徐锦程，陈金忠，孟 涛，李晓龙，杨绪运，何仁洋，郭岩宝

(1.中国石油大学(北京) 机械与储运工程学院，北京 102249；2.中国特种设备检测研究院 压力管道部，北京 100029)

0 引言

杂散电流是指不按指定回路流动的电流，通常分为直流杂散电流和交流杂散电流两种。杂散电流来源广，随机性强，易导致腐蚀穿孔等管道缺陷，是影响埋地钢质管道的正常运行的重要因素之一[1-4]。

现阶段，对于杂散电流检测，作业现场多采用以下三种方式：以万用表作为测量仪器采集电位数据，通过人工巡检的方式记录。这种方式采集的通电电位存在埋地钢质管道与参比电极之间土壤产生的电压降，测量误差较大，且无法定时采集断电电位。以uDL2,Smart logger等数字存储记录仪作为测量仪器，能够连续采集24 h以上的交直流杂散电流测试数据[5-6]。这种方式缺少远程通信功能，数据共享困难，且上位机数据分析功能简单。以SCM管道杂散电流测绘系统作为测量仪器，通过磁场测量技术检测管道上杂散电流的大小和方向，并实现检测数据的存储和显示[7-8]。该设备对检验人员的要求较高，且无法测量土壤电位梯度。对于上述系统或设备，往往还存在难以应对多个指标检测作业等问题。

为了解决上述问题，提出了一种基于STM32和LabVIEW的埋地钢质管道杂散电流检测系统。该系统以双STM32F103微处理器作为采集系统的主控芯片，以LabVIEW作为上位机平台搭建工具，能够实现杂散电流信号的采集、储存、分析和远程通信等功能，为工程应用提供了一种低成本、高精度、可靠性强的方案。

1 系统检测指标及总体方案设计

1.1 检测指标

根据GB/T19285-2014《埋地钢质管道腐蚀防护工程检验》标准[9]，直流杂散电流干扰评价指标主要有管地电位正向偏移量和土壤表面电位梯度，交流杂散电流干扰评价指标主要有交流干扰电压和交流电流密度，详见表1。交流电流密度可由交流干扰电压通过式(1)求得。

表1 埋地钢质管道杂散电流干扰程度评价指标

(1)

式中：JAC为交流电流密度用表示;ρ为土壤电阻率(单位：Ω·m);d为破损点直径(单位：m);V为系统测量的交流干扰电压有效值的平均值(单位：V)。

在有测试桩的条件下，将采集系统与硫酸铜参比电极(CSE)及管道相连接，测量并记录测试桩处管道的管地电位和交流干扰电压；在缺少测试桩的条件下，通过十字交叉法测得平行和垂直管道方向的电位梯度的大小和方向，求解矢量和后除以对应参比电极间距即可求得管道附近的土壤表面电位梯度。综上，埋地钢质管道杂散电流检测系统需要同时满足测量管地电位、交流电压、土壤表面电位梯度三个指标的要求。

1.2 总体方案设计

系统主要由采集系统和上位机两部分组成。采集系统分为主机和从机两部分，运用模块化方式进行设计，具体包括主、从机主控电路、信号调理电路、信号采集电路、存储电路、远程通信电路、试片断电法控制电路、LCD显示电路、电源及其转换电路等多个模块。上位机采用图形化编程软件LabVIEW，调用MATLAB Script脚本节点进行搭建，实现数据的显示、存储和分析功能。

如图1所示，从机将经过调理和A/D转换后的信号进行处理后在LCD上显示，并将采集数据通过串口发送到上位机和主机。上位机显示、存储并分析信号，方便现场人员评估杂散电流干扰程度。主机将采集数据通过SIM800C远程通信模块发送至服务器或移动终端，实现数据共享，在网络条件不佳时可离线存储至SD卡。LCD触摸屏上设计了人机交互界面，现场人员可通过LCD触摸屏完成采样频率、服务器IP地址、移动终端号码以及是否采集断电电位等基础参数的设置。试片断电法控制电路可以通过主机输出高低电平控制试片和管道的定时通断，实现断电电位采集。电源及其转换电路为整个系统提供供电支持。

图1 系统总体框图

2 硬件设计

2.1 信号调理电路设计

由于原始管地电位和交流电压信号的幅值超过了A/D转换芯片的采样电压范围，故原始信号需要通过信号调理电路处理后，输入信号采集电路进行A/D转换。

采用TL084来设计管地电位信号调理电路。TL084是一款四通道高速JFET(结型场效应管)型运算放大器，具有低失调电压、低噪声、高压摆率等特点[10]。管地电位信号调理电路包括分压衰减电路、滤波电路、电压跟随电路、可调放大电路和限幅保护电路5部分，如图2所示。分压衰减电路选用10 MΩ和2 MΩ大阻值电阻，提高输入阻抗。在分压衰减电路后加入滤波电路，能够有效抑制交流噪声。电压跟随器电路具有输入高阻抗、输出低阻抗的特性，作为中间级隔离前级电路和后级电路，起缓冲和隔离的作用。可调放大电路是通过调节滑动变阻器来改变反馈电阻大小，达到改变放大电路增益的目的。限幅保护电路由双向ER608二极管组成，将信号幅值限制在正负5 V以内。管地电位信号调理电路输出电压如式(2)所示。

