引腳相連，從機(jī)通過USB虛擬串口與上位機(jī)通信。

圖6 從機(jī)與主機(jī)、上位機(jī)連接方式示意圖

2.4 存儲(chǔ)電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)能夠在網(wǎng)絡(luò)信號(hào)不佳的環(huán)境下進(jìn)行離線存儲(chǔ)，將采集數(shù)據(jù)存儲(chǔ)成TXT文件到SD卡上，便于后續(xù)處理。主機(jī)STM32F103RCT6最小系統(tǒng)使用SPI模式同SD卡通信，如圖7，SD卡通過4根信號(hào)線與STM32F103RCT6最小系統(tǒng)連接，SD卡的片選引腳連接STM32F103RCT6最小系統(tǒng)的PA3引腳，SD卡的MOSI/MISO/CLK引腳與STM32F103RCT6最小系統(tǒng)的SPI1接口相連。

圖7 SD卡離線存儲(chǔ)電路

2.5 遠(yuǎn)程通信電路設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程通信模塊電路的主要作用是將現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器或發(fā)送到移動(dòng)終端。該系統(tǒng)選用的的具體型號(hào)為ATK-SIM800C。ATK-SIM800C是一款基于SIMCOM(希姆通)公司的SIM800C模塊開發(fā)的工業(yè)級(jí)GSM/GPRS通信模塊，內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議，通過AT指令進(jìn)行控制，具有體積小、低功耗、功能齊全等特點(diǎn)[15]。

2.6 電源及顯示電路設(shè)計(jì)

外接電源為12 V開關(guān)電源，使用MP2359穩(wěn)壓芯片、LM1117穩(wěn)壓芯片、ICL7660電荷泵電壓反相器設(shè)計(jì)了12 V轉(zhuǎn)5 V電路、5 V轉(zhuǎn)3.3 V電路、+5 V轉(zhuǎn)-5 V電路，為系統(tǒng)各個(gè)模塊供電。為使電源電壓保持穩(wěn)定，在電源引腳旁分別接入退耦電容到地。

主機(jī)的LCD觸摸屏電路設(shè)計(jì)采用2.8寸TFTLCD真彩液晶顯示屏，其分辨率為320×240像素，支持65K色顯示。從機(jī)的LCD顯示屏采用1.9寸LCD12864點(diǎn)陣型液晶顯示模塊，封裝方式為COG工藝，接口方式為串口，具有成本低，穩(wěn)定性好的特點(diǎn)。

2.7 試片斷電法控制電路設(shè)計(jì)

試片斷電法控制電路選用SRD-05VDC-SL-C五腳小型繼電器。其觸點(diǎn)形式為轉(zhuǎn)換型，額定電壓下吸合時(shí)間和釋放時(shí)間均在10 ms以下。主機(jī)STM32F103RCT6最小系統(tǒng)的PA8引腳輸出高低電平控制繼電器動(dòng)作，進(jìn)而控制標(biāo)準(zhǔn)試片與測試樁或管道的通斷。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 小波閾值去噪原理

由于受土壤外界環(huán)境和設(shè)備自身的影響，采集信號(hào)不可避免地含有噪聲。使用小波閾值去噪法對(duì)采集信號(hào)進(jìn)行降噪處理[16]，具體流程如圖8。

圖8 采集信號(hào)去噪流程圖

設(shè)置以下2個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)比去噪結(jié)果，分別是相對(duì)信噪比(SNR)和均方根誤差(RMSE)，定義見式(4)和式(5)：

(4)

(5)

式中：s(n)是原始信號(hào)；y(n)是去噪后的信號(hào)。

3.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

通過LabVIEW圖形化編程搭建上位機(jī)界面，如圖9。上位機(jī)界面分為串口設(shè)置界面、小波去噪界面、存儲(chǔ)界面、波形顯示界面4個(gè)部分。串口設(shè)置界面主要用于完成從機(jī)和上位機(jī)進(jìn)行串口通信時(shí)的相關(guān)參數(shù)選擇，包括端口號(hào)、波特率、停止位、數(shù)據(jù)位、校驗(yàn)位和串口開關(guān)；小波去噪界面主要用于完成從機(jī)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行小波去噪時(shí)的參數(shù)配置與顯示，包括小波基函數(shù)、分解層數(shù)、閾值、閾值函數(shù)及去噪效果評(píng)價(jià)指標(biāo)。小波去噪功能是通過在LabVIEW中調(diào)用MATLAB Script節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)的，MATLAB腳本節(jié)點(diǎn)代碼見圖10；存儲(chǔ)界面主要用于在PC上選擇數(shù)據(jù)存儲(chǔ)路徑，進(jìn)行存儲(chǔ)文件的命名及實(shí)時(shí)存儲(chǔ)。波形顯示界面可以實(shí)時(shí)顯示管地電位、交流干擾電壓和土壤電位梯度的波形圖。

圖9 系統(tǒng)上位機(jī)軟件界面設(shè)計(jì)

