系统硬件以一个工程级触摸屏平板电脑的信号检测箱体为主体形式, 分为上下两层结构。上层平面示意图如图1所示, 由电源控制开关、AC 220 V充电接口、10.4 in（1 in=2.54 cm）嵌入式触摸屏电脑、RJ 45网口、2个USB接口、输出区（钻台区大线接口、罐区大线接口）、自检区（钻台区大线接口、罐区大线接口）、传感器检测区（绞车接口、泵冲接口、模拟接口）组成, 采用人机交互模式, 操作方便快捷。下层平面示意图如图2所示, 主要由电源管理电路、信号发生电路、通信接口电路、测量电路、电池组组成。

图1

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	图1 上层平面示意图

图2

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	图2 下层平面示意图

上下两层通过箱体内部标准化的高速排线与专用接口模块实现物理连接与数据互通, 同时依托稳定的内部总线完成指令传输与信号交互。上层作为人机交互与数据管控核心, 通过触摸屏接收操作人员指令并下发至下层电路模块, 同时接收下层传输的检测数据并进行显示、存储与分析; 下层作为信号检测与执行核心, 响应上层指令, 通过各功能电路完成电源供给、信号采集、信号调理与传输等基础工作, 将处理后的有效检测信号反馈至上层, 形成“指令下发-信号采集-数据回传-分析展示”的闭环协作模式, 保障整个系统信号检测的高效、精准运行。整个系统体积较小, 重量轻便, 便于携带, 且智能化程度高, 操作方便快捷。

2.1.1 信号发生电路

信号发生电路是系统硬件的核心组成部分, 其核心功能是根据上位机指令动态生成所需各类信号, 同时支持模拟信号发生源与数字信号发生源两类输出, 其中数字信号发生源包含绞车信号发生源、泵冲信号发生源（转盘转速与泵冲共用同一信号源）, 最终实现泵冲（转盘转速）信号、绞车信号（正交编码信号）及模拟量信号的精准发生。此外, 电路通过RS 485通信接口实现与外界的数据交互, 完成计算机对信号发生过程的远程控制与测量。

2.1.1.1 核心硬件选型与特性

（1）主控芯片。电路选用STM 32F103xx系列ARM芯片作为主控单元, 该芯片采用ECOPACK封装形式, 搭载高性能ARM Cortex^® 内核, 具备丰富且强大的硬件特性, 为信号发生与系统管控提供核心支撑, 具体包括：完备的存储器配置、稳定的时钟复位与电源管理机制、多种低功耗工作模式、便捷的调试模式、DMA（Direct Memory Access）数据传输功能; 同时集成了多个A/D转换器、D/A转换器、通用I/O端口、高精度定时器及多种通信接口（含RS 485适配接口）, 其内置的高精度中断计数器, 是生成规则脉冲信号（模拟各类传感器脉冲）的核心硬件基础^{[1, 2, 3, 4, 5]}。

（2）数模转换芯片。电路采用两款高精度DAC（Digital-to-Analog Converter, 转换器）芯片满足不同模拟量输出需求。AD 5755为一款四通道、16位、串行输入的高性能DAC, 支持4~20 mA电流输出与多量程电压输出, 具备多通道并发工作能力, 同时集成动态电源控制与HART连接功能, 可满足多通道模拟量信号的同步高精度输出需求。AD 5421为一款完整的环路供电型4~20 mA DAC, 专为工业控制领域智能发射器设计, 是高精度、低成本的全集成解决方案, 采用紧凑型TSSOP与LFCSP封装, 该芯片内置稳压输出模块, 无需额外配置分立稳压器和基准电压源, 能够精准生成符合工业标准的4~20 mA模拟量信号, 完全满足本系统的技术设计要求。

2.1.1.2 各类信号的发生原理

系统所有信号的发生均以STM 32主控芯片为核心, 其中数字信号（脉冲信号）依赖芯片定时器与PWM（Pulse Width Modulation, 脉冲宽度调制）技术实现, 模拟量信号依赖专用DAC芯片实现。

