成像測井中基于ARM LPC1788顯示系統(tǒng)的設(shè)計

李方明

（中國電波傳播研究所 河南 新鄉(xiāng) 453003）

石油行業(yè)中的測井技術(shù)是一種井下油氣勘探方法，用于發(fā)現(xiàn)油氣藏，評估油氣儲量及其產(chǎn)量[1]。從1927年發(fā)展至今已經(jīng)出現(xiàn)第五代測井系統(tǒng)，即成像測井系統(tǒng)。成像測井系統(tǒng)通過成像井下儀傳感器陣列掃描或旋轉(zhuǎn)掃描測量，沿井眼縱向、周向或徑向采集地層信息，經(jīng)測井電纜傳輸?shù)骄铣上駵y井地面系統(tǒng)，使用圖象處理技術(shù)得到井壁的二維圖象或井眼周圍某一探測深度以內(nèi)的三維圖象。這比以往測井系統(tǒng)的曲線表示方法更精確、更直觀、更方便。

第四代數(shù)控測井地面系統(tǒng)以LED指示燈、數(shù)碼管等作為顯示器件，存在顯示信息量小，擴(kuò)展不靈活，電路復(fù)雜等諸多缺點(diǎn)。本設(shè)計以控制能力突出，外設(shè)接口豐富，運(yùn)算速度快的ARM芯片LPC1788作為控制、數(shù)據(jù)處理核心，使用了位于AHB總線上能進(jìn)行快速訪問的多個GPIO口以擴(kuò)展定制的寬溫液晶屏，對各種信息的顯示明確、清晰、實(shí)時、穩(wěn)定可靠，并能在惡劣的環(huán)境中正常工作。

1 NXP LPC1788 ARM處理器簡介

LPC1788是恩智浦公司新推出的一款基于ARMCortex-M3的微控制器，用于處理要求高集成度和低功耗的嵌入式應(yīng)用。本系統(tǒng)選用此芯片作為主控芯片是由于它具備以下突出特點(diǎn)[2]：

1）LPC1788是下一代內(nèi)核Cortex-M3架構(gòu)，在相同的時鐘速率下能提供比ARM7更高的性能，頻率可以高達(dá)120 MHz。

2）多達(dá)165個可配置上拉/下拉電阻、開漏模式的通用I/O管腳，控制能力強(qiáng)大。

3）一個以太網(wǎng)MAC帶MII/RMII，便于數(shù)據(jù)的傳輸。5個UART，帶小數(shù)波特率發(fā)生功能，支持RS-485/EIA-485。

4）12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），可在8只管腳之間實(shí)現(xiàn)多路輸入，轉(zhuǎn)換速率高達(dá)400 kHz，并具有多個結(jié)果寄存器。12位ADC可以與GPDMA控制器一起使用。

5）LPC1788的管腳引出線可與LPC24xx和LPC23xx保持管腳功能兼容，方便系統(tǒng)的升級。

2 ARM顯示系統(tǒng)組成

圖1是ARM顯示系統(tǒng)工作原理示意圖。ARM LPC1788是整個系統(tǒng)的核心，它主要有以下幾個方面的功能：一方面負(fù)責(zé)收發(fā)網(wǎng)絡(luò)和串口上的數(shù)據(jù)，另一方面用內(nèi)置AD采集直流交流供電回路上的電壓電流信號，并控制液晶屏顯示相關(guān)信息。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of system

圖2 是實(shí)際電路圖截選。ARM LPC1788、晶振電路、供電電源、復(fù)位電路、驅(qū)動電路和其他外圍電路封裝成一個小模塊LPC1788 MODULE，通用化，以方便系統(tǒng)共用。程序調(diào)試和下載使用JTAG口。D2為MC1413，負(fù)責(zé)控制繼電器的通斷。XS10：RJ45接網(wǎng)線，和上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。XS8為液晶屏接口，分別把數(shù)據(jù)線D0-D7，地址線A0-A1，控制線CS0、WR、RD接到液晶屏相應(yīng)端口上去。ARM模塊管腳70-73是LPC1788內(nèi)部AD收入，采集模擬信號。串口為49、50兩管腳，與單片機(jī)C8051F040轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。

