基于PIC16F688的隨鉆儀器鋰電池監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

石倩，潘興明，孫成芹

（北京石油機(jī)械廠 北京 100083）

隨著隨鉆測(cè)井、導(dǎo)向技術(shù)的發(fā)展，石油鉆井隨鉆測(cè)井方法不斷豐富，如聲波測(cè)井，方位密度中子測(cè)井、實(shí)時(shí)電阻率圖像，多探測(cè)深度的定量成像測(cè)井，近鉆頭地質(zhì)導(dǎo)向測(cè)井，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向測(cè)井等測(cè)井方法也逐漸應(yīng)用到石油鉆井領(lǐng)域中。研發(fā)出多樣化的隨鉆測(cè)井、導(dǎo)向技術(shù)的儀器為鉆井工作人員進(jìn)行實(shí)時(shí)決策提供了豐富的井下信息，為更全面地分析、判斷正在鉆遇地層的地質(zhì)、工程情況，適時(shí)地調(diào)整鉆進(jìn)方向，控制最有利的井眼軌跡，實(shí)現(xiàn)預(yù)期鉆井目的，節(jié)約鉆井工作時(shí)間，降低噸油成本起到了越來(lái)越重要的作用，應(yīng)用前景十分廣闊[1]。

測(cè)井儀器種類(lèi)越來(lái)越多，其使用的井下電子電路復(fù)雜性越來(lái)越大，所需要解決的供電、節(jié)能問(wèn)題日益突出。目前，井下隨鉆測(cè)量系統(tǒng)的供電電源主要分為井下渦輪發(fā)電機(jī)與電池兩種方式，渦輪發(fā)電機(jī)雖然能夠提供長(zhǎng)時(shí)間供電，但其在泥漿泵停泵時(shí)不能發(fā)電，導(dǎo)致儀器工作中斷，信息丟失，因此，電池供電是必不可少的供電方式。隨鉆儀器長(zhǎng)期工作在井下高溫環(huán)境中，必須使用耐高溫的鋰電池來(lái)供電，而目前高溫鋰電池還不能實(shí)現(xiàn)充電循環(huán)使用。鉆井工程中，一次起下鉆的成本很高，通常不會(huì)使用電量不足的舊電池入井，以避免因?yàn)殡姵仉娏坎蛔阋鹌鹣裸@次數(shù)的增加，這會(huì)導(dǎo)致大量鋰電池在電量剩余較多的情況下便報(bào)廢處理，造成浪費(fèi)（高溫鋰電池價(jià)格昂貴，報(bào)廢處理費(fèi)用也頗高）。

鋰電池是指以鋰為負(fù)極材料的化學(xué)電池的總稱(chēng)，通常鋰電池在放電過(guò)程中，電池電壓與剩余電量、工作時(shí)間之間不是線性關(guān)系，一旦電池剩余電量低于臨界值，電池輸出電壓會(huì)快速下降，所以不能簡(jiǎn)單地采用電壓采樣，通過(guò)函數(shù)計(jì)算剩余電量[2-3]。電池的電量一般用安時(shí)（Ah）來(lái)計(jì)算，它表示電池工作在額定電壓下，以某個(gè)固定的電流放電能夠持續(xù)的時(shí)間。

為了盡可能充分地使用鋰電池的有限電量，發(fā)揮舊鋰電池剩余電量的作用，在深入學(xué)習(xí)鋰電池工作特性的基礎(chǔ)上，本文設(shè)計(jì)了一種主、從鋰電池監(jiān)控系統(tǒng)作為井下儀器的供電系統(tǒng)。其主要特點(diǎn)是兩組鋰電池共同供電，采用PIC16F688單片機(jī)作為主控芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)。硬件體積小，功耗低，系統(tǒng)具有電池電量統(tǒng)計(jì)精確，穩(wěn)定可靠等優(yōu)勢(shì)。現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用驗(yàn)證，此系統(tǒng)適用于石油鉆采井下工況，有效地提高了隨鉆儀器鋰電池使用效率，減少了鋰電池報(bào)廢數(shù)量。

