一種高分辨率數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

張家田，呂 軍，吳銀川

(西安石油大學(xué)光電油氣測(cè)井與檢測(cè)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安710065)

0 引言

在石油電法測(cè)井系統(tǒng)中，需要對(duì)響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)采集技術(shù)主要研究信息數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、處理以及控制問題［1］，從而獲得對(duì)應(yīng)的地層電阻率信息，確定目標(biāo)地層的含油情況［2］。本文以C8051F020單片機(jī)和ADS1271模數(shù)轉(zhuǎn)換器為核心，設(shè)計(jì)了一種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該采集系統(tǒng)具有24位高分辨率，可以方便的通過計(jì)算機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集控制、數(shù)據(jù)處理以及數(shù)據(jù)文件存儲(chǔ)等功能，滿足實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下常見測(cè)井信號(hào)的采集要求。

1 采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

采集系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示，單端信號(hào)從輸入端子輸入，信號(hào)調(diào)理電路對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行放大、濾波以及單端轉(zhuǎn)差分轉(zhuǎn)換，滿足ADS1271對(duì)信號(hào)幅度、頻率以及輸入方式的要求;ADS1271完成24位高分辨率數(shù)據(jù)采集［3］;C8051F020實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的控制、數(shù)據(jù)暫存以及上位機(jī)的通信;計(jì)算機(jī)通過USB接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收、處理以及保存二進(jìn)制數(shù)據(jù)文件，整個(gè)采集系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)的控制下工作。當(dāng)C8051F020接收到計(jì)算機(jī)發(fā)出的采集命令時(shí)，ADS1271在C8051F020控制下，不斷將采集的數(shù)據(jù)按一定的格式暫存單片機(jī)中。單片機(jī)接收到上位機(jī)發(fā)出采集命令后，將一定量的數(shù)據(jù)發(fā)送給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)將數(shù)據(jù)處理后存儲(chǔ)成二進(jìn)制文件。

2 接口設(shè)計(jì)

2.1 接口電路設(shè)計(jì)

ADS1271數(shù)據(jù)輸出采用串行接口方式［4］，通過管腳FORMAT配置，當(dāng)FORMAT為0時(shí)，可將芯片配置為SPI串行接口方式，F(xiàn)ORMAT為1時(shí)，可將芯片配置為幀同步串行接口模式。ADS1271工作模式通過管腳MODE進(jìn)行配置，當(dāng)MODE為0時(shí)，工作為高速模式，轉(zhuǎn)換速率可達(dá)105kS/s;MODE為1時(shí)，工作為低功耗模式，芯片耗散功率僅為35mW;MODE為懸空時(shí)，工作為高分辨率模式，轉(zhuǎn)換速率為52kS/s，輸出信噪比可達(dá)109dB。ADS1271和單片機(jī)的接口電路如圖2所示，ADS1271設(shè)置成高分辨率模式，采用SPI串口方式與單片機(jī)連接。單片機(jī)SPI口設(shè)置成主模式，MISO為采集數(shù)據(jù)的輸入，SCK為串行時(shí)鐘輸出端。

圖1 采集系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

圖2 ADS1271和單片機(jī)的接口電路

2.2 SPI接口時(shí)序

SPI接口時(shí)序［2］如圖3所示，ADS1271每次轉(zhuǎn)換結(jié)束，/DRDY由高電平變?yōu)榈碗娖剑瑔纹瑱C(jī)通過程序不斷掃描P2.0的電平變化，從而確定轉(zhuǎn)換是否結(jié)束。如果結(jié)束，單片機(jī)自動(dòng)接收24位數(shù)據(jù)，接收結(jié)束后單片機(jī)處于等待狀態(tài)。該系統(tǒng)中ADS1271和C8051F020晶振均采用16.384MHz。在AD高分辨率模式下，采樣速率為32ksps，SPI接口最小數(shù)據(jù)傳輸速率為768kbps。單片機(jī)SPI口主模式下最高通信速率為晶振的一半［5］即為8192kbps，完全可以滿足通信的要求。

圖3 SPI接口時(shí)序

2.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)計(jì)

硬件上通過給單片機(jī)外擴(kuò)128K×8bit的SRAM，提高單片機(jī)的數(shù)據(jù)暫存能力。數(shù)據(jù)采用循環(huán)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)［6］設(shè)計(jì)，每三個(gè)存儲(chǔ)單元(8bit×3=24bit)存儲(chǔ)一個(gè)采樣數(shù)據(jù)，存放最新的1s中的數(shù)據(jù)(32k×24bit)。當(dāng)采集系統(tǒng)上電后，不斷順序采集數(shù)據(jù)，暫存到SRAM，當(dāng)采集系統(tǒng)接收到上位機(jī)取數(shù)命令后，依次將數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)，上位機(jī)利用VB軟件的文件操作［7］將數(shù)據(jù)寫入二進(jìn)制文件，以便后續(xù)相關(guān)軟件對(duì)信號(hào)的方便處理。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 控制界面設(shè)計(jì)