圖2 ARM控制電路圖截選Fig.2 Circuit diagram of ARM control

2.1 顯示部分電路

成像測井地面系統(tǒng)在野外環(huán)境工作，條件比較惡劣，要求高溫和低溫情況下都能正常地使用。為了達(dá)到這點(diǎn)，本系統(tǒng)選用了寬溫型芯片（達(dá)到-40~85℃的指標(biāo)）及寬溫型液晶顯示屏?；驹砣鐖D3所示。

圖3 顯示部分電路原理圖Fig.3 Circuit diagram of display part

LPC1788 P3口、P4口出來的地址信號、片選信號、讀寫信號和數(shù)據(jù)信號，經(jīng)三態(tài)輸出到16位總線收發(fā)器SN74LVC16245并經(jīng)驅(qū)動連接到液晶屏控制電路上的CPLD進(jìn)行邏輯控制，并和其相應(yīng)的存儲器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。同時，DC/DC電壓變化器供給液晶屏所需各種電壓，背光供電電路給液晶屏背光燈供電。邏輯控制部分加入緩沖技術(shù)，可以讓寫入與顯示同時進(jìn)行，避免雪花現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)高速刷新。

此液晶屏為點(diǎn)陣型液晶屏，由480×272個顯示單元組成，顯示字符相對復(fù)雜。每一個漢字都可以認(rèn)為是由許多個點(diǎn)組成點(diǎn)陣所構(gòu)成的。此屏每8列對應(yīng)一個字節(jié)的8位，即每行由60字節(jié)共60×8=480個點(diǎn)組成，屏上272×60個顯示單元與顯示存儲器區(qū)16 320字節(jié)對應(yīng)，每一字節(jié)的內(nèi)容和顯示屏上相應(yīng)位置的亮暗對應(yīng)。當(dāng)一行的字節(jié)寫滿刷新屏幕后，自動跳轉(zhuǎn)到下一行寫新的字節(jié)，如此，寫滿整屏。本設(shè)計每一個字符由20×16點(diǎn)陣組成，共需要40字節(jié)才能寫完一個字。

控制液晶屏方式為并行總線控制（片選信號/CS、讀信號/RD、寫信號/WR、數(shù)據(jù)總線D[7：0]、地址總線A[1：0]）。既可以像普通存儲器一樣使用EMC方式控制，所有操作均對寄存器進(jìn)行讀寫；也可以用GPIO方式控制，嚴(yán)格按照時序控制相應(yīng)端口置高低電平。液晶屏需要四個寄存器，列地址寄存器（X）、行地址寄存器（Y）、狀態(tài)寄存器（CMD）和數(shù)據(jù)寄存器（DAT）。每個寄存器的位寬是8bit，而行（列）寄存器地址取值范圍均超過255，需占9bit，所以行（列）地址寄存器必須連續(xù)寫兩次，第一次寫低8位，第二次寫高位地址。在此期間，不可以對其他三個寄存器做任何操作。在單點(diǎn)寫時，控制寄存器寫0就可以。顯示數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)寄存器寫入和讀出，每次讀寫操作后地址自動沿X方向加一。

讀寫時，先指定行列地址。然后從此點(diǎn)開始進(jìn)行連續(xù)讀寫，無須重新設(shè)置行列地址。在顯示數(shù)據(jù)每次寫操作后，列地址自動加1。當(dāng)?shù)刂芳拥叫形矔r，地址將跳到下一行的行首。當(dāng)寫一個新行時，需重新設(shè)置行列地址[3]。

2.2 數(shù)據(jù)收發(fā)電路

本設(shè)計共有兩種數(shù)據(jù)收發(fā)總線：

1）以太網(wǎng)。以太網(wǎng)因應(yīng)用廣泛，技術(shù)成熟，具有獨(dú)立性和靈活性的優(yōu)點(diǎn)，適用于本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)化綜合布線格局，且便于和計算機(jī)交換數(shù)據(jù)。故成像測井地面系統(tǒng)各分系統(tǒng)之間連接使用以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)總線。ARM LPC1788 MAC通過RMII接口與PHY芯片LAN8720連接[4]，主要負(fù)責(zé)接收當(dāng)前系統(tǒng)的控制令、上傳采集到的數(shù)據(jù)和系統(tǒng)工作狀態(tài)。