1 井下隨鉆儀器主、從鋰電池監(jiān)控系統(tǒng)工作原理

本系統(tǒng)采用兩組電池構(gòu)成主、從電池系統(tǒng)作為井下儀器的電源，主、從電池并聯(lián)為后續(xù)電路供電，但從電池在并聯(lián)之前由單片機(jī)控制的電子開(kāi)關(guān)控制其是否向后供電。首先由主電池對(duì)井下儀器進(jìn)行供電，同時(shí)對(duì)主電池進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)主電池的電壓降低到某個(gè)設(shè)定值，或者主電池的耗電量超過(guò)其本身額定電量的90%后，切換到主、從電池共同為負(fù)載供電。這樣做的好處是：可以將剩余電量不多的舊電池用作主電池，將新電池用作從電池，從而保證實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，舊電池的電量幾乎耗盡新電池才開(kāi)始供電，達(dá)到減少電池電量浪費(fèi)的目的。同時(shí)系統(tǒng)對(duì)電池的放電電流按某一固定頻率進(jìn)行采樣，將所有采樣值累加，對(duì)累加值進(jìn)行計(jì)算可以得到電池已經(jīng)消耗的電量。將電池電壓與電流累加值保存到EEPROM中可以防止任意時(shí)刻系統(tǒng)掉電后電池電壓、電量等數(shù)據(jù)的丟失。還可以通過(guò)總線將電池的各種數(shù)據(jù)上傳給總線上的主機(jī)或是上位機(jī)。系統(tǒng)的邏輯關(guān)系如圖1所示。

圖1 主、從電池監(jiān)控系統(tǒng)邏輯關(guān)系圖Fig.1 Logical structure diagram of the master slave battery monitor system

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 電池電流采樣模塊

電池放電電流采樣模塊是以LTC6101[4]為核心的電路。LTC6101是LINEAR公司生產(chǎn)的高壓側(cè)電流采樣放大器，它具有輸入范圍廣，5～100 V；低偏移電壓，最大 300 μV；響應(yīng)速度快等特點(diǎn)。以LTC6101為核心的電流采樣電路原理圖如圖2所示。

圖2 電流采樣電路原理圖Fig.2 Current sampling circuit

根據(jù)運(yùn)算放大器的虛短、虛斷特性，LTC6101的+IN腳與-IN腳的電位相等，流過(guò)電阻Rin的電流IRin與流過(guò)電阻Rout的電流IRout相等，假設(shè)流過(guò)電阻Rsense的電流為I，得到公式如下：

最后得到：

雖然LTC6101的外圍電路會(huì)使電池放電電流有一部分分流，但通常采樣電阻Rsense阻值很小，所以I近似等于電池的放電電流。這樣，通過(guò)對(duì)Vout進(jìn)行AD采樣，得到Vout的電壓，就可以計(jì)算出電池的放電電流I。

實(shí)際應(yīng)用中，系統(tǒng)額定工作電流500 mA，Rsense選用0.5 Ω，Rin選用 6.04 kΩ，Rout選用 42.2 kΩ。 可以得到 I≈0.286×Vout。

2.2 電壓采樣模塊

本系統(tǒng)選用的電池是ELECTROCHEM公司的150 MR系列雙D電池，單節(jié)電壓3.6 V，7節(jié)串聯(lián)作為一組電池，電壓為25.2 V。電池電壓采樣電路主要利用運(yùn)算放大器完成電池電壓Vbat1的縮小與低通濾波，然后將變換后的電壓VO1送至單片機(jī)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。

電壓采樣電路如圖3所示，由圖可知，VO1≈0.125×Vbat1。

圖3 電壓采樣電路圖Fig.3 Voltage sampling circuit

2.3 總線接口模塊

系統(tǒng)通過(guò)RS-485總線將數(shù)據(jù)上傳至主機(jī)或上位機(jī)，總線電路以AD公司的ADM3072EY為核心搭建，為了抑制干擾并減小功耗，采用二極管代替終端電阻，如圖4所示。

圖4 RS-485總線電路圖Fig.4 RS-485 bus circuit

2.4 單片機(jī)與EEPROM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊

系統(tǒng)選用MICROCHIP公司的PIC16F688單片機(jī)[5]，該款單片機(jī)是采用納瓦技術(shù)的14引腳8位CMOS閃存單片機(jī)，它具有低功耗，引腳少的特性，本系統(tǒng)用到了該款單片機(jī)的若干特性，例如：精確的內(nèi)部振蕩器，8路10位A/D轉(zhuǎn)換器，12個(gè)I/O引腳，2個(gè)可預(yù)分頻的定時(shí)器，增強(qiáng)型USART，在線串行編程。

系統(tǒng)選用MICROCHIP公司的24LC256作為外擴(kuò)的EEPROM，該芯片可擦除/寫(xiě)100 000次，數(shù)據(jù)可以保存200年。24LC256與單片機(jī)的接口是I2C總線，但PIC16F688自身沒(méi)有I2C模塊，所以用I/O口模擬I2C總線。

