學 號: 0103070110 吉林農業大學發展學院畢業設計（論文）微型堵塞器型壓力計的設計學 院:電子信息工程學院專 業:測控技術與儀器 班 級:一班 姓 名:劉海龍 指導教師:吳旭云 微型堵塞器型壓力計的設計摘要首先介紹了壓力計的用途，并將我們設計的壓力計同國內外使用較多的壓力計做了性能比較；然后，概述性的介紹了壓力計的工作原理；并對壓力計的總線選擇、電數據壓縮做了概念性介紹。并且對壓力計的測量部分，計算部分，時間控制部分，電源控制部分，存儲器部分的原理做了詳細的闡述 其次詳細論述了本壓力計的下位機軟件各組成部分。首先，在本章開頭我們給出了測井數據采集部分、DS1629報警部分、數據存儲部分及I2C總線部分的程序流程圖，最后給出了主流程圖。 再次詳細論述了數據擬合回歸公式的基本原理，并給出了如何用擬合好的公式計算壓力，溫度值。只有對采集的數據進行數據擬合回歸，才能得到真實的壓力、溫度值。數據擬合公式中系數的選擇將對溫度、壓力值的精確度有極大的影響。 為了提高系統的魯棒性，我們在本壓力計的硬件及軟件設計上都對容錯性給予了極高的重視。在本章中，闡述了軟件容錯的基本概念、基本原理、基本方法、以及模型設定。最后，以本壓力計為例，給出了軟件容錯的一些實際應用。關鍵字 石油 壓力計 溫度計The miniature stops the design of a pressure gauge of machineAbstract firstly,it introduces the use of manomerer,and it also compares the function the manometer of our design with the most used ones both here and abroad.Second,it introduces the operational principle of manomerer in general,and it also gives us a conceptual introduction for the main line choice and data compaction.,it expatiates the the principal of detecting unit,computingtime,time control,power control ,memorizer.it discusses in particular the every part of the down machine sofetware.It firstly shows the collection of well logging data,DS1629 alarm system,data storage and program flow picture of I2C main line,then it shows the main program flow picture.It expatiates the basic principle of data fittings regression formula,and it shows that how to use regression formula to calculate the press and tempreture.Only if we use regression formula in collectiong date,we can get correct press and tempreture.The coefficient of data fittings regression formula will have a great influence for the precision of press and tempreture.In order to improve the robustness of the system,we pay great attention to the fault tolerance of hardware and software of this manometer.In this Chapter,it states many aspects of of fault