（1）脉冲信号发生：泵冲（转盘转速）信号、绞车信号均为脉冲类信号, 其信号发生核心采用PWM技术。PWM技术通过对一系列脉冲的宽度进行调制, 等效生成所需波形（包含形状与幅值）, 本质是对脉冲信号电平进行数字编码, 可通过调节占空比（一个周期内, 信号高电平时间占整个周期的百分比, 如标准方波占空比为50%）实现信号、能量的精准调节。由于STM 32主控芯片内置多个高精度定时器与专用PWM功能模块, 对应的I/O口集成PWM输出能力, 仅需简单程序配置即可实现PWM信号的精准输出, 相较于软件模拟, 该方式程序设计更简便、输出数据更精确。其中, 绞车信号为正交编码信号, 在发生过程中, 只需通过STM 32定时器精准控制两路PWM脉冲信号保持90°相位差, 即可实现正交编码绞车信号的稳定输出; 泵冲（转盘转速）信号则直接通过PWM模块生成规则脉冲, 满足传感器模拟需求^{[6, 7]}。

（2）模拟量信号发生：系统所需的4~20 mA标准工业模拟量信号, 通过专用数模转换芯片实现, 核心选用AD 5421完成高精度模拟量输出, 同时搭配AD 5755满足多通道并发输出需求。两款DAC芯片均通过串行接口与STM 32主控芯片通信, 接收主控下发的数字指令, 经内部高精度转换电路, 将数字信号转换为符合工业标准的4~20 mA电流信号, 无需额外外围调理电路即可实现模拟量信号的精准发生^[8]。

2.1.2 电源管理电路

电源管理电路是系统中负责电能转换、稳定调节、智能分配与安全保护的核心模块, 其为负载提供稳定、高效、安全的电能, 同时实现功耗优化与故障防护。由电源管理芯片、功率开关、储能元件、反馈与补偿、保护电路、电源开关与分配组成。

（1）电源管理芯片：核心控制器, 集成PWM调制、反馈补偿、保护逻辑, 动态调节输出并管理多电源轨。

（2）功率开关：实现能量高速切换, 决定转换效率与开关损耗。

（3）储能元件：包括电感与电容, 电感决定电流纹波, 输出电容ESR影响电压纹波与瞬态响应。

（4）反馈与补偿：通过分压电阻采样输出电压, 配合误差放大器与补偿网络保证环路稳定, 抑制过冲与振荡。

（5）保护电路：过压、欠压、过流、过温、短路保护, 防止器件损坏。

（6）电源开关与分配：通过负载开关、电源门控, 实现多路供电通断与待机功耗控制^[9]。

2.1.3 通信接口电路

用于实现信号发生电路和测量电路之间数据传输与交互的专用电路模块, 核心作用是解决不同设备之间的信号格式、电平标准、时序逻辑不匹配的问题, 确保数据能够稳定、准确地收发。由于系统要进行大量的数据传输, 同时要求一定的实时性, 采用波特率为19200 bit/s的RS 485总线通信。这样处理, 既保证了总线的安全, 又提高了抗干扰能力。

2.1.4 测量电路

测量电路主要包括信号采集电路、4~20 mA模拟信号电路、绞车和泵冲（转盘转速）信号电路, 其功能是实现4~20 mA模拟信号、绞车信号、泵冲（转盘转速）信号的采集、测量与处理。

（1）信号采集电路：作为测量系统的核心, 其作用是将调理后的模拟信号精准转换为数字信号, 供后端处理器进行计算、分析与存储。其核心架构为“模拟前端+模数转换（ADC）+数字接口”, 关键是保证信号的精度、稳定性和抗干扰性。

（2）4~20 mA模拟信号电路：属标准的电流型信号传输与调理电路, 其作用是将传感器采集的物理量（如温度、压力、流量）或单片机输出的控制信号, 转换成4~20 mA 标准电流信号进行传输, 同时解决电压信号传输中的干扰、压降问题。

（3）绞车和泵冲（转盘转速）信号电路：为数字量输出（Do）电路。系统中要产生类似于实际绞车和泵冲（转盘转速）传感器的信号, 需要在电路上进行相应的处理, 同时在信号产生方式上作相应的设计。

软件主界面集成了丰富的功能模块, 涵盖检测设备记录、设备自检、程序检测、手动检测、传感器检测、系统配置等。各模块均针对触摸屏操作进行了深度优化, 兼具操作简易、使用便捷、运行稳定的特点。系统内置智能信号处理算法, 可对硬件采集的多通道信号进行专业降噪、精准解析、高效运算与安全存储, 为各类检测操作提供可靠的数据支撑; 用户可通过界面菜单快速完成各类检测流程, 一键获取标准化检测报告, 同时支持灵活的系统参数配置, 全面适配不同应用场景的使用需求（图3）。