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)主要指單片機(jī)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自動(dòng)控制與數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。PIC16F688的內(nèi)核CPU結(jié)構(gòu)是按照精簡(jiǎn)指令集和高透明指令的宗旨來(lái)設(shè)計(jì)的[6]，單片機(jī)開(kāi)發(fā)采用MICROCHIP專(zhuān)門(mén)用于PIC系列8位單片機(jī)而設(shè)計(jì)的開(kāi)發(fā)環(huán)境MPLAB，編程采用C語(yǔ)言，編譯器選擇MPLAB C18 C Compiler。

圖5 系統(tǒng)主程序流程圖Fig.5 System flow chart of main program

系統(tǒng)首先通過(guò)判斷主電池電壓是否過(guò)低，決定是否啟動(dòng)從電池供電，然后每100 ms對(duì)電池電壓進(jìn)行采樣（主電池供電時(shí)采樣主電池電壓，如果從電池供電，則對(duì)并聯(lián)后的電池電壓采樣），并對(duì)主電池電流與從電池電流進(jìn)行采樣。電池電流的采樣值進(jìn)行累加，累加值作為電池的耗電量保存或上傳。如果是對(duì)主電池電壓進(jìn)行采樣，就對(duì)主電池電壓進(jìn)行判斷，如果電池電壓連續(xù)30個(gè)采樣值都低于21 V，或者主電池累計(jì)耗電量已經(jīng)超過(guò)額定電量的90%，則啟動(dòng)從電池供電。電壓、耗電量等數(shù)據(jù)每10 s保存至EEPROM一次，如果總線上有請(qǐng)求，便將最新測(cè)得電池的電壓、耗電量等數(shù)據(jù)進(jìn)行上傳。值得一提的是，電池?cái)?shù)據(jù)保存至EEPROM時(shí)，避免重復(fù)將數(shù)據(jù)保存到EEPROM的同一地址，因?yàn)镋EPROM的擦寫(xiě)次數(shù)有限，多次擦寫(xiě)EEPROM的同一單元，可能會(huì)引起EEPROM的失效，導(dǎo)致系統(tǒng)只工作很短時(shí)間便不能存儲(chǔ)電池?cái)?shù)據(jù)。所以每保存一組電池?cái)?shù)據(jù)，就要將指針指向EEPROM的下一組空閑單元。主程序流程圖如圖5所示。

4 結(jié) 論

文中設(shè)計(jì)的主、從鋰電池監(jiān)控系統(tǒng)有效的管理了兩組電池共同作為井下儀器的供電電源，可有效提高井下儀器使用的耐高溫鋰電池的使用效率，同時(shí)大幅度減少了電池的浪費(fèi)。系統(tǒng)中介紹的電池耗電量統(tǒng)計(jì)方法，可以用于其他使用耐高溫鋰電池作為供電主體的石油鉆采儀器中，具有體積小、外圍元器件少，穩(wěn)定安全可靠等特點(diǎn)。目前，本主、從鋰電池監(jiān)控系統(tǒng)已作為CGDS系列近鉆頭地質(zhì)導(dǎo)向系統(tǒng)的MWD的電池管理單元，電池耗電量統(tǒng)計(jì)電路這項(xiàng)技術(shù)也大量應(yīng)用于CGDS系列井下隨鉆儀器，通過(guò)國(guó)內(nèi)外的大量現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用驗(yàn)證表明該系統(tǒng)的性能穩(wěn)定可靠，具有較高的工程應(yīng)用價(jià)值。

[1]秦緒英，肖立志，索佰峰.隨鉆測(cè)井技術(shù)最新進(jìn)展及其應(yīng)用[J].勘探地球物理進(jìn)展，2003（4）：314.

QIN Xu-ying，XIAO Li-zhi，SUO Bai-feng.The development of logging while drilling and its application[J].Progress in Exploraion Geophysics，2003（4）：314.

[2]盧林.電池管理設(shè)計(jì)及發(fā)展趨勢(shì)[J].電子測(cè)試，2007（12）：7-11.

LU Lin.Design and development of battery management[J].Electron Test，2007（12）：7-11.

[3]陳祝清.電池電量計(jì)的原理與計(jì)算[J].今日電子，2008（1）：36-38.

CHEN Zhu-qing.The theory and calculation of battery coulometer[J].Today Electron，2008（1）：36-38.

[4]LTC6101/LTC6101HV[EB/OL].（2005）.http://www.linear.com

[5]PIC16F688[EB/OL].（2007）.http://www.microchip.com

[6]劉和平.PIC16F87X單片機(jī)實(shí)用軟件與接口技術(shù)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2002.