图2 管地电位信号调理电路

(2)

交流电压信号调理电路由以下六部分组成：分压衰减电路、限幅保护电路、电压跟随电路、可调放大电路、滤波电路及有效值转换电路，如图3所示。对交流电压的信号调理方式与管地电位信号相似，主要区别有两个：设计了基于AD536A芯片的真有效值转换电路，实现了交流信号到直流信号的转变；分压衰减电路由固定阻值电阻和可变阻值电阻组成，通过拨码开关控制不同的分压电阻接入电路中，改变衰减倍数，从而适应电压范围变化较大的交流信号。拨码开关也可使用多路模拟开关代替，根据原始信号大小，从机STM32F103RBT6最小系统输出高低电平，自动调节增益。

图3 交流电压信号调理电路

土壤表面电位梯度信号属于毫伏级微弱信号，因此设计了包括电压跟随电路、放大电路、滤波电路三部分的信号调理电路。选用AD620仪表放大器设计放大电路。AD620是一款高精度、易用性强的单芯片仪表放大器，在直流性能和噪声控制方面十分出色[11]。如图4所示，在引脚1和8之间接入由100 kΩ和4.7 kΩ电阻并联而成的电阻RG，改变RG阻值大小来对电路放大倍数进行调整。AD620的增益公式见式(3)，其中G为增益大小。

图4 AD620仪表放大器电路

(3)

2.2 信号采集电路设计

信号采集电路是将经过信号调理后的模拟信号进行A/D转换，转换为从机能够处理的数字信号。信号采集电路选用AD7606芯片进行设计。AD7606芯片是ADI公司推出的的16位、8通道同步采样的A/D芯片，采样速率高达200 kHz[12]，可同时供两路管地电位信号调理电路、两路交流电压信号调理电路与四路土壤表面电位梯度信号调理电路输出的信号进行A/D转换。AD7606与从机STM32F103RBT6最小系统是通过SPI协议进行通信，硬件接线见图5。

图5 AD7606与STM32F103RBT6最小系统连接电路图

2.3 主控电路设计

主控电路选用意法半导体公司STM32系列微控制器的STM32F103芯片，其特点是片上资源丰富、低功耗、易于开发[13-14]。采用STM32F103RBT6和STM32F103RCT6微处理器分别作为主控模块中从机和主机的控制核心，设计了包括微处理器、时钟电路、电源电路、JTAG调试电路、复位电路及启动电路的STM32F103最小系统。如图6，从机的USART1_TX，USART1_RX引脚同主机的USART1_RX，USART1_TX引脚相连，主从机通过串口进行数据传输。从机的PA11和PA12引脚分别与MiniUSB接头的D-和D+引脚相连，从机通过USB虚拟串口与上位机通信。

图6 从机与主机、上位机连接方式示意图

2.4 存储电路设计

本系统能够在网络信号不佳的环境下进行离线存储，将采集数据存储成TXT文件到SD卡上，便于后续处理。主机STM32F103RCT6最小系统使用SPI模式同SD卡通信，如图7，SD卡通过4根信号线与STM32F103RCT6最小系统连接，SD卡的片选引脚连接STM32F103RCT6最小系统的PA3引脚，SD卡的MOSI/MISO/CLK引脚与STM32F103RCT6最小系统的SPI1接口相连。

图7 SD卡离线存储电路

2.5 远程通信电路设计

远程通信模块电路的主要作用是将现场采集数据上传至服务器或发送到移动终端。该系统选用的的具体型号为ATK-SIM800C。ATK-SIM800C是一款基于SIMCOM(希姆通)公司的SIM800C模块开发的工业级GSM/GPRS通信模块，内嵌TCP/IP协议，通过AT指令进行控制，具有体积小、低功耗、功能齐全等特点[15]。

2.6 电源及显示电路设计

外接电源为12 V开关电源，使用MP2359稳压芯片、LM1117稳压芯片、ICL7660电荷泵电压反相器设计了12 V转5 V电路、5 V转3.3 V电路、+5 V转-5 V电路，为系统各个模块供电。为使电源电压保持稳定，在电源引脚旁分别接入退耦电容到地。

主机的LCD触摸屏电路设计采用2.8寸TFTLCD真彩液晶显示屏，其分辨率为320×240像素，支持65K色显示。从机的LCD显示屏采用1.9寸LCD12864点阵型液晶显示模块，封装方式为COG工艺，接口方式为串口，具有成本低，稳定性好的特点。

