针对井下传感器的电磁干扰自动测试系统*

王小蕾，袁凤培

(1.中煤科工集团常州研究院有限公司，江苏 常州 213015；2.天地(常州)自动化股份有限公司，江苏 常州 213015)

0 引言

近些年来，随着煤矿井下变频器等电力电子设备、驱动大型电力设备的普及，这些设备造成的电磁干扰对煤矿安全生产非常不利，对井下传感器的数据采集和信号传输更是造成明显干扰[1-3]。在安全监控系统中，传感器具有举足轻重的作用，其性能良好与否直接影响整个安全监控系统的监测效果与系统的可靠性[4-5]。除环境造成的自身损耗外，电磁干扰更会降低传感器采集数据的准确性，由于电磁干扰具有瞬时性强、难以监测等特点，因此电磁干扰精确的分析、测试变得尤为重要[6-7]。

通过科学有效的测试和分析，可以提高数据采集精确度，LabVIEW恰恰是一种利用图形化语言代替文本创建应用程序的编程语言，采用数据流编程的方式实现各种测试、测量等功能[8-10]，最重要的是，LabVIEW软件内部自带的测试模块通过编程可以代替许多高频测量仪器，如示波器、光谱仪、万用表，也可以结合单片机搭建传感器的测试测量环境[11-12]。目前，已有很多基于LabVIEW软件平台对电磁滤波处理的相关报道，如董鹏等[13]人以LabVIEW作为上位机开发平台，设计出一款多路数据采集系统，已实现对数据的采集和电磁滤波处理。为此，针对传感器在井下环境受到电磁干扰的问题，利用LabVIEW编程实现与传感器通信并对受到电磁干扰的数据信号进行采集滤波。

1 整体方案设计

1.1 试验原理

试验装置包括光纤甲烷传感器(二次仪表)、分站、PC端的LabVIEW上位机和电快速瞬变脉冲模拟试验仪。光纤甲烷传感器探头将采集的甲烷浓度值通过A/D模块转变成可与二次仪表、分站通讯的电信号，PC端的LabVIEW上位机进行采集并显示数据，电快速瞬变脉冲群模拟试验器产生脉冲，通过通信线缆施加电磁干扰，使上位机采集到受电磁干扰的数据，并在LabVIEW上位机程序上进行滤波处理，如图1所示。

图1 针对井下电磁干扰的自动测试系统试验装置图

1.2 硬件电路设计

硬件电路主要包括信号处理电路与STM32F407外部A/D模块。考虑到硬件电路的使用环境，首先在信号输入端采用保险丝FU1对后续电路进行保护，稳压管VD14对输入信号进行稳压，以确保信号正常传输。采用电阻R62与R66进行限流，防止电流过大损坏电路，同时利用AD8629放大器组成的电压跟随器稳定输入信号。利用R73与C64组成的低通滤波器滤波，其中R75采用0 Ω电阻隔离数字电源地与模拟电源地提高电路稳定性，最后将信号送入外部A/D模块进行信号采集。该A/D模块采用AD7606芯片为核心，该A/D芯片为16位，采样频率高达200 kHz，每秒可采集大小为8×200K的数据样本。硬件平台搭建好之后，需编写相应的LabVIEW程序，实现传感器数据的采集,以及对受到电磁干扰数据的滤波处理。

2 LabVIEW软件程序设计

LabVIEW程序由两部分组成，第1部分是数据采集程序用来实现与传感器数据的通信；第2部分是电磁滤波处理程序，将采集到的电磁干扰环境中的数据实现滤波处理。同时通过LabVIEW软件特有的TDMS文件实现对大量数据的存储以及打开，以便后续对数据的进一步分析。

2.1 LabVIEW数据采集程序

数据采集前面板：LabVIEW数据采集前面板包括IP地址、远程端口、接收数据长度显示、接收数据显示、采样频率、采样点数、保存TDMS文件、时域波形显示和幅度值显示等。只有当LabVIEW数据采集程序接收的数据无错误、无丢失，才能保证在电磁干扰环境下，滤波结果准确无误。前面板“数值”栏显示的是一次可接收的数据为65 536字节，每次发送数据间隔为300 ms，“时域波形”是把接收的全部数据图形化显示，“幅度值”显示波形频率为100 Hz，“字符串”显示的是接收下位机的16进制双字节数据，可通过上下拉列表对话框查看数据，“模块”栏显示是前面板，TDMS文件采用队列的方式传输命令数据，将采集的全部数据保存于指定的Excel Importer并显示在界面列表中，如图2所示。