圖10 MATLAB腳本節(jié)點(diǎn)代碼

3.3 采集系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

采集系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)是在Keil5環(huán)境下，基于STM32固件庫，使用C語言進(jìn)行編程開發(fā)。相對(duì)于直接操作寄存器的開發(fā)方式，使用固件庫的開發(fā)方式是將寄存器的底層操作封裝成一系列函數(shù)進(jìn)行調(diào)用，程序可讀性好，開發(fā)效率高。

如圖11所示，系統(tǒng)上電后進(jìn)行兩STM32F103最小系統(tǒng)及其外圍功能模塊的初始化操作；在ad7606_StartRecord函數(shù)中設(shè)定采樣頻率啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換進(jìn)行8通道采集，數(shù)據(jù)通過SPI協(xié)議從AD7606發(fā)送至STM32F103RBT6最小系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)從機(jī)采集數(shù)據(jù)；通過在LCD_ShowString函數(shù)中設(shè)定字符串顯示的橫縱坐標(biāo)、寬度高度以及字體大小，實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的LCD顯示；主從機(jī)采用串口通信的方式，通過USART_SendData和USART_ReceiveData函數(shù)操作USART_DR寄存器實(shí)現(xiàn)寫入和讀取串口數(shù)據(jù)；從機(jī)通過USB虛擬串口與上位機(jī)通信，數(shù)據(jù)通過USB_USART_SendData函數(shù)寫入FIFO結(jié)構(gòu)體中的數(shù)組里，再發(fā)送至上位機(jī)；使用LCD觸摸屏虛擬鍵盤設(shè)定IP地址、端口號(hào)，通過AT+CIPSTART，AT+CIPSEND，AT+CIPSTATUS等一系列AT指令實(shí)現(xiàn)主機(jī)與服務(wù)器的TCP數(shù)據(jù)傳輸，進(jìn)行GPRS遠(yuǎn)程通信；通過調(diào)用FATFS文件系統(tǒng)模塊中的f_write，f_read等接口函數(shù)對(duì)SD卡進(jìn)行讀寫操作，實(shí)現(xiàn)SD卡離線存儲(chǔ)功能；通過調(diào)用GPIO_SetBits和GPIO_ResetBits函數(shù)設(shè)置IO口輸出高低電平，實(shí)現(xiàn)試片斷電法控制電路的定時(shí)通斷。

圖11 采集系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)流程圖

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 系統(tǒng)精度測試

如圖12所示，在實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行系統(tǒng)精度測試，使用NF多功能信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生直流電壓信號(hào)和50 Hz交流電壓信號(hào)作為標(biāo)準(zhǔn)值，通過所研制的雜散電流檢測系統(tǒng)進(jìn)行測量，測量結(jié)果見表2。測量結(jié)果表明，系統(tǒng)絕對(duì)誤差在2 mV以內(nèi)，采集誤差不超過0.1%。

圖12 系統(tǒng)精度測試實(shí)驗(yàn)

4.2 系統(tǒng)現(xiàn)場應(yīng)用

在某地成品油管道的45#測試樁處進(jìn)行管地電位測試。設(shè)置采樣頻率為1 Hz，共采集1000點(diǎn)，所采集的管地電位信號(hào)通過上位機(jī)進(jìn)行顯示與存儲(chǔ)，并使用sym6,db8,coif5,haar四種小波基函數(shù)進(jìn)行去噪處理，分解層數(shù)為5，閾值選取方法為無偏似然估計(jì)閾值法，閾值判斷函數(shù)設(shè)置為soft，其xd1，xd2，xd3，xd4分別對(duì)應(yīng)使用四種小波基函數(shù)去噪后的信號(hào)，測試結(jié)果如圖13。綜合SNR，RMSE評(píng)價(jià)指標(biāo)以及去噪后的視覺效果等因素，可以看出，xd1所對(duì)應(yīng)的去噪信號(hào)圖像更接近原始信號(hào)。管地電位的波動(dòng)范圍為-1219 mV～-1158 mV，管地電位波動(dòng)61 mV，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，初步判定雜散電流干擾程度為中。

表2 精度測試結(jié)果

圖13 45#測試樁的管地電位與時(shí)間曲線

5 結(jié)論

該文介紹了埋地鋼質(zhì)管道雜散電流檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)了以雙STM32F103最小系統(tǒng)為核心的采集系統(tǒng)電路，同時(shí)滿足多項(xiàng)指標(biāo)多通道同步采集。通過LabVIEW軟件和MATLAB軟件聯(lián)合編程搭建上位機(jī)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示、存儲(chǔ)和降噪等功能。系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)測量管地電位、交流干擾電壓和土壤表面電位梯度3個(gè)指標(biāo)的誤差不超過0.1%，并且能夠在上位機(jī)平臺(tái)實(shí)時(shí)進(jìn)行信號(hào)分析和處理。該系統(tǒng)具有一定的實(shí)用性、可靠性和工程應(yīng)用價(jià)值。