基于單片機(jī)W77IE58的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳光建楊佐新羅學(xué)東羅建強(qiáng)吳長(zhǎng)潤(rùn)張金海顧秀紅

(1.中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司裝備與銷(xiāo)售分公司 陜西西安)(2.中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司華北事業(yè)部 河北任丘) (3.中國(guó)石油渤海鉆探國(guó)際工程公司 天津)

基于單片機(jī)W77IE58的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳光建1楊佐新1羅學(xué)東1羅建強(qiáng)1吳長(zhǎng)潤(rùn)2張金海3顧秀紅2

(1.中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司裝備與銷(xiāo)售分公司 陜西西安)(2.中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司華北事業(yè)部 河北任丘) (3.中國(guó)石油渤海鉆探國(guó)際工程公司 天津)

采用單片機(jī)W77IE58和2個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片MAX197組成的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),通過(guò)CTGC5301遙傳短節(jié)、電纜通訊,實(shí)現(xiàn)了DTB三總線(xiàn)與EILog地面測(cè)井系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換。一次下井,快速、準(zhǔn)確、取全集成化常規(guī)測(cè)井9條曲線(xiàn)。用DTB總線(xiàn)聯(lián)結(jié)井下儀器與遙傳短節(jié)之間的通訊,使得能掛接在DTB總線(xiàn)上的下井儀器,均可與電纜遙測(cè)短節(jié)組合,大大提高了整個(gè)系統(tǒng)的通用性,使EILog測(cè)井系統(tǒng)具有較好的開(kāi)發(fā)擴(kuò)展功能。

EILog測(cè)井系統(tǒng);DTB;W77IE58

0 引 言

EILog(Express and Image Logging System)測(cè)井系統(tǒng)是中國(guó)石油測(cè)井有限公司研制的具有完全知識(shí)產(chǎn)權(quán),填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)成像測(cè)井空白,達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平的快速成像測(cè)井裝備。

采用單片機(jī)W77IE58和2個(gè)MAX197組成的多通道數(shù)據(jù)采集,能夠同時(shí)采集連斜模擬量(6路傳感器)、電極系(3路)、微電極(2路)以及X-Y井徑(2路)等信號(hào),極大的提高了測(cè)井效率。DTB總線(xiàn)的引入則解決了數(shù)據(jù)高速傳輸以及儀器通用性的瓶頸。模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片MAX197是Maxim公司推出的具有12位測(cè)量精度的高速A/D轉(zhuǎn)換芯片,只需單一電源供電,且轉(zhuǎn)換時(shí)間很短(6 ms),具有8路輸入通道,還提供了標(biāo)準(zhǔn)的并行接口——8位三態(tài)數(shù)據(jù)I/O口,可以和大部分單片機(jī)接口直接通訊,使用十分方便。增強(qiáng)型51系列單片機(jī)W77IE58可與標(biāo)準(zhǔn)的8052兼容,它內(nèi)含4個(gè)8位I/O口、3個(gè)16位計(jì)數(shù)器和全雙工串行通信接口。由于W77IE58對(duì)處理器內(nèi)核進(jìn)行了重新設(shè)計(jì),因而其性能較之于標(biāo)準(zhǔn)的8052有了很大提高。

1 DTB總線(xiàn)接口電路設(shè)計(jì)

單片機(jī)循環(huán)采集的傳感器量值經(jīng)過(guò)軟件濾波,將結(jié)果存放到緩沖區(qū)中,如圖1所示。上位機(jī)每80 ms通過(guò)DTB總線(xiàn)發(fā)送一個(gè)讀取數(shù)據(jù)的信號(hào)(GO信號(hào)),經(jīng)過(guò)電路轉(zhuǎn)換為單片機(jī)中斷信號(hào),單片機(jī)調(diào)用中斷子程序?qū)?shù)據(jù)通過(guò)DTB總線(xiàn)發(fā)送至遙傳短節(jié)。

圖1 總體原理

DTB是同軸電纜,它的作用是在遙傳短節(jié)與總線(xiàn)相連的儀器之間傳送數(shù)據(jù)。這3根線(xiàn)是DSIGNAL線(xiàn)、UCLK線(xiàn)和UDATA/GO線(xiàn)。其中DSIGNAL線(xiàn)用來(lái)向井下發(fā)送命令,UDATA/GO為雙向信號(hào),井下儀器通過(guò)此線(xiàn)將向上數(shù)據(jù)送往遙傳短節(jié),而遙傳短節(jié)向下送GO脈沖(或稱(chēng)準(zhǔn)備脈沖)到井下儀器。GO脈沖使井下所有的儀器復(fù)位并通知井下儀為傳送新的數(shù)據(jù)做好準(zhǔn)備。每組UDATA/GO信號(hào)包括一個(gè)向下寬度20 μs、幅度+3.6 V的GO信號(hào)和一串向上的UDATA信號(hào),UDATA信號(hào)由+1.2 V代表邏輯1,0 V代表邏輯0,并與100 kbit/s的UCLK時(shí)鐘信號(hào)同步,UDATA信號(hào)在GO脈沖后至少320μs;UDATA信號(hào)包含了該儀器所有的上傳信息。UCLK時(shí)鐘為遙傳短節(jié)發(fā)出的向下的同步時(shí)鐘[1]。