tolerance,such as ,basic meaning,basicprinciple,basic method,and model specification.Finally,using this manometer as an example,it shows the practical application of software fault tolerance.Keywords Petroleum Pressure gauge Thermometer目 錄第1章 緒論61.1 井下壓力、溫度測量儀的研究概況61.2本課題的方案確定和要完成的工作71.2.1 總體設計方案81.2.2 系統工作原理81.2.3傳感器選擇91.2.4 系統總線選擇101.2.5 要完成的工作121.3本章小結12第2章 系統硬件132.1 硬件組成132.2 工作原理172.2.1壓力測量部分172.2.2 溫度測量部分182.2.3 電源控制部分182.2.4 存儲部位192.2.5定時控制部分192.3本章小結19第3章 系統軟件203.1 測井數據采集部分203.2 時鐘控制部分203.3 數據存儲部分233.4I2C總線部分253.4.1I2C總線的基本原理253.5主程序流程圖293.6 本章小結32第4章數據回歸334.1 數據回歸概述334.2 擬合算法推導344.3 參數應用及實驗結果364.3.1求井溫364.3.2求壓力值364.4 本章小結37第5章軟件容錯385.1軟件容錯的定義與分類385.1.1時間容錯385.1.2 信息容錯395.1.3 軟失效運行395.2 軟件容錯系統結構介紹395.2.1 N版本程序結構395.2.2 恢復模擬塊法405.2.3提高軟件的剛健性（robustness）415.3 應用415.3.1 防止死機415.3.2判斷讀出時間是否正確425.3.3判斷下次報警是否能夠實現425.3.4 判斷工作表455.4本章小結46第6章結束語47致謝48第1章 緒論 石油是一個國家的命脈，石油產業的興衰直接影響到國家的經濟。所以我國一直對油藏工程給予極高的重視。在油藏工程中的許多方面，可靠的地下油藏資料都是十分重要的：油藏工程師必須掌握大量的油藏數據資料，才能準確的分析油藏動態和預測各種開采方式下的生產趨勢；菜油工程師也要了解生產井和注入井生產條件才能在油藏最佳動態情況下進行開采。這些資料大都是通過不穩定試井得到的。 不穩定試井方法，例如，壓力恢復、降壓、注入能力測試等等，都是油藏工程和采油工程的一個重要方面。不穩定試井方法的主要過程由兩部分組成：一部分是在井底造成壓力改變，另一部分是測量壓力改變隨時間的變化。通過測量得到的壓力值，可以用來估算出巖石、流體和井的特性參數，其有助于用來分析、改進和預測油藏動態。從不穩定試井獲得的實驗資料包括井筒體積，地層壓力，滲透率，孔隙度，儲量和其它有關數據。從中可以看到，這種方法的關鍵的技術資料就是測量得到的精確的壓力值。以前，不穩定試井方法受到許多限制，其中最重要的一方面就是缺少精確的壓力數據，而無法進行確切的分析。1.1 井下壓力、溫度測量儀的研究概況 目前，國外的井下測壓技術發展的十分迅速，主要測量儀器為存儲式電子壓力計。其大多有著壓力量程大、精度高、存儲量大、采樣速度快等優點，而國內的井下測壓技術還不十分先進。國內外常見的壓力測量儀的性能指標可參照下表1.1. 但由于此類傳統壓力計大多有著直徑寬，體積大等諸多不利因素，造成現場測試困難，費用高、成本高，因而急需一種直徑小、精度高、工作時間長的新型壓力計。目前此類小直徑壓力計在國外已經問世，但是價格昂貴，而且井下工作時間較短；國內同類產品較少，而且在測量精度、功耗、存儲容量方面不盡人意。我們的微型堵塞器型壓力計就是在這種形勢下研制出來的新型產品。這套儀器配套于偏心配水器，測試工藝完全依照分層配水及測試工藝進行。因而極利于注水井的壓力溫度測試，簡化了工藝，節約了人力、財力。 