刘复玉，李 林，李立刚，郝宪锋，贾建波

（1. 中国石油大学（华东）控制科学与工程学院，山东 青岛 266580；2. 中国石油大学（华东）海洋与空间信息学院，山东 青岛 266580；3. 中海油田服务股份有限公司 油田技术研究院，北京 101149）

随着信息技术的发展，万物互联的物联网技术给人们的生活和工作带来方方面面的巨变，许多高校也开设了相关的课程。但由于实验经费有限，相关实验设备更新换代的速度常常落后于技术发展的速度，实验室现有的设备功能单一，可开设的实验题目较少，仅能满足日常教学的基本实验需要。因为缺乏相应的硬件条件，暑期的课程设计和综合实践中很多稍微复杂些的题目只能进行仿真，学生兴趣不大而且易抄袭。因此如何利用现有条件，改善实践环境、丰富实习内容就显得很有意义[1-2]。

为了满足电子竞赛和创新创业的需要，创新实验室近年来引进了一批高精度的仪器设备，例如固纬公司的8105G 电子电桥、是德公司的N5770A 程控电源和DSOX4054A 示波器等，这些仪器精度高，具有多种通信接口和通信方式如通用串口、USB 口、以太网口等，但长期以来只使用了一些基本手动操作功能，远远没有发挥这些贵重仪器的价值。

随钻感应式电能信号耦合装置是一种非接触式电磁耦合器，用来实现初级和次级间的非接触式电源耦合以及数字信号的双向传输。该装置通过非接触式电磁耦合将初级输入的直流电源传送到次级，为次级所连的其他设备提供电源，同时为初级和次级两端连接的控制设备提供双向串行数字信号通道[3-5]。为确保该装置在井下高温振动环境下能够持续可靠工作，同时为了更好地培养人才和充分发挥现有仪器设备的功能和价值，结合现场生产实际需要，本文设计开发了随钻感应式电能信号耦合装置测试实验平台，实现常温和高温环境下耦合装置的全功能模拟测试，图1 和2分别是测试实验平台的结构图和实物图。

图1 电能信号耦合装置测试实验平台结构简图

图2 电能信号耦合装置测试实验平台实物图

1 实验平台方案设计

实验平台从功能设计角度可分为四个功能模块。①电源板动态参数检测模块：程控电源在计算机的控制下，输出一定规律的电压和功率给原边电路板（包括信号板、电源板），通过耦合线圈，副边电路板（包括信号板、电源板）接收原边电路板发出的电能信号，计算机控制的程控负载模拟现场的用电设备。通过监控程控电源的电源参数（电压、电流、功率）和程控负载参数（电压、电流、功率），可检验和分析电能的传输质量和可靠性。②耦合线圈电参数静态特性检测模块：利用电子电桥可以分析静态下耦合线圈的电感、电容、电阻、电导等电参数特性。③电源板辅助电源电参数检测模块：利用高性能示波器、程控电源和辅助电源测试负载可以分析电源板辅助电源的电能信号纹波成分，进而分析辅助电源电能输出质量和可靠性。④通信板和通信回路检测模块：RS422 通信模块、原边信号板、耦合线圈、副边信号板共同构成通信回路，通过检测发送和接收的不同频率、不同时长的信号，分析和检测通信信号的传输质量和可靠性。通过以上多角度的检测，最终实现对电能信号耦合装置的全面检测[6-8]。

1.1 电源板动态参数检测模块

为了实现对电能信号耦合装置的电能传输可靠性的检测，在设定的温度节点（如常温、125 ℃、145 ℃）条件下，计算机控制程控电源输出一定变化规律的电压（波形为正弦、阶梯、三角、方波，电压范围为43～53 V）和功率给原边电源板，副边电源板通过耦合线圈接受原边电源板传输的电能，进而传输给电子负载，电子负载按照一定的变化规律（正弦、三角、阶梯、方波）模拟现场的用电设备消耗电能，计算机通过RS232 和USB 通信协议来控制和采集程控电源和电子负载的相关参数（电压、电流、功率），进而分析电能信号耦合装置的电能传输的可靠性。为了保证测量的精度和可靠性，电子负载采用艾德克斯IT8512，输入电压为0～120 V、输入电流为1 mA～30 A、输入功率为10～300 W，可以实现定电压、定电流等多种工作方式[9]。图3 是电源板动态参数检测实物连接图。

图3 电源板动态参数检测实物连接图

1.2 耦合线圈电参数静态特性检测模块

为了实现对耦合（包括电能耦合、信号耦合）线圈电参数静态特性的检测，计算机采用RS232 通信协议控制电子电桥，检测和分析耦合线圈电感、电阻、电容、电导等参数。为了保证测量的精度和可靠性，采用固纬公司的8105G 电子电桥，8105G 测量精度为 0.1%，具有图表模式，能够实现电阻 0.1 mΩ～100 MΩ、电感0.1 nH～100 kH、电容0.01 pF～1 F 等大范围的精确测量，通过RS232 通信，可实现测量参数和测量图片的远传和存储[10-11]。图4 和5 分别是耦合线圈电参数静态特性检测实物连接图和功能示意图。