2.7 试片断电法控制电路设计

试片断电法控制电路选用SRD-05VDC-SL-C五脚小型继电器。其触点形式为转换型，额定电压下吸合时间和释放时间均在10 ms以下。主机STM32F103RCT6最小系统的PA8引脚输出高低电平控制继电器动作，进而控制标准试片与测试桩或管道的通断。

3 软件设计

3.1 小波阈值去噪原理

由于受土壤外界环境和设备自身的影响，采集信号不可避免地含有噪声。使用小波阈值去噪法对采集信号进行降噪处理[16]，具体流程如图8。

图8 采集信号去噪流程图

设置以下2个评价指标对比去噪结果，分别是相对信噪比(SNR)和均方根误差(RMSE)，定义见式(4)和式(5)：

(4)

(5)

式中：s(n)是原始信号；y(n)是去噪后的信号。

3.2 上位机软件设计

通过LabVIEW图形化编程搭建上位机界面，如图9。上位机界面分为串口设置界面、小波去噪界面、存储界面、波形显示界面4个部分。串口设置界面主要用于完成从机和上位机进行串口通信时的相关参数选择，包括端口号、波特率、停止位、数据位、校验位和串口开关；小波去噪界面主要用于完成从机采集到的数据进行小波去噪时的参数配置与显示，包括小波基函数、分解层数、阈值、阈值函数及去噪效果评价指标。小波去噪功能是通过在LabVIEW中调用MATLAB Script节点实现的，MATLAB脚本节点代码见图10；存储界面主要用于在PC上选择数据存储路径，进行存储文件的命名及实时存储。波形显示界面可以实时显示管地电位、交流干扰电压和土壤电位梯度的波形图。

图9 系统上位机软件界面设计

图10 MATLAB脚本节点代码

3.3 采集系统软件设计

采集系统软件设计是在Keil5环境下，基于STM32固件库，使用C语言进行编程开发。相对于直接操作寄存器的开发方式，使用固件库的开发方式是将寄存器的底层操作封装成一系列函数进行调用，程序可读性好，开发效率高。

如图11所示，系统上电后进行两STM32F103最小系统及其外围功能模块的初始化操作；在ad7606_StartRecord函数中设定采样频率启动A/D转换进行8通道采集，数据通过SPI协议从AD7606发送至STM32F103RBT6最小系统，实现从机采集数据；通过在LCD_ShowString函数中设定字符串显示的横纵坐标、宽度高度以及字体大小，实现采集数据的LCD显示；主从机采用串口通信的方式，通过USART_SendData和USART_ReceiveData函数操作USART_DR寄存器实现写入和读取串口数据；从机通过USB虚拟串口与上位机通信，数据通过USB_USART_SendData函数写入FIFO结构体中的数组里，再发送至上位机；使用LCD触摸屏虚拟键盘设定IP地址、端口号，通过AT+CIPSTART，AT+CIPSEND，AT+CIPSTATUS等一系列AT指令实现主机与服务器的TCP数据传输，进行GPRS远程通信；通过调用FATFS文件系统模块中的f_write，f_read等接口函数对SD卡进行读写操作，实现SD卡离线存储功能；通过调用GPIO_SetBits和GPIO_ResetBits函数设置IO口输出高低电平，实现试片断电法控制电路的定时通断。

图11 采集系统主程序设计流程图

4 实验验证

4.1 系统精度测试

如图12所示，在实验室条件下进行系统精度测试，使用NF多功能信号发生器产生直流电压信号和50 Hz交流电压信号作为标准值，通过所研制的杂散电流检测系统进行测量，测量结果见表2。测量结果表明，系统绝对误差在2 mV以内，采集误差不超过0.1%。

图12 系统精度测试实验

4.2 系统现场应用

在某地成品油管道的45#测试桩处进行管地电位测试。设置采样频率为1 Hz，共采集1000点，所采集的管地电位信号通过上位机进行显示与存储，并使用sym6,db8,coif5,haar四种小波基函数进行去噪处理，分解层数为5，阈值选取方法为无偏似然估计阈值法，阈值判断函数设置为soft，其xd1，xd2，xd3，xd4分别对应使用四种小波基函数去噪后的信号，测试结果如图13。综合SNR，RMSE评价指标以及去噪后的视觉效果等因素，可以看出，xd1所对应的去噪信号图像更接近原始信号。管地电位的波动范围为-1219 mV～-1158 mV，管地电位波动61 mV，根据相关标准，初步判定杂散电流干扰程度为中。

表2 精度测试结果

图13 45#测试桩的管地电位与时间曲线

5 结论

该文介绍了埋地钢质管道杂散电流检测系统的设计与实验，设计了以双STM32F103最小系统为核心的采集系统电路，同时满足多项指标多通道同步采集。通过LabVIEW软件和MATLAB软件联合编程搭建上位机平台，实现数据显示、存储和降噪等功能。系统实验结果表明，该系统测量管地电位、交流干扰电压和土壤表面电位梯度3个指标的误差不超过0.1%，并且能够在上位机平台实时进行信号分析和处理。该系统具有一定的实用性、可靠性和工程应用价值。