生產 廠家 斯坦微電子研究所 北京金時石石油測試技術有限公司北京雙福星科技有限公 司大慶大名新技術開發公司大慶市儀星有限公司壓力量程（Mpa）050030045030030壓力分辨率（%FS）0.050.010.050.050.01壓力精度（%FS）0.50.50.40.50.5溫度量程（）-10+125-40+120-20+1200+80-30+120溫度精度（）0.50.5110.5溫度分辨率（）0.10.10.50.50.1存儲容量（點）300012000160001360014272井下工作時間（天）90180120180150 表1.1 國內外常見大直徑壓力測量儀性能指標參照表 由上可見：一般壓力計，其精度只能達到千分之一左右；而且一般只能耐到120度高溫，我們知道隨著井的深度增加，井下的溫度也在增加，所以這種耐溫度就限制了被測井的深度；一般的測壓計的容量也不是很大，只能達到25萬組數據，更有甚者只有幾千組，因為井下數據的數量越多對被測井的特性分析也就月充分；存儲量不大，也就意味著不會掌握很多的井下壓力數據，很大的限制了不穩定試井的使用范圍；而且，大多數壓力計的溫度測量不精確，現在國際通用的壓力計都要求精確的溫度測量，這是因為被測井下壓力同當時的井下溫度有關，測得的壓力數據要根據以溫度擬合成的數據為系數的方程來得到正確的壓力真值，如果溫度值不準，則壓力值也不會準確。而且，溫度本事對于試井也有著極大的意義。1.2 本課題的方案確定和要完成的工作 對本課題所提出的技術指標有如下幾項：壓力量程： 075Mpa壓力精度： 0.05%FS壓力分辨率： 0.001%FS溫度量程： -30+125度溫度精度： 0.1度溫度分辨率： 0.05度 最大存儲容量： 80000點 井下工作時間： 半年以上 外徑： 15mm 長度： 200mm 從以上指標比較來看，我們所設計的這臺高精度壓力計同國內外同類產品相比有著以下幾方面優點：1） 壓力精度高。2） 溫度量程寬，這意味著可以用來測量更深的井，增大了使用范圍。3） 存儲量大，也就是說利用這臺儀器一次可以測量取得更多的數據。4） 體積小，克服了傳統大直徑壓力計存在的弊端，給現場的使用帶來了方便，節省了人力財力。 本次設計的堵塞器型壓力計的大多數指標都已經趕上或者超過國際水平。1.2.1 總體設計方案 井下存儲式壓力計不需要傳輸電纜，利用電池供電。因為是在井下幾千米進行測量，沒有辦法利用地面電源對壓力計供電，只能采用電池供電。這就要求硬件部分要有著低功耗的特點，否則儀器無法在地下工作十幾個月。為了延長儀器的一次下井時間，應該在采用同類小功耗元件的前提下盡可能的減少元件個數，并且還應該尋找進一步省電的方法。 整個儀器將工作在幾千米的地下，必須可耐125的高溫。這要求系統的元器件要有耐高溫的特性。一般民用元件耐溫在0+70之間，根本無法滿足設計要求，其實工業級的元件也只能耐溫在-40+80之間，所以要達到指標要求，必須采用軍品元件并進行高溫篩選以得到耐高溫元件。本次設計中所用到的器件均選用功耗低的軍品元件。 為了達到大容量的存儲空間，我們可以采用單片大容量存儲器或多片小容量存儲器。因為存儲器也必須耐高溫，所以如果采用前者則價格極其昂貴，如果采用后者則難免要增大功耗，影響井下的工作時間。但無論采用哪種方式，適當的采用一些數據壓縮算法都是應該的。對于數據壓縮，應該注意的事項是，壓縮時間應該不大，以免影響數據的采集。1.2.2 系統工作原理 壓力計進行工作參數設定以及在測量完畢后進行數據回放時，地面系統框圖如下所示： 打印機 堵塞器壓力計打印機線PC 機專用通信線 圖 1.1 在工作前，需要通過專用通訊線，用隨機配制的系統軟件進行壓力計的初始化，設置各項工作參數（時間表和工作表）。使用時，系統便在CPU的控制下，按照預先設置的工作表進行定時采樣，并將采集到的壓力、溫度數據保存在存儲器中。然后壓力計電路進入低功耗狀態，此時消耗電流只有6uA，等待下一次采樣開始。壓力計的工作原理框圖如圖1.2所示。當存滿數據存儲器時，系統只進行采集，但不再對采集到的數據進行存儲。儀器工作結束后，重新接上專用通訊線，在上位機上運行隨機配制的系統軟件對數據進行回放，并可以根據需要進行數據存儲、顯示、繪圖等操作。 溫度傳感器 單元壓力傳感器 單元CPU 數據放大轉換單元 時鐘單元 電源單元 數據儲存 單元 圖 1.21.2.3傳感器選擇 由前述可知：有待測量的物理量有溫度、壓力兩種。溫度、壓力傳感器一般可以分成兩類：模擬傳感器、石英晶體傳感器。1） 模擬傳感器：普通國產壓力模擬傳感器的壓力精度一般為0.5%0.8%，溫度模擬傳感器的精度為0.10.5.可見要想提高測量精度，就必須選擇精度高的壓力傳感器。此外模擬傳感器的體積很小，因此符合本次小直徑壓力計的設計目的。