色谱分析系统中的微恒离子流发生器的设计

摘要：为了模拟综合录井仪快速色谱分析系统中的离子流，设计了一种基于微处理器dsPIC30F系列的微恒离子流发生器。该发生器采用电压反馈控制及数字PID调节精密浮动电流源输出恒定微小电流。实际的调试和运行表明，此系统的输出电流精度高，达到纳安级，抗干扰能力强、体积小，具有很强的实用价值。

关键词：离子流发生器：dsPIC30F；数字PID调节

引言

随着石油勘探开发技术的不断提高，快速色谱分析的作用显而易见。综合录井仪色谱分析系统以数分钟取得每米几组色谱分析数据已经不能完全满足现场快速钻井的要求。快速色谱分析系统能够及时准确发现显示薄层及超薄油气层，其C1-C5分析周期小于30s，分析精度高，有效地为石油勘探开发提供宝贵的第一手资料。因此，在实际使用的过程中，应该实时校验色谱分析系统的性能。其中最为关键的就是要能够提供高精度的恒定微小的电流模拟实际的离子流，以此保证色谱分析系统的显示精度及地层分辨能力。同时，离子流发生器还能够适应现场工作环境，具有很强的抗干扰性能及便携性。

本文设计的微恒离子流发生器就是满足色谱分析系统校验的需要，能够输出高精度的恒定微小电流。并且，该发生器的抗干扰性能能够满足现场校验的环境需求。微恒离子流发生器采用Microchip公司的dsPIC30F为主控芯片。该芯片是一款将单片机与DSP技术相结合的高性能16位数字信号控制器，综合了单片机(MCU)的控制功能和集成了多种外设的优点，以及DSP的计算能力和数据处理吞吐能力。此外，它在异常事件处理，软件开发环境等方面也表现出强大的性能。由于dsPIC30F芯片的内部资源丰富，基于dsPIC30F平台开发的微恒离子流发生器需要的外设很少，不但系统的抗干扰性和可靠性能够满足微恒离子流发生器在各种环境下运行的要求，而且可以提高系统的灵活性，缩短开发时间，降低开发成本。

系统硬件

微恒离子流发生器是以dsPIC30F微处理器为核心的，系统硬件结构如图1所示。dsPIC30F微处理器根据电压给定的输入，输出PWM信号：PWM信号经过RC滤波电路滤波作为微恒离子流发生器主电路的电压给定。同时对给定的电压取样反馈电压输入给dsPIC30F微处理器内部自带的12位A/D转换器，即可通过取样反馈电压对给定电压进行电压反馈调节。在每次选择输出量程时、dsPIC30F微处理器通过采集输出校准信号、控制输出校准电路对微恒离子流发生器主电路进行预先校准。为了提高A/D转换的精度，采用专门的A/D基准电压。同时发生器通过液晶显示电路实时显示输出电流。

如图1所示，本装置的硬件结构非常简单，极大地提高了微恒离子流发生器的实时显示性及抗干扰性。

主电路设本设计采用电压负反馈控制技术设计精密浮动电流源，输出电流为两档：0～10nA和0～100nA(图2)。精密浮动电流源由高输入阻抗运算放大器CA3140构成。电压给定输入通过电阻R3接到运放A1的同相输入端，电阻且3=R4=20kΩ。电阻R3与R4之间的电位以增益(I+R2/R1)放大输出，取Rl=R2=20kΩ。运算放大器A2构成了电压负反馈跟随电路。微恒离子流发生器设计为两档输出，通过继电器S1和S2切换，故取电阻且RREF1=400MQ和RREF2=40MΩ，分别对应输出电流I0的量程为0～10nA和0～100nA。

开关二极管D1～D2构成输出高阻抗隔离电路。由于开关二级管在正向导通过程中，具有流经的电流小，压降低，阻抗高的特点，使精密浮动电流源和综合录井仪快速色谱分析系统隔离。

运算放大器A3构成自动输出校准电路。利用dsPIC30F微处理器的PWM占空比能呈线性变化输出的特性，对输出电流进行自动校准。输出校准电路和恒流输出通过继电器S3选择输出。电阻R7为一假负载，取样电阻R，上的电压，通过电阻R6限流从运算放大器A2的同相输入端输入校准电压、然后跟随输出至dsPIC30F微处理器的内部A/D转换器端口。取R5=2kΩ，R6=20kΩ，R7=10MΩ。