上位機(jī)控制軟件采用VB6.0設(shè)計(jì)，其界面如圖4所示。其中工程名即為二進(jìn)制數(shù)據(jù)文件名的一部分;通信控制設(shè)置通信接口以及通信速率;參數(shù)設(shè)置部分設(shè)置采集時(shí)間以及超前時(shí)間，超前時(shí)間最大為1s;當(dāng)參數(shù)設(shè)置完成后，點(diǎn)擊應(yīng)用控件，上位機(jī)將采集相關(guān)命令發(fā)送到單片機(jī)，單片機(jī)將接收到的命令解析后，執(zhí)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)。為便于后續(xù)信號(hào)處理，二進(jìn)制數(shù)據(jù)文件名的命名規(guī)則為：工程名+年月日+當(dāng)前時(shí)間 +采集時(shí)間 +超前時(shí)間。文件名為“ceshi 20110603 204106 10 1”，可理解為數(shù)據(jù)采集在2011年6月3日20點(diǎn)41分6秒時(shí)采集10秒的信號(hào)，其中超前時(shí)間1秒。

3.2 控制指令設(shè)計(jì)

上位機(jī)控制指令如表1所示。指令有16位(2個(gè)字節(jié))構(gòu)成。其中FLAG為命令標(biāo)志，F(xiàn)LAG=1時(shí)，表示采集命令，F(xiàn)LAG=0時(shí)，指令忽略;POSTTIME(由 PT0～PT2共3位構(gòu)成)為超前控制，POSTTIME對(duì)應(yīng)值為超前時(shí)間，具體解析如表2所示。SAMPLETIME(由SAMT0～SAMT11共12位構(gòu)成)為采樣時(shí)間控制，SAMPLETIME對(duì)應(yīng)值為共采集數(shù)據(jù)的時(shí)間，SAMPLETIME的范圍為0～600(對(duì)應(yīng)12位二進(jìn)制數(shù))，對(duì)應(yīng)時(shí)間為0～600s。整個(gè)指令由單片機(jī)負(fù)責(zé)解釋，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的精確采集。例如當(dāng)采集指令要求超前1s，采樣時(shí)間20s，采集指令為 0xC0，0x14。

圖4 上位機(jī)控制界面

表1 上位機(jī)控制指令

表2 超前控制指令POSTTIME

4 結(jié)論

本文以C8051F020和ADS1271為核心，設(shè)計(jì)了24位高分辨率數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，給出了單片機(jī)與ADS1271的接口設(shè)計(jì)和上位機(jī)控制軟件設(shè)計(jì)。結(jié)果表明：該采集系統(tǒng)采樣最大頻率為32Ksps，可超前采集1s。采集命令可由上位機(jī)控制，最終采集數(shù)據(jù)以二進(jìn)制文件形式保存。該系統(tǒng)采樣頻率的改變可以通過更換AD1271的晶振頻率，超前采集時(shí)間的延長(zhǎng)，可以通過容量更大的存儲(chǔ)芯片實(shí)現(xiàn)。該采集系統(tǒng)已成功用于過套管電阻率測(cè)井室內(nèi)試驗(yàn)研究項(xiàng)目中，獲得滿意的實(shí)驗(yàn)效果。

［1］吳銀川，嚴(yán)正國(guó)，蘇娟.基于DAQBench的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.儀器儀表用戶，2008，15(3)：32-33.

［2］張建華，劉振華，仵杰.電法測(cè)井原理與應(yīng)用［M］.西安：西北工業(yè)大學(xué)，2002：1-11.

［3］嚴(yán)正國(guó)，張家田.高分辨同步數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.中國(guó)計(jì)量學(xué)院學(xué)報(bào)，2006，17(3)：192-195.

［4］TEXAS INSTRUMENTS INCORPORATED.24Bit，Wide Bandwidth Analog-to-Digital converter，ADS1271［EB/OL］.http：//www.ti.com，2007：2-6.

［5］潘琢金，施國(guó)君.C8051Fxxx高速 SOC單片機(jī)原理及應(yīng)用［M］.北京：航空航天大學(xué)出版社，2002：169-171.

［6］林占江.電子測(cè)量技術(shù)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2009：190-194.

［7］劉新民，蔡瓊，白康生.Visual Basic6.0程序設(shè)計(jì)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2004：168-183.