基于LabVIEW的SeaRay海底電纜測(cè)試儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李銘 陸響暉

【摘? 要】針對(duì)海洋地震勘探SeaRay海底電纜檢修的需求，采用LabVIEW編程語言和工業(yè)計(jì)算機(jī)為軟、硬件平臺(tái)，對(duì)海底電纜傳輸原理進(jìn)行了研究。確定了海底電纜測(cè)試儀的組成架構(gòu)，設(shè)計(jì)主要由4塊64路繼電器，一塊絕緣電阻測(cè)試模塊和一個(gè)工控機(jī)組成，且配備觸摸屏方便野外操作。工控機(jī)配套有基于LabVIEW編寫的測(cè)控程序，工控機(jī)通過RS485總線把繼電器陣列模塊和測(cè)試模塊連接在一起，實(shí)現(xiàn)了快速、自動(dòng)化檢測(cè)電纜芯線通斷和芯線間絕緣狀況的易用性解決方案。

【關(guān)鍵詞】LabVIEW;直流電阻和絕緣;傳輸理論;測(cè)試方法

Design and implementation of SeaRay ocean bottom cable tester based on LabVIEW

Abstract：In order to meet the needs of SeaRay ocean bottom cable maintenance in marine seismic exploration，the transmission principle of ocean bottom cable is studied by using LabVIEW programming language and industrial computer as software and hardware platform.The structure of ocean bottom cable tester is determined.The design is mainly composed of four 64 way relays，one insulation resistance test module and one industrial computer，and equipped with touch screen to facilitate field operation.The industrial control computer is equipped with a measurement and control program based on LabVIEW.The industrial control computer connects the relay array module and the test module through RS485 bus，so as to realize an easy-to-use solution for fast and automatic detection of the on-off of cable cores and the insulation between cores.

Key words：LabVIEW;DC resistance and insulation;transmission theory;test method

1 引言

由于SeaRay海底電纜結(jié)構(gòu)的特殊性，在檢修過程中需要檢測(cè)的參數(shù)多，相對(duì)于工程維修型測(cè)試儀的笨重、精確及全面，野外型電纜測(cè)試儀要求易移動(dòng)、操作方便且有較好的抗野外惡劣條件的性能，而在測(cè)量精確性、全面性角度方面，相對(duì)較低，精確度和全面性要求為能較為準(zhǔn)確的反映電纜是否存在故障并確認(rèn)故障類型。

2 SeaRay海底電纜電性能測(cè)試方法的研究

2.1 SeaRay海底電纜的物理性能和技術(shù)指標(biāo)

2.1.1SeaRay海底電纜的物理性能

SeaRay海底電纜（數(shù)傳）內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖，包括：

四對(duì)低衰減數(shù)傳線對(duì)，既八條數(shù)傳環(huán)路。每100m衰減應(yīng)小于7.25dB，反射系數(shù)小于0.09（2M一12MHz），近端串音大于56dB（2M～8MHz），直流阻抗140 ）;

兩對(duì)電源開啟命令線（22AWG）和四對(duì)電源線（15AWG）;

一對(duì)輔助道（22AWG）和一對(duì)安全命令控制線（22AWG）;

一對(duì)地線（20AWG）。

圖1 SeaRay海底電纜內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

2.1.2 SeaRay海底電纜的技術(shù)指標(biāo)

SeaRay海底電纜（數(shù)傳）應(yīng)廣泛地適用于各種復(fù)雜地表及惡劣的野外工作環(huán)境，經(jīng)受頻繁搬動(dòng)和運(yùn)輸顛簸而不影響它的物理性能、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和技術(shù)指標(biāo)。

1）溫度：工作溫度范圍：一45℃～+70℃

存儲(chǔ)溫度范圍：一55℃～+85℃

2）柔性：用電纜圍成一個(gè)內(nèi)徑為12cm的圓圈垂直這個(gè)圓圈施加5N的力，至少壓扁lcm。

3）柱面度：在電纜任意50ram長(zhǎng)的一段上測(cè)量直徑，最大誤差應(yīng)該<0.3mm。

4）耐壓性在數(shù)傳電纜的任意兩根導(dǎo)線上，加上1000V的高壓，持續(xù)ls，不損壞。

根據(jù)SeaRay海底電纜有關(guān)技術(shù)資料，電纜的主要技術(shù)指標(biāo)：

3 儀器硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

海底電纜野外檢測(cè)儀其硬件部分主要由4塊64路繼電器，一塊絕緣電阻測(cè)試模塊和一個(gè)工控機(jī)組成，且配備觸摸屏方便野外操作。下圖為系統(tǒng)的組成架構(gòu)。工控機(jī)配套有基于LabVIEW編寫的測(cè)控程序，工控機(jī)通過RS485總線把繼電器陣列模塊和測(cè)試模塊連接在一起，測(cè)試交互通過觸摸顯示器進(jìn)行。

3.1儀器整體設(shè)計(jì)思想

圖2儀器整體設(shè)計(jì)

3.2 繼電器陣列

圖3 測(cè)量直流電阻的繼電器陣列示意圖

圖4 測(cè)量絕緣電阻的繼電器陣列示意圖

3.3 電纜直流電阻測(cè)試模塊

圖5? 直流電阻測(cè)量電路

圖6 測(cè)量直流電阻電路示意圖

使用公式

3.4 電纜絕緣電阻模塊

圖7 測(cè)量絕緣電阻的電路

4 儀器軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

電纜測(cè)試儀軟件主要包括以下幾個(gè)部分：主界面、系統(tǒng)參數(shù)配置模塊、測(cè)試模板配置模塊、電纜測(cè)試模塊。其中主界面提供各個(gè)模塊的入口。