图3

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	图3 软件设计

2.2.1 检测设备记录功能

检测设备记录包含创建与查询两大核心功能：创建设备记录可将检测设备的唯一标识、名称、类型、状态、检测人、备注等信息录入系统, 完成后将数据写入数据库并返回创建结果; 查询设备记录支持按设备标识、名称、类型、状态、创建时间等单一或组合条件检索设备记录, 执行查询后会对结果进行分页、排序处理, 最终返回符合条件的记录数据及总条数。

2.2.2 设备自检功能

设备自检是一种闭环自检模式。用两根37芯总线将检测装置的输出区分别与自检区的钻台大线接口和罐区大线接口连接, 然后通过软件发送特定命令启动信号发生电路, 输出4~20 mA标准电流信号, 同时利用系统内部的信号采集电路对信号发生电路输出的电流信号进行实时采集、换算和验证：若采集电路检测到的信号在预设标准范围内（如4 mA/12 mA/20 mA允许偏差范围内）, 判定信号发生电路无故障, 工作正常; 若采集电路未检测到信号, 或信号偏差超标, 或信号超出4~20 mA正常范围, 直接判定信号发生电路存在故障, 然后查找原因, 排除故障后再测试。

这种“发生-采集”自检的方式, 无需外部额外增加检测设备, 自检效率高且结果精准, 是智能型设备的主流自检方案。此外, 还能够实现两根总线的自动切换, 切换不同总线分别完成自检流程, 即使其中一根总线故障, 系统可自动切换至另一根正常总线继续完成信号传输和自检, 保障设备持续工作, 降低故障停机风险, 避免单一总线故障导致自检无法进行, 同时也能对比两根总线的传输效果, 排查总线自身的干扰、压降问题, 增加了检测的灵活性和便利性。自检完成后, 用户可根据实际情况, 自主选择系统格式或自定义格式进行报告输出。

2.2.3 程序检测功能

通过软件驱动, 信号发生电路按信号幅值由小到大的顺序输出检测信号, 经网线与综合录井仪采集箱通信接口建立连接, 完成数据交互。检测过程中, 软件将采集箱各通道的反馈信号与信号发生电路的标准输出信号进行精准比对, 自动判定各通道的性能指标, 并生成实时检测图表及对应的标准化检测报告。该功能大幅提升了综合录井仪通道检测的效率、便捷性与精准度, 可以有效替代传统人工检测模式。

2.2.4 手动检测功能

可通过调节滑动条的方式手动设定目标检测信号, 适用于对综合录井仪单通道信号的精准检测。同时, 该功能可模拟绞车转速、转盘转速、泵冲参数, 以及任意两路模拟量通道的信号输出, 兼具高实用性与灵活适配性, 并可最终生成实时检测图表及对应报告。

2.2.5 传感器检测功能

系统不仅具备录井仪器多通道数据采集信号的检测能力, 还可对单一传感器开展定性检测工作, 覆盖绞车传感器、转盘转速传感器、泵冲传感器及模拟信号传感器等核心传感设备。该功能大幅拓宽了系统的应用场景, 使其在录井现场各类工况下均能稳定发挥关键检测作用, 保障录井工作的精准高效推进。

2.2.6 系统配置功能

系统配置主要用于实现串口COM 1与信号发生电路、测量电路RS 485通信, 具体步骤如下：

（1）确认信号发生电路和测量电路的RS 485通信接口与串口COM 1连接正确。

（2）设置综合录井IP, 确保其与信号发生电路和测量电路在同一网络中, 以便进行通信。

（3）在软件中配置串口COM 1, 并设置相应的通信参数, 如波特率、数据位、停止位等。

（4）启动信号发生电路和测量电路, 通过软件发送指令或数据到信号发生电路和测量电路, 确认是否能正确接收和响应。

（5）确认正常后, 系统将自动生成配套配置文件, 再次运行系统会自动调取配置文件, 无需重复手动配置, 直接进入正常工作状态。

在设置综合录井IP时, 需要考虑网络拓扑结构和设备的连接方式。可以通过以下步骤进行设置：①确定综合录井仪所在的网络段和子网掩码; ②为综合录井仪分配一个唯一的IP地址, 确保该地址在网络段内且不与其他设备冲突; ③在综合录井仪的设置界面中, 输入分配的IP地址、子网掩码和网关等信息; ④保存设置并重启综合录井仪, 使新的IP地址生效。