图2 LabVIEW数据采集前面板示意

数据采集后面板：图3是LabVIEW数据采集程序后面板示意图。如图所示，它主要由TCP数据接收、数据高低位显示、TDMS文件读取，以及数据图形化显示4部分组成。

图3 LabVIEW数据采集程序后面板示意

工作方式：LabVIEW数据采集程序通过以太网接收光纤甲烷传感器传送给分站的数据信号，前面板输入的地址、远程端口号应和分站地址、端口号一致，保证LabVIEW程序和分站的正常连接，分站通过以太网传输数据到LabVIEW上位机，LabVIEW端发送启动命令，数据显示于时域波形图表中，并显示正弦波信号频率。其中，LabVIEW程序需要接收大量数据，在其过程中要保证数据完整、不丢失、数据传输不拥堵，因此采用TDMS文件对数据进行快速写入和读取并且通过队列的方式来传输数据命令，将大量数据保存、显示在Excel Importe表格中。TDMS文件的优点是实现大数量的数据保存，不会造成数据拥堵、数据打开困难等问题，也可将采集的数据一次性保存后，直接的显示在图形界面，可以进一步分析数据，并且数据在LabVIEW中能完整地读取和显示，对采集的数据能进行数据处理。

2.2 电磁干扰滤波器软件程序设计

数据收集：煤矿井下应用的中频(300～1 000 kHz)通讯系统对井下电子设备、监控系统有严重电磁干扰，会产生误动或拒动，对煤矿安全生产存在潜在威胁，有必要对井下电磁干扰抑制进行设计和测试[14]。当上述数据采集程序正常运行、数据接收无错误时，用LabVIEW编写了电磁干扰滤波器程序，在该过程中模拟了煤矿井下受到的电磁干扰为中频(300～1 000 kHz)的环境，即用电快速瞬变脉冲群发生器对通信电缆产生电磁干扰，对该过程中的数据进行采集，并对受到电磁干扰的数据进行滤波处理，还原传感器原始传输信号，对比分析滤波后数据与未受干扰的原始数据。

参数设置：表1为电快速瞬变脉冲群模拟试验器产生脉冲信号频率参数设置。在数据传输过程中，会随机产生100个脉冲干扰，采集了不同频率的4组电磁干扰数据，通过LabVIEW数据采集程序将受干扰的数据采集写入到Excel Importer，再通过电磁干扰滤波器读取该数据，对数据进行算法处理达到滤波效果。

电磁干扰滤波器前面板：图4为参数1电磁干扰滤波器的前面板示意图。由表1知，参数1的频率为300 kHz，脉冲数为100，电磁干扰滤波器前面板程序设计包括TDMS文件打开显示，脉冲干扰的数据采集波形显示和滤波处理后数据采集波形显示。由图4可知，LabVIEW程序可将采集的数据所用数据显示于波形图表中，但其采集的数据量太大，数据折叠难以清晰显示，不利于分析，为了更加直观地说明数据处理结果，将图中横坐标放大，以下参数2、3、4也将直接分析放大后的波形。

图4 参数1电磁干扰滤波器前面板示意

表1 瞬变脉冲群模拟器产生脉冲信号参数设置

电磁干扰滤波器后面板：图5为电磁干扰滤波器的后面板图。电磁干扰滤波器后面板设计包括TDMS文件打开、TDMS文件读取、滤波器设置等。程序中数据滤波过程是：在文件路径处选择需要处理的指定Excel Importer文件，打开用于读写操作的.tdms文件，读取Excel Importer中的数据，首先显示原始脉冲干扰的波形，再通过滤波器对脉冲干扰数据进行处理，对滤波器参数设置调用IIR，生成Butterworth滤波器，对脉冲干扰数据进行滤波处理。