图4 耦合线圈电参数静态特性检测实物连接图

图5 耦合线圈电参数静态特性检测功能示意图

1.3 电源板辅助电源电参数检测模块

为了实现对电源板辅助电源（+15、-15、+5 V）性能的检测，计算机控制程控电源输出一定的电压（43～53 V）和功率给原边电源板，副边电源板通过耦合线圈接受原边电源板传输的电能，同时输出+15、-15、+5 V 辅助电源，为了检测辅助电源的带负载能力和电源质量，分别给不同的电压加上固定的辅助负载（5 W），同时通过高精度的示波器观测辅助电源的电压值和纹波电压。为了保证测量的精度和可靠性，采用是德公司的N5770A 程控电源和DSOX4054A 示波器，N5770A 程控电源电压输出为0～150 V，电流为0～10 A，功率为0～1 500 W，输出纹波和噪声最低分别可达100 和15 mV。程控电源和示波器采用USB 接口与计算机相连，实现仪器的自动控制和测量数据的采集[12]。图6 和7 分别是电源板辅助电源电参数测试实物连接图和功能示意图。

1.4 通信板和通信回路检测模块

为了实现对通信板和通信回路的检测，利用RS232/RS422 转换模块，原边通信板、耦合线圈、副边通信板、计算机构成通信回路，可以测试在设定的温度节点（如常温、125 ℃、145 ℃）条件下通信耦合线圈的通信故障点分析和记录，图8 是通信板通信回路检测实物连接图[13]。

图6 电源板辅助电源电参数测试实物连接图

图7 电源板辅助电源电参数测试功能示意图

图8 通信板通信回路检测实物连接图

2 实验平台软件设计

为了实现随钻感应式电能信号耦合装置测试平台的运行，开发了基于Visual Studio 2013 平台C#语言的配套综合测试分析软件，按照软件的功能和结构划分，共分为参数设置、静态测试、动态测试、电路测试、通信测试、趋势曲线、数据查询及报表等模块，图9 是软件系统功能总图，限于篇幅，下面仅介绍部分软件功能模块的设计思路和实现要点。

2.1 参数设置模块

参数设置界面图如图10 所示，包括“测试方案设置”“串口设置”“报警设置”“通信测试设置” 等。例如，“测试方案设置” 实现对程控电源、电子负载各参数的上下限，工作方式和间隔时间的设置；“串口设置” 实现对电子电桥、电子负载、内外筒通信端口的波特率、数据位等参数的设置等。相关参数设置好后都自动保存到后台数据库，数据库采用小型数据库SqliteStudio.2.1.5，占用空间只有5～6 MB，不用安装可以直接使用，另外测试方案通过点击“导入”或“导出” 按钮，就可以很方便把现有方案以EXCEL 格式导入或者导出数据库。

图9 软件系统功能总图

图10 参数设置界面图

2.2 静态测试模块

静态测试的界面图如图11 所示。静态测试的目的是利用电子电桥检测耦合线圈的电参数，如线圈的电阻、电感、电容等。电子电桥的通信方式是RS232 串口。图12 为静态测试程序流程图。串口通信除了可以读取测量数据外，还可以读取并保存电子电桥的测量波形（见图13），形成数据和测量波形的双重记录，为后期的耦合线圈质量综合分析提供依据。

图11 静态测试界面图

图12 静态测试程序流程图

图13 电子电桥测量波形截图

2.3 电路测试模块

电路测试的界面图如图14 所示。电路测试的目的是为了实现对电源板辅助电源的电能性能的检测和分析，核心是利用示波器观察辅助电源（+15、-15、+5 V）的输出波形和纹波。示波器具有多种通信接口，本测试平台采用USB 接口实现示波器的控制和数据波形的采集。首先在程序中添加引用厂家提供的有关动态链接库，然后定义示波器类，在此基础上根据示波器实际地址实例化示波器对象，最后根据需要分别调用对应的示波器命令，进行测量数据和波形的采集，形成数据和分析波形的双重记录[14-15]。图15 为示波器主要控制步骤，图16 是利用控制命令读出并保存的示波器测量波形。

图14 电路测试界面图

图15 示波器主要控制步骤

图16 示波器测量波形

3 结语

本文设计了一种随钻感应式电能信号耦合装置实验平台，涉及多种通信接口和通信协议，其中涉及RS232 串口通信的仪器有电子电桥、电子负载、耦合线圈信号板，涉及USB 串口通信的仪器有程控电源、示波器，涉及TCP/IP 网络通信的有服务器的数据远传等。实验平台的开发和应用基本上涉及所有常用的通信接口和通信协议，具有很强的代表性。通过各种通信协议，不但实现了单个仪器的控制和测试数据及图片的读取，而且实现了仪器之间的互联互通。实验平台的开发为学生的课程设计和实习提供了切合生产实际的范例和题目，避免了学生 “纸上谈兵”。