给定电压反馈控制电路

根据电压给定的数字输入量，写入相应的占空比数据到PWM占空比缓冲寄存器，数字信号控制器dsPIC30F4013便输出PWM信号。PWM信号由电阻RR、电容C1构成的RC滤波电略高频滤波后，经过由运算放大器A4构成的跟随器输出给主电路，如图3所示，R8=10kΩ、C1=1μF。电阻R9及稳压管D5构成反馈取样电路，反馈电压和给定电压相等，输入到数字信号控制器dsPIC30F3014内部的12位A/D转换器端口，因此，通过电压反馈控制即可调整给定电压输出。其中，电阻R9=1kΩ，起限流作用；稳压管D5用DIA732A。

LCD显示模块

LCD显示模块采用C00511-12864液晶模块。设计采用6800时序的接口方式(如图4)。微处理器dsPIC30F4013的RD3引脚连接LCD显示模块的使能端，下降沿闭锁：RC13引脚连接命令数据选择端、高电平为数据选择输入，低电平为命令选择输入；RC14引脚连接6800时序读写信号选择端，高电平为读数据，低电平为写数据。LCD模块片选端始终接地。

系统软件

软件在Microchip公司的MPLAB IDE可视化集成开发环境下运行，使用C30编译器编写。MPLAB IDE提供了方便且功能丰富的界面、其中C30编译器提供了C语言的标准特性。微恒离子流发生器的软件主要由主程序和子程序模块组成。主程序主要完成电压给定数字量输入和量程选择的人机接口服务、输出校准及面板显示等功能。子程序模块包括按键输入捕捉中断、A/D转换和处理子程序和电压给定PID调节输出子程序。

数字滤波器设计

由于工作人员需随身携带微恒离子流发生器，因此要求微恒离子流发生器对工作环境适应性和抗干扰性强。 在数据采集及处理时采用了dsPIC30F4013内部12位精度的A/D转换器采集转换数据，并采用防脉冲干扰平均滤波算法与滑动平均滤波算法相结合的滤波器，减少了对数据的偶然脉冲性千扰并抑制了周期性干扰，增强了数据的稳定性和可靠性。

A/D转换采用Timer3定时器定时，每100gs自动转换的模式，即ADCON1=0x0044；采用扫描输入的方式，每16个采样点后发生中断，即AADCON2=0x043C。本系统使用了2路通道扫描输入，一次转换后，每路通道的信号都采集了8个采样点，然后对8个数据排序并去掉其中的最大值和最小值，再求平均值处理，并形成8个数据队列，减少了偶然出现的脉冲性干扰，消除由此引起的采样值偏差；然后每次采样到一个新数据放人数据队尾，并扔掉原来队首的一个数据，把数据队列中的8个数据进行算术平均运算，即获得滤波结果，由此可抑制周期性干扰，滤波平滑度较高。

数字PID调节器设计

电压反馈调节采用数字PID调节器调节，首先dsPIC30F4013采样给定电压作为反馈电压，并和电压给定输入值进行比较，再利用比较差值e(k)进行PID调节、公式如下：

其中，u(k)为第k次采样计算的到的PWM占空比值，e(k)为第k次采样误差。通过设定比例Kp、积分K1、微分KD常数即可闭环调节电压给定输出值。电压给定输出子程序主要是利用dsPIC30F4013内部的输出比较模块，使其工作在PWM模式下。dsPIC30F4013根据给定输入的数字量装载相应的占空比，从而输出对应不同电压的给定值。配置输出比较模块2为PWM输出模式OC2CON=0x0006，并设定时间基值周期PR2=0x0884，即5kHz。

结语

本微恒离子流发生器，采用了运算放大器设计的精密浮动电流源输出恒定微小电流，模拟色谱分析系统中的离子流，利用了16位高性能数字控制器dsPIC30F实现了给定电压的电压反馈控制及PID调节，并利用双重数字滤波算法使得输出电流恒定在纳安级，且能够LCD实时显示输出电流。按照此方案设计的系统成功研制了60套设备并应用于色谱分析系统中。实际的调试和运行表明，此系统的输出电流精度高，抗干扰能力强，体积小，具有很强的实用价值。