DTB總線(xiàn)與單片機(jī)W77IE58通訊需要有專(zhuān)門(mén)的接口電路如圖2所示。DTB控制電路主要功能是地址識(shí)別、上位機(jī)控制命令解析(產(chǎn)生控制信號(hào))、接受數(shù)據(jù)讀取信號(hào)和上傳數(shù)據(jù)處理邏輯電路主要實(shí)現(xiàn)串行(UDATA)與并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、單片機(jī)信號(hào)/地址處理、同步時(shí)鐘產(chǎn)生等功能。

圖2 DTB接口電路

2 數(shù)據(jù)采集與處理

模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片MAX197的12位數(shù)據(jù)采集僅要求單一+5 V電源工作,但在其模擬輸入端可以接受幅度高于電源電壓和低于地的信號(hào)。一片可提供8個(gè)模擬量輸入通道,可以獨(dú)立由軟件編程得到多種輸入范圍:±5 V,±10 V,0～+10 V,0～+5 V。此器件的過(guò)壓容限是±16.5 V,任何通道故障將不影響選定通道的變化結(jié)果。此外,器件具有100 k的采樣速率,軟件可選定內(nèi)部或者外部時(shí)鐘與采集控制,有8+4并行接口,以及內(nèi)置4.096 V或者外部基準(zhǔn)電壓等特點(diǎn)。

MAX197使用標(biāo)準(zhǔn)的微處理器接口,如圖3所示,3數(shù)據(jù)I/O口配置與8位數(shù)據(jù)縱向一起工作,數(shù)據(jù)存取和總線(xiàn)釋放的定時(shí)性能指標(biāo)與大多數(shù)通信微處理器兼容[2]。

圖3 接口工作流程圖

2.1 接口電路設(shè)計(jì)

圖4 接口電路圖

接口電路如圖4所示,由U1(W77IE58)、U2、U3(2個(gè)MAX197)以及電阻電容,R2、R5為100 K可調(diào)電阻,功能是調(diào)整MAX197的參考電壓。MAX197所有的輸入輸出邏輯均與TTL/CMOS電平兼容,所以與微處理器之間的電路連接比較簡(jiǎn)單。,數(shù)據(jù)接口(D0-D7)直接連接到W77IE58的P0口,為提高可靠性,可在P0口上加47 k上拉電阻。讀寫(xiě)控制口WR及RD直接接在單片機(jī)W77IE58的讀寫(xiě)控制引腳。片選控制接口(CS)、數(shù)據(jù)總線(xiàn)控制口(HBEN)以及轉(zhuǎn)換狀態(tài)數(shù)據(jù)接口(INT)分別接入U(xiǎn)1-28、U2-5、U2-24口。為提高變換精度和溫度性能,本設(shè)計(jì)采用外部電壓基準(zhǔn)。模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)低通濾波電路后,輸入到轉(zhuǎn)換通道。

2.2 控制軟件設(shè)計(jì)

MAX197的通道選擇、時(shí)鐘/掉電方式選擇、采集控制、以及電壓基準(zhǔn)的選擇都是由軟件編程控制,程序的錯(cuò)誤會(huì)直接導(dǎo)致系統(tǒng)不能工作。

2.2.1 MAX197的地址

CS腳是標(biāo)準(zhǔn)的片選信號(hào),它使得微處理器能夠把MAX197作為一個(gè)I/O口來(lái)尋址。在本設(shè)計(jì)中用P2.7口來(lái)控制。

ADRR=0X7FFF;

XBYTE[ADRR]=0x48+i;

其中ADRR為MAX197的地址,本設(shè)計(jì)中只要最高位為0即可,其他根據(jù)系統(tǒng)中I/O地址的使用情況具體設(shè)置。

sbit P27=P2.7;

P27=0;

上面兩種方式都可以選擇MAX197。不同的是第一種方法會(huì)產(chǎn)生一個(gè)信號(hào),從而啟動(dòng)AD轉(zhuǎn)換。

2.2.2 MAX197的控制字以及輸出數(shù)據(jù)格式

在寫(xiě)周期中,引腳D7-D0上的控制字會(huì)鎖存入器件中。上面提到的第一種選通MAX197的方法中就是向MAX197中寫(xiě)入一個(gè)控制字(其值為0x48+i)。控制字具體功能如表1所示。

