基于信号补偿算法的数据采集装置研制

荣宏伟

（核工业理化工程研究院，天津 300180）

变送器是工程现场的重要组成部件之一[1]，通过对管道压力、温度、流量等工艺参数的实时监测，来调节各执行机构的运行状态，对提升产品质量、保障设备安全运行、提高生产效率等方面至关重要[2]。以某工程现场生产试验系统为例，变送器主要集中在主工艺管理系统、环境监测子系统和循环水子系统中。其中，主工艺管理子系统、环境监测子系统中主要为压力变送器，负责将管道中的压力信号转化为0～10 V 电压值[3]；循环水子系统主要为流量变送器，负责将工艺水管中的流量信号转换为4～20 mA电流值。现通过2 种方式实现变送器参数采集：①现场设立仪表柜，通过变送器配套的二次仪表显示；②现场设立现场站，通过可编程控制器（PLC）完成变送器信号采集，再通过以太网上传至控制室。

现有方式存在以下问题：①仪表柜的二次表不具备通讯功能，无法自动汇总变送器数据，需要值班人员定期抄数，浪费了大量的人力、物力；②二次仪表、PLC 等集成模块基本均为国外进口，受中美贸易争端影响，模块在采购过程中存在供货周期长、甚至断供等“卡脖子”问题；③现场PLC 及配套模块价格较贵，设计成本较高，不符合绿色、低碳发展理念。

1 研制目标

基于上述问题，提出了一种基于信号补偿算法的数据采集装置，技术指标如下所述。

（1）功能指标

研制一种集电流、电压变送器信号采集、传输于一体的数据采集装置，在保证设计成本低、测量准确性高的同时，提高系统的自主化水平。

（2）性能指标

2 系统结构

装置硬件主要由A/D 转换单元、电流处理单元、电压处理单元、主控单元、通讯单元和电源管理单元组成。其中，A/D 转换单元采用上海贝岭公司的BL1082 模数转换芯片，BL1082 为国产高性能模数转换器，可实现8 通道、16 位分辨率和200 ksps 采样率模拟信号采集，通过配置可处理±10 V 的模拟电压信号；电流处理单元和电压处理单元的功能是将变送器输出的电流、电压信号转换为A/D 转换单元能够识别的电压信号，同时降低噪声、提高信号转换精度，对于变送器信号测量的准确性至关重要[4]；主控单元以国产华大HC32F460 微控制器为核心，通过并行接口与A/D 转换单元完成数据交互，并通过通讯单元将处理后的数据上传至监控主机；电源管理单元负责其它各单元模块的供电，装置结构框图如图1 所示。

图1 结构框图Fig.1 Structural block diagram

3 经济性与自主化设计

目前，工程现场所用的集成模块基本都采用集成芯片实现信号处理。如台湾泓格科技有限公司的M-7017RC、M-7016RC 两款产品（分别用于4～20 mA电流、0～10 V 电压信号采集），两者分别通过RCV420（美国德州仪器）、XCM410（日本特瑞仕半导体株式会社）集成芯片完成信号转换。其中，RCV420 单价在150 元左右，XCM410 单价在100 元左右，不仅设计成本高，而且存在芯片断供的风险。为此，本设计通过分立元器件搭建信号处理电路，实现电压、电流变送器至基准电压值的高精度转化[5]，具体实现过程如下所述。

3.1 电流处理单元

电流信号处理单元的功能是将标准电流转化成基准电压值[6]。考虑到检测精度、设计成本等问题，本单元设计原理如图2 所示。

图2 电流转换电路Fig.2 Current conversion circuit

R1为阻值100 Ω、精度0.01%的金属薄膜电阻，即：

因此VO1∈（0.4 V，2 V）

调零电路为VO2的可调电压，现VO2=0.4 V。

将VO1、VO2接入减法电路，在理想情况下，可得：

且：

由式（1）～式（3）可得：

电阻R1=R3=R4=R5=R9=4.9 kΩ，因此：

即VO3∈（0 V，1.6 V）

同比例放大电路用于将VO3放大，即：

且：

由式（7）、式（8）可得：

电阻R7=5.1 kΩ，R8=1 kΩ，Vout=6.1 VO3，即Vout∈（0 V，9.76 V）。

因此，电流处理单元的功能是将基准电流信号转换为0～9.76 V 电压值。

3.2 电压处理单元

电压处理单元是对变送器输出的电压信号进行预处理，以提高模拟信号的分辨率与信噪比。试验现场变送器输出的电压信号为0～10 V，在电路设计中，需要通过RC 滤波器、电压跟随器对模拟信号进行滤波，RC 滤波器可按信号频率进行滤波，避免高频干扰；电压跟随器具有高输入阻抗、低输出电阻的特点，在电路中起到缓冲、隔离等作用。原理图如图3 所示。