4.1 窗體界面設(shè)計(jì)

圖8 儀器操作界面

圖12 儀器系統(tǒng)界面

圖13測(cè)試模板配置界面

圖14 測(cè)試儀主程序框圖

4.2串行通信協(xié)議設(shè)計(jì)

表2

要測(cè)試的參數(shù) 設(shè)定的協(xié)議

測(cè)試直流電阻 10H

測(cè)試直流電阻和絕緣電阻 15H

測(cè)試直流電阻和特性阻抗 20H

測(cè)試直流電阻和絕緣電阻和特性阻抗 30H

測(cè)試絕緣電阻 50H

測(cè)試絕緣電阻和特性阻抗 55H

測(cè)試特性阻抗 70H

4.3 端通信技術(shù)

在該儀器中，要遇到機(jī)與單片機(jī)系統(tǒng)通信的問題。由于機(jī)和單片機(jī)都具有串口，因此經(jīng)常使用串口完成二者之間的數(shù)據(jù)交換。這就需要在端設(shè)計(jì)相應(yīng)的串口通信程序。下面介紹在環(huán)境下編寫串口通信程序的方法。

程序的初始化部分主要完成對(duì)串口的設(shè)置工作，包括串口的選擇、波特率及幀結(jié)構(gòu)設(shè)置、打開串口以及發(fā)送和接收觸發(fā)的時(shí)間控制等。此外，在程序運(yùn)行前，還應(yīng)該進(jìn)行清除發(fā)送和接收緩沖區(qū)的工作。這部分工作是在窗體載入的時(shí)候完成的，因此應(yīng)該將初始化代碼放在函數(shù)中，雙擊編輯界面中的窗體部分，在函數(shù)中添加如下代碼，這樣就完成了程序初始化的工作。

MSComm.CommPort=2? ? ? ?’設(shè)置串口2

MSComm.Settings=“9600，N，8，1”? ?’波特率9600bit/s，無校驗(yàn)，8位數(shù)據(jù)，1位停止位

MSComm.InputLen=0 ’讀取接收緩沖區(qū)的所有字符

MSComm.InBufferSize=1024’設(shè)置接收緩沖區(qū)為1024字節(jié)

MSComm.OutBufferSize=512 ’設(shè)置發(fā)送緩沖區(qū)為512字節(jié)

MSComm.PortOpen=True? ?’打開串口

MSComm.SThreshold=0? ? ’不觸發(fā)發(fā)送事件

MSComm.RThreshold=1? ? ’每一個(gè)字符到接收緩沖區(qū)都觸發(fā)接收事件

MSComm.InBufferCount=0? ? ? ? ? ?’清除發(fā)送緩沖區(qū)

MSComm.OutBufferCount=0? ? ? ? ? ’清除接收緩沖區(qū)數(shù)據(jù)

End Sub

完成了通信過程的主要功能后，還需要對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算處理。根據(jù)相應(yīng)的公式計(jì)算出各個(gè)參數(shù)。

測(cè)試儀現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試電纜：

圖15 測(cè)試電纜

5 結(jié)論

經(jīng)過一年多時(shí)間的試驗(yàn)，基于LabVIEW的SeaRay海底電纜測(cè)試儀運(yùn)行可靠、性能良好、結(jié)果正確，并具有以下功能特點(diǎn)：

1.可靠性。通過器件參數(shù)的對(duì)比，選用單片機(jī)作為下位機(jī)控制處理核心，用上位機(jī)做數(shù)據(jù)處理中心和用戶操作界面。

2.高精度。在設(shè)計(jì)系統(tǒng)中采用了12位模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，它的精確度可以達(dá)到0.00122V。測(cè)到的電阻可以精確到0.05?，這個(gè)范圍比給定的參數(shù)精度高很多。

3.用戶界面人性化。采用LabVIEW編程做出的界面直觀，每個(gè)按鈕都有相應(yīng)的注釋，為用戶操作提供依據(jù)。測(cè)到的數(shù)據(jù)機(jī)可以顯示，也可以存盤、打印。

4.便攜性。整套儀器小巧、輕便。

5.兼容性。地震電纜在地震勘探數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中不斷地發(fā)展和更新?lián)Q代，這就要求新設(shè)計(jì)的電纜測(cè)試儀應(yīng)盡可能的做到向下兼容，既有發(fā)展的階段性，也有發(fā)展的延續(xù)性，使其易于接受和推廣。

參考文獻(xiàn)：

[1]SERCEL公司.SeaRay海底電纜操作手冊(cè)

[2]肖忠祥.地震數(shù)傳電纜檢測(cè)儀的研制 西安石油學(xué)院報(bào)[J].1994，9（2）：49-51.

[3]劉文斌，伍學(xué)正，潘杭均.電纜線芯直流電阻測(cè)試技術(shù)及影響因數(shù)的研究。西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)[J].1995，6（29）：14-19

（作者單位：1.中海油田服務(wù)有限公司物探事業(yè)部;

2.中國(guó)船舶工業(yè)集團(tuán)公司第七0八研究所）