基于單片機(jī)的物探井井深測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

周北華

(中國石油川慶物探公司裝備事業(yè)部 四川 成都 610213)

0 引 言

在地震勘探中，井深數(shù)據(jù)是地層評價(jià)和炸藥安放深度的一項(xiàng)重要參數(shù)，關(guān)系到地震激發(fā)的質(zhì)量。目前主要測量方法是電纜磁標(biāo)記計(jì)數(shù)法，該方法的測量精度取決于磁標(biāo)記的密度［1］，而磁標(biāo)記過密，會導(dǎo)致感應(yīng)裝置不易分辨。在高精度井深測量中，采用馬丁代克傳感器輸出信號作為深度測量信號，測井時(shí)，電纜穿過馬丁代克傳感器，運(yùn)行的測井電纜帶動馬丁代克的測量輪旋轉(zhuǎn)，同步旋轉(zhuǎn)的光電編碼器輸出脈沖信號，計(jì)量脈沖信號個數(shù)，計(jì)算出深度數(shù)據(jù)［2］。而數(shù)據(jù)傳輸大多采用有線傳輸方式，導(dǎo)致在現(xiàn)場應(yīng)用時(shí)接線不便?；诖?，采用MSP430F2619 單片機(jī)為核心，配以nRF905 無線模塊傳輸數(shù)據(jù)，接收端對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后在液晶上顯示。

1 井深測量原理及電路設(shè)計(jì)

馬丁代克原理是增量式光電編碼器輸出兩路四相脈沖［3］，分別為A 和/A (表示A 的反相，下同)，B 和/B。一般采用A 相和B 相輸出進(jìn)行移位檢測和速度測量，由于A 相B 相脈沖前沿相差90°，當(dāng)順時(shí)鐘旋轉(zhuǎn)時(shí)，第一路輸出波形超前第二路輸出波形90°;逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，第一路輸出波形就滯后第二路輸出波形90°［4］，對馬丁代克傳感器輸出的脈沖計(jì)數(shù)就可以獲知深度。但是現(xiàn)實(shí)中傳感器輸出的信號不完美，需要進(jìn)行調(diào)理。首先是對A 相B 相的信號消抖，減小脈沖的計(jì)數(shù)誤差，然后對信號進(jìn)行二倍頻，再進(jìn)行計(jì)數(shù)，提高深度測量的精度。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體框圖

硬件主要分為信號采集處理和數(shù)據(jù)通信部分，數(shù)據(jù)采集部分包括馬丁代克傳感器、信號調(diào)理電路，MSP430信號采集電路;數(shù)據(jù)通信部分包括無線收發(fā)模塊、單片機(jī)、液晶顯示電路。測量系統(tǒng)選擇EMC 公司生產(chǎn)的傳動輥半徑為R=90 mm，線數(shù)N =960 線的光電編碼器，則每個輸出脈沖代表的線位移d = L/N = 2πR/N，則d=0.59 mm，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測，參數(shù)滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

1.1 信號調(diào)理電路設(shè)計(jì)

由于馬丁代克傳感器中的增量式光電碼盤對光電編碼器軸系引起的抖動干擾非常敏感，而且測井現(xiàn)場也存在各種隨機(jī)干擾，輸出的信號可能存在毛刺，所以需要將干擾進(jìn)行隔離和去抖動處理［5］。由于光耦器件具有電流驅(qū)動的特點(diǎn)，短暫的窄脈沖無法通過。因此，本設(shè)計(jì)采用光耦器件6N137，對隨機(jī)的抖動窄脈沖首先進(jìn)行初步去抖動處理，然后對輸出的信號進(jìn)行整形。脈沖信號通過54HC04 非門，輸出信號通過光電隔離后，送入施密特觸發(fā)器CD40106 對信號進(jìn)行整形，兩路信號處理電路相同。所設(shè)計(jì)的信號調(diào)理電路原理圖如圖2 所示。

圖2 信號調(diào)理電路圖

1.2 nRF905 無線通訊電路設(shè)計(jì)

nRF905 系挪威Nordic 公司［6］生產(chǎn)的單片無線收發(fā)芯片，其工作電壓為1.9 V ～3.6 V，工作于433/868/915 MHz 三個ISM 頻道，最大數(shù)據(jù)傳輸速率為100 kb/s。芯片能耗非常低，以10 dBm 的功率發(fā)射時(shí)，工作電流僅有30 mA，接收時(shí)工作電流只有12.5 mA，多種低功率工作模式，待機(jī)模式下電流僅為12.5 μA，便于在野外工作。通過SPI 接口進(jìn)行編程配置［2］。將MSP430F2619 的P5.1、P5.2、P5.3 口配置為三線SPI 功能可直接與nRF905對應(yīng)引腳相連，單片機(jī)作為主機(jī)，nRF905 作為從機(jī)，其電路連接示意圖如圖3 所示。