2）串口。串口通信原理簡單，穩(wěn)定可靠，主要作為數(shù)據(jù)通路的轉(zhuǎn)發(fā)器，轉(zhuǎn)發(fā)控制命令。其主要控制兩路DAC提供基準(zhǔn)電壓，調(diào)節(jié)整個電路狀態(tài)以便于AD采集。

2.3 AD采樣電路

LPC 1788內(nèi)含8通道12位逐次逼近式模數(shù)轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)化速度高達(dá)400 kHz，并可高速采集多路模擬信號。逐次逼近式模數(shù)轉(zhuǎn)換器由一個比較器和D/A轉(zhuǎn)換器通過逐次比較邏輯構(gòu)成，從MSB開始，順序地對每一位將輸入電壓與內(nèi)置D/A轉(zhuǎn)換器輸出進(jìn)行比較，經(jīng)n次比較而輸出數(shù)字值[4]。前級電路對原始信號進(jìn)行檢波、放大、電流電壓轉(zhuǎn)換、濾波等預(yù)處理以滿足AD的測量要求。

3 軟件設(shè)計

ARM LPC1788上電后自動進(jìn)行初始化操作。首先，程序初始化設(shè)置系統(tǒng)時鐘，分頻晶振頻率；設(shè)置外設(shè)功率寄存器PCONP，使能以太網(wǎng)、串口及GPIO自身和IOCON等外設(shè)寄存器，禁止其他外設(shè)功能以節(jié)省功耗[5]；設(shè)置I/O配置寄存器IOCON，控制器件需要使用管腳的功能；設(shè)置GPIO端口方向寄存器FIOxDIR、端口屏蔽寄存器FIOxMASK、端口輸出設(shè)置寄存器FIOxSET、端口輸出清零寄存器FIOxCLR、端口管腳值寄存器FIOxPIN等[6]。其次，對液晶屏清屏，配置液晶屏底色及字體顏色；設(shè)置8點(diǎn)寫模式，提高顯示速度，并顯示恒定不變的信息。然后，控制輸出基準(zhǔn)電平以調(diào)整電路狀態(tài)以便能采集到穩(wěn)定正確的模擬信號。當(dāng)接收命令和初始化完成后，LPC1788網(wǎng)絡(luò)口等待接收上位機(jī)命令，判斷刷新標(biāo)志是否有效：有效則清除刷新標(biāo)志，并依次進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、顯示數(shù)據(jù)、給上位機(jī)上傳采集到的數(shù)據(jù)等操作；無效則接收并處理新命令。程序流程圖如圖4所示。

圖4 程序流程圖Fig.4 Process of software design

4 結(jié)束語

該系統(tǒng)以ARM LPC1788為核心，外擴(kuò)寬溫總線型液晶顯示屏輸出顯示。以10/100M以太網(wǎng)絡(luò)作為數(shù)據(jù)傳輸總線，達(dá)到數(shù)據(jù)快速傳輸?shù)囊蟆Ｏ到y(tǒng)硬件設(shè)計簡單，顯示信息豐富，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，擴(kuò)展靈活，效果美觀，電路穩(wěn)定可靠。

[1]《測井學(xué)》編寫組.測井學(xué)[M].石油工業(yè)出版社，2004.

[2]NXP.LPC178x/7x DATASHEET[EB/OL].荷 蘭：NXP，2011.7.http：//www.nxp.com/documents/data_sheet/LPC178X-7X.pdf.

[3]湖北彩銳科技發(fā)展有限公司.YC-LCD-0198總線型液晶顯示器說明書[EB/OL].湖北：湖北彩銳科技發(fā)展有限公司，2011.7.http：//www.docin.com/p－622299577.html.

[4]李巖，韓勁松，孟曉英，等.基于ARM嵌入式系統(tǒng)接口技術(shù)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2009.

[5]周立功.深入淺出Cortex－M3——LPC178x（上冊）[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008.

[6]周立功.ARM嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)教程[M].2版.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008.