图3 电压转换电路Fig.3 Voltage conversion circuit

4 准确性设计

为降低分立元器件系统误差的影响，提高变送器信号测量的准确性，通过对测量信号全量程标定，找到实测信号与标准信号之间的数学模型，并利用该数学模型进行数据补偿，从而消除系统误差对测量信号的影响，下文以电流型变送器为例进行介绍。

由3.1 可知，电流型变送器输出的4～20 mA 电流信号经处理单元转换为0～9.76 V 电压值。根据采样原理，输入电流与采样值的对应关系为

式中：ξ（AD（n））为采样值；ξ（Vin（n））为输入电压值；Vref为基准电压值。

但在实际检测过程中，AD 采样值存在零点误差和满刻度误差。因此，在计算之前需进行零点校准和满刻度校准，即将标准的4 mA、20 mA 电流接入数据采集装置，读取当前AD 采样值ξ（AD（4））和ξ（AD（20）），可得：

根据（ξ（AD（4）），4），（ξ（AD（20）），20）两点确定直线方程，得到实测电流Iout计算方程：

式中：ξ（AD（4））为零点采样值；ξ（AD（20））为满刻度采样值；ξ（AD（n））为当前采样值。在测量过程中，将式（10）带入式（12）即可计算得到变送器的当前电流值。

5 测试

5.1 功能测试

在实验室搭建模拟试验平台，对数据采集装置的电压数据读取指令、电流读取指令、参数设置指令以及数据通信进行全功能测试，连续测试12 h，记录测试结果，如表1 所示。

表1 通信功能试验结果Tab.1 Test results of communication function

由表1 可知，数据采集装置能够完全正确地按照通信协议进行数据帧的收发，且电流读取、电压读取、参数设置和数据通信均合格。因此，数据采集装置功能测试合格。

5.2 性能测试

为测试信号补偿算法功能，分别通过带信号补偿算法和不带信号补偿算法的装置测量标准信号，拟合得到测量结果与标准值的关系。如图4 所示，I0、V0分别为标准电流、电压信号曲线；I1、V1分别为经信号补偿算法的仿真曲线；I2、V2为未加算法的仿真曲线。由图可知，经数据补偿算法处理后得到的数据更加准确、平滑，可以有效降低噪声干扰，提高变送器信号测量的准确性。

图4 信号检测对比图Fig.4 Comparison diagram of signal detection

为准确得到装置的检测精度，通过福禄克（FLUKE 754）过程信号校验仪做对标试验。由校验仪输出电流、电压的标准值（电流输出精度：0.01 mA；电压输出精度：0.01 mV），通过通讯接口实时读取该标准值对应的实测值，每隔2 min 记录标准值与实测值的偏差值（每种模拟量测量数据应≥2000 组数据），连续测试10 min，测试结果如表2 所示。

表2 电流、电压信号检测结果Tab.2 Current and voltage signal detection results

根据表2 分别计算电流、电压检测偏差值的均值和标准差。电流检测偏差值的均值λ1=0.062 mA，标准差σ1=0.003，电压检测偏差值的均值λ2=0.39 mV，标准差σ2=0.002，即λ1≤0.1 mA，λ2≤1 mV，且数据稳定性高，满足电流最大检测误差≤，电压最大检测误差≤的要求。

6 应用

数据采集装置已在某监控系统中应用，从2022年8 月稳定运行至今，产品功能和性能均满足试验现场需求。如图3 所示为某系统应用实物图，图5（a）为现场站的监控柜，负责站内变送器、阀门等设备信号采集与远程数据交互。数据采集装置安装在监控柜中，其信号采集接口直接与压力变送器、流量变送器的信号输出相连，处理后的数据通过通讯接口发送至上位机，从而实现工程现场压力、流量等物理信号的远程监控。

图5 现场应用实物图Fig.5 Physical map of field application

7 结语

根据工程现场需求，研制了一种集变送器信号采集、传输于一体的数据采集装置，可逐步替代工程现场二次表、PLC 等设备，在系统自主化建设及成本控制等方面有着重大意义。通过分析变送器输出信号特点，搭建基于分立元器件的信号预处理电路，实现了变送器输出信号至基准电压值的高精度转化，解决了集成芯片价格昂贵、供货周期长、存在断供风险的问题；并针对外界噪声干扰和元器件的固有测量误差，设计了适用于数据采集装置的信号处理算法，利用过程信号校验仪建立标准信号与实测信号的数学模型，通过对变送器测量数据全量程标定与校准，保证了信号测量的准确性。通过仿真测试，该采集装置的各项功能指标和性能指标均符合设计要求，可以在工程现场广泛推广应用。