1.3 液晶顯示電路設(shè)計(jì)

圖3 MSP430F2619 與nRF905 連接圖

本系統(tǒng)采用LM240160GCW 的液晶模塊，由MSP430單片機(jī)對其進(jìn)行控制。由于MSP430 單片機(jī)的總線不對外，所以我們不能以直接的方式而只能采用間接的方式訪問外設(shè)，該液晶能顯示ASCII 字符、漢字和各種曲線，可與單片機(jī)連接構(gòu)成功能強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡單的人機(jī)界面。將單片機(jī)P7 口設(shè)為數(shù)據(jù)總線，用來傳輸數(shù)據(jù)或指令，P8 口的部分端口用來做控制總線，控制LM240160GCW 的相關(guān)功能。GT23L32S4W 為大容量字庫存儲芯片，由P7.0～P7.2 、P8.4 通過SPI 總線協(xié)議與其通訊，液晶上想要顯示的漢字或字符碼直接從該芯片中讀取。由R50、R51、Q4 組成的是一個LCD 背光控制電路，由MSP430 送出PWM 信號實(shí)現(xiàn)。液晶顯示電路連接原理圖如圖4所示。

圖4 液晶顯示電路原理圖

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)和nRF905 通訊軟件設(shè)計(jì)，前者需要設(shè)定MSP430 單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器的工作方式，將其設(shè)定為計(jì)數(shù)模式。nRF905 模塊需要設(shè)定工作頻段，SPI 時(shí)序。

2.1 單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)

對于脈沖信號采集單片機(jī)，主要實(shí)現(xiàn)對CD40106 整形后的脈沖信號進(jìn)行計(jì)數(shù)，將計(jì)數(shù)脈沖和鑒相脈沖同時(shí)輸入單片機(jī)的兩個計(jì)數(shù)端口，設(shè)定計(jì)數(shù)器工作于中斷方式，完成對編碼器旋轉(zhuǎn)方向判別和深度脈沖計(jì)數(shù)，從而計(jì)算井深數(shù)據(jù)。單片機(jī)程序主要包括系統(tǒng)初始化，中斷初始化，nRF905 無線發(fā)送。系統(tǒng)的軟件流程圖如圖5所示。

5 系統(tǒng)軟件流程圖

2.2 nRF905 無線通信軟件設(shè)計(jì)

nRF905 無線通信的具體步驟為:首先將接收節(jié)點(diǎn)的地址(TX-address)和有效數(shù)據(jù)(TX -payload)通過SPI接口傳送給nRF905;單片機(jī)設(shè)置TRX_CE，TX_EN 為高來激活ShockBrust 傳輸;如果AUTO_TETRAN 被設(shè)置為高時(shí)nRF905 將連續(xù)地發(fā)送數(shù)據(jù)包，直到TRX_CE 被設(shè)置為低;當(dāng)TRX_CE 被設(shè)置為低時(shí)，nRF905 結(jié)束數(shù)據(jù)傳輸并將自己設(shè)置成standby 模式。發(fā)送模式程序流程圖如圖6 所示。

圖6 發(fā)送模式軟件流程圖

從圖6 中可以看出，發(fā)送時(shí)的控制指令主要包含發(fā)送地址寬度設(shè)置、發(fā)送有效數(shù)據(jù)寬度設(shè)計(jì)及輸出頻率設(shè)置，本系統(tǒng)分別設(shè)置4B 的地址寬度、32B 的有效數(shù)據(jù)寬度及時(shí)鐘頻率為1 MHz。

在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行測試，發(fā)送指令時(shí)序圖如圖7(a)所示。而接收端的設(shè)置與發(fā)送端的配置一致，其接收指令時(shí)序圖如圖7(b)所示。

圖7 收發(fā)指令時(shí)序圖

從圖7 中可以看出，發(fā)送端時(shí)鐘頻率配置與接收端頻率配置一致，驗(yàn)證了無線發(fā)送端與接收端可以進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

3 結(jié) 論

本文提出的基于MSP430 單片機(jī)的井深無線測量系統(tǒng)便于攜帶，且成本低，功耗低。無線收發(fā)電路的仿真時(shí)序波形表明，系統(tǒng)通訊準(zhǔn)確，數(shù)據(jù)傳輸可靠，工作時(shí)可實(shí)時(shí)計(jì)算井深并將其在液晶中顯示，可用于地震激發(fā)測試井深度測量中。

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