滤波计算过程：图5框图中为滤波器参数配置图，滤波器类型为低通滤波、截止频率为0.1 Hz、无限长冲击响应(IIR)滤波器拓扑结构选择Butterworth、阶数选择3。将采集到的数据经过显示，通过滤波器设置无限长冲激响应(IIR)Butterworth数字滤波，将信号代入，返回滤波后的信号。滤波过程就是解常系数线性差分方程的过程，形式如下[15]

图5 电磁干扰滤波器后面板

(1)

式中，x(n)—滤波前的信号序列；ak，bm—系统函数分母与分子的系统数组。求出的y(n)即为滤波后的信号序列，将公式(1)简化如下

(2)

当k>0时，x(k)，y(k)都为0。例如n=0时，经过迭代，可以求出y(n)序列的所有值，即Butterworth滤波可以将脉冲干扰滤除，公式推导结果与试验结果一致，结合公式推导，得到滤波波形，对程序中的滤波器参数进行配置。

电磁干扰滤波器处理：图6是参数1电磁干扰滤波器细节放大示意图。如图所示，电磁干扰频率为300 kHz时，随机列举了4处受到电磁干扰的波形显示情况，图中以第1个电磁干扰滤波处理器为例，上面的波形显示的是受到电磁干扰的数据波形，而下面波形则显示为滤波后的数据波形。通过电磁干扰滤波器程序处理，可将数据中电磁干扰滤掉，并与未受干扰的原始数据相比较，滤波器处理后的波形和原始波形几乎一致，即得到较好的滤波效果。

图6 参数1电磁干扰滤波器细节放大示意

图7是参数2电磁干扰滤波器细节放大示意图。当电磁干扰的频率为500 kHz时，列举了任意4处受到电磁干扰的波形显示情况，图中以第1个脉冲滤波处理器为例，上面的波形显示的是受到电磁干扰的数据波形，而下面波形则显示为滤波后的数据波形，由图可知，通过滤波器处理，可以将数据干扰滤掉，并与未受干扰的原始数据相比较，滤波器处理后的波形和原始波形几乎是吻合的，即得到较好的滤波效果。

图7 参数2电磁干扰滤波器细节放大示意

图8是参数3电磁干扰滤波器细节放大示意图。当脉冲干扰的频率为700 kHz时列举了任意4处受到电磁干扰的波形显示情况，图中以第1个脉冲滤波器为例，上面的波形显示的是受到电磁干扰的数据波形，而下面波形则显示为滤波后的数据波形，由图可知，通过滤波器处理，可以将数据干扰滤掉，并与未受干扰的原始数据相比较，滤波器处理后的波形和原始波形几乎是吻合的，即得到较好的滤波效果。

图8 参数3电磁干扰滤波器细节放大示意

图9是参数4电磁干扰滤波器细节放大示意图。电磁干扰的频率为1 000 kHz时，在LabVIEW波形显示界面出现了采集错误。

图9 参数4电磁干扰滤波器细节放大示意

重复试验：为了更加清晰地说明问题，将干扰频率设置大于等于1 000 kHz，进行多次试验，均出现采集错误，分析可知当干扰频率过高时，会造成LabVIEW中算法滤波器的频率显示超出范围。在本试验中，电磁干扰频率大于1 000 kHz，电磁干扰滤波器失效。

数据读取：将采集到的电磁干扰数据通过TDMS文件在LabVIEW软件中打开，读取数据，进行滤波器设置，以得到滤波后的波形。其中“Butterworth滤波器”函数节点用于对含有电磁干扰的输入信号进行滤波，提取出基频频率的正弦信号，将脉冲干扰滤除，得到完整的正弦波。在煤矿实际应用中，可以根据滤波情况，对井下电磁干扰分布进行分析。

3 结语

结合LabVIEW上位机与井下传感器的通信需求，提出针对井下电磁干扰的自动测试系统，可实现传感器的数据采集并图形化显示，同时可对受到电磁干扰的信号进行滤波处理，并将大数量的数据实时保存于Excel Importer。试验结果表明，频率为300～1 000 kHz的电磁干扰，经过LabVIEW电磁滤波处理器可将干扰进行滤波处理，并与未受电磁干扰的原始数据对比，接收的数据基本一致，可通过该系统对井下电磁干扰进行分析测试，同时将该系统应用于传感器数据采集，可大大提高数据采集的准确性和安全性，具有较大的实用价值。