表1 控制字功能表

本設(shè)計(jì)中,采用內(nèi)部時(shí)鐘,并且讓系統(tǒng)處于循環(huán)采集狀態(tài),故不需要用掉電的方式節(jié)能。因此D7D6設(shè)置為01。選擇內(nèi)部控制采集,滿(mǎn)度為10 V雙極性(即±5 V)。故控制字為0x48+i,其中i為通道選擇。

在單極性方式下,輸出數(shù)據(jù)為二進(jìn)制數(shù)。在雙極性方式下其格式為補(bǔ)碼形式的二進(jìn)制數(shù)。讀數(shù)據(jù)時(shí)CS和RD必須同時(shí)為低電平。當(dāng)HBEN=0時(shí),數(shù)據(jù)總線(xiàn)上輸出為低8位數(shù)據(jù);當(dāng)HBEN=1時(shí),數(shù)據(jù)總線(xiàn)上的低4位輸出轉(zhuǎn)換結(jié)果的高4位數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)總線(xiàn)的高4位輸出轉(zhuǎn)換結(jié)果的符號(hào)(當(dāng)為單極性方式時(shí)總線(xiàn)數(shù)據(jù)為0)。

2.2.3 MAX197采集過(guò)程的編程

配置好控制字后,就可以開(kāi)始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。其流程如圖5。

根據(jù)需要,控制字設(shè)置為0x48。因?yàn)槭莾?nèi)部控制采集,所以只要一個(gè)寫(xiě)信號(hào)即可以開(kāi)始一個(gè)轉(zhuǎn)換過(guò)程[3]。在程序的開(kāi)始作如下配置(初始化):

sbit STA=P1.5;//狀態(tài)指示位

sbit CS=P2.7;//片選

圖5 MAX197采集流程圖

sbit DS=P1.6;//數(shù)據(jù)總線(xiàn)控制位

AD采集過(guò)程如下:

unsigned char i;//

union{int a;uchar b[2];}indata;//聯(lián)合,把兩個(gè)單字節(jié)數(shù)合成一個(gè)整形

int res[8];//存放采集結(jié)果

for(i=0;i＜7;i++)

{

STA=1;//先清一下標(biāo)志位

CS=0;//可以不要,下面的語(yǔ)句也可以選通MAX197

XBYTE[0x7ff]=0x48+i;//選擇通道i,寫(xiě)入控制字,啟動(dòng)轉(zhuǎn)換

while(STA);//等待轉(zhuǎn)換結(jié)束,STA=0則跳出

DS=0;

indata.b[1]=XBYTE[0x7ff];//讀取低8位數(shù)據(jù)

DS=1;

indata.b[1]=XBYTE[0x7ff];//讀取高4位數(shù)據(jù)

res[i]=indata.a;

}

3 結(jié)束語(yǔ)

該設(shè)計(jì)已應(yīng)用于儀器中,并已經(jīng)生產(chǎn)制造儀器236支,不僅在中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司大規(guī)模推廣,而且開(kāi)始向大慶、遼河、吉林油田和中海油等市場(chǎng)推廣,已測(cè)井1.2萬(wàn)多口,時(shí)效提高30%。采用單片機(jī)W77IE58和MAX197搭建數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng),數(shù)據(jù)采集精度高,電路簡(jiǎn)單可靠,穩(wěn)定性高,可在井下連續(xù)長(zhǎng)時(shí)間工作。該儀器設(shè)計(jì)講究功能組合化、線(xiàn)路集成化、結(jié)構(gòu)模塊化,增加了井下儀器組合功能,提高了儀器可靠性,提高了測(cè)井時(shí)效和測(cè)量精度,技術(shù)水平處于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先地位,提升了中國(guó)石油測(cè)井服務(wù)的水平和競(jìng)爭(zhēng)力。

[1] EILog TM成套測(cè)井裝備培訓(xùn)手冊(cè).中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司.2006(資料)

[2] 石東海.單片機(jī)數(shù)據(jù)通信技術(shù)[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2003(資料)

[3] 王幸之.AT89系列單片機(jī)原理與接口技術(shù)[M].北京:航空航天大學(xué)出版社,2005(資料)

TP368.1

B

1004-9134(2010)06-0066-03

陳光建,男,1977年生,工程師,2001年畢業(yè)于西南石油學(xué)院,現(xiàn)在中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司從事測(cè)井儀器研發(fā)工作。郵編:710077

2010-07-22編輯:劉雅銘)