2） 石英晶體傳感器：石英晶體傳感器的相對精度很高，壓力計石英晶體分辨率可達到0.02%，精度可達到0.05%；溫度石英晶體傳感器分辨率可到達0.005，精度可達到0.01.但是石英晶體傳感器的體積相對很大，鑒于本次設計的要求，最終選擇體積小，精度較高的模擬傳感器。通過對眾多廠家的壓力傳感器的比較選擇，我們最終選擇瑞典KELLER公司的壓阻式壓力傳感器。KELLER公司作為歐洲著名的壓阻式傳感器生產廠家，其產品具有體積小，重量輕，精度高，靈敏度高、穩定性好、一體化結構等特點。本次選用精度為0.05%的KELLR-1型壓力傳感器。為了測量并下溫度，并考慮到系統小型化，這里選用帶有時鐘功能的溫度傳感器DS1629，其在-30+125的溫度范圍內，其測量精度高達0.3，滿足了本次設計要求。1.2.4 系統總線選擇 90年代，單片機（MCUMicro controller Unit）及其外圍器件技術有了驚人的發展，新一代單片機的出現，使人們可以按對象需要選擇合適的單片機；單片機的內外串行總線大大地簡化了單機、多機與網絡系統的硬件結構。可以說，新一代單片機技術的顯著特點之一就是串行總線的推出。在沒有專門的串行擴展總線時，只能通過并行總線擴展外圍器件。而由于并行總線擴展時連線過多，外圍器件工作方式各異，外圍器件與數據存儲器混合編址等，都給單片機系統設計帶來較大困難?，F在退出芯片間的串行數據傳輸技術，其設置了芯片間的串行傳輸接口或串行總線，起到了簡化系統結構，提高系統可靠性的作用。新一代單片機中，除了必須的儲存器擴展要用到并行接口之外，其他外圍器件都可以通過串行方法進行擴展。由此，我們可以得到新一代單片機并行總線、串行總線擴展的優選模式如圖1.3所示： 芯片間串行接口與串行總線分類： 目前單片機應用系統中常用的串行擴展總線主要有MOTOROLA公司的串行外圍接口SPI（Seral Peripheral Interface）、NS公司的MICROWIRE/PLUS串行同步雙工通訊口和Philips公司I2C BUS(Inter IC BUS),下面介紹一下它們的特性：a） 串行外圍接口SPI LED驅動 LED顯示 P2.0 單 P0.0片SCLSDA機鎖存器EPROM時鐘I/O 口RAMA/D,D/A數據存儲器程序存儲器I/O口鍵盤8并行擴展8串行擴展I2C總線 圖1.3 并行總線、串行總線擴展的優選模式 SPI是一種三線同步接口，其通過串行數據線（MISO、MOSI）和串行時鐘（SCK）實現芯片間的數據傳送。圖1.4為SPI串行擴展電路。 SK MOSI SPI MISO CSI主機端 CS2 CS3SK SPISI 從機SOCSSK SPISI 從機SOCSSK SPISI 從機SOCS 圖1.4 單主機SPI串行擴展電路 從圖1.4可以看出從機的選通是依靠每個人從器件的CS引腳的選通信號，因而數據送軟件十分簡單，省去了從器件的地址選擇，但在擴展器件較多時，連線不會簡潔。而且，其采用硬件片選，難免會占用I/O口線，使得口線使用緊張。在口線數目一定的情況下，從器件的數量會得到限制（與后面的I2C總線技術比較）；反之，如果要增大從器件數目，無疑增加額外的I/O口擴展器件，又增大了系統的功耗 b）串行通訊接口MICROWIRE/PLUSSI為串行數據輸入；SO為串行數據輸出；SK為串行移位時鐘。圖1.5為MICROWIRE/PLUS接口串行擴展圖。 COP800 HPC 系列 單片機 主機 SI SO SK CSEPPROMDO DICLK CS A/DDO DICLKCOP800 HPC 系列 單片機 主機SOSISK 圖1.5 MICROWIRE/PLUS接口串行擴展圖 從圖1.5可以看到MICROWIRE/PLUS的優點同SPI相同，但同樣沒有能夠避免SPI總線的缺點。 C） I2C串行擴展總線 I2C與SPI、MICROWIRE/PLUS接口不同，它以兩根連線實現了完善的全雙工同步數據傳送。I2C總線采用了器件地址的硬件設置方法，通過軟件尋址完全避免了器件的片選線尋址方法，從而使硬件系統具有最簡而靈活的擴展方法。按照I2C總線規范，總線傳輸中的所有狀態都生成相對應的狀態碼，系統中的主機能夠依照這些狀態碼自動的進行總線管理，用戶只要在程序中裝入這些標準處理模塊，根據數據操作要求完成I2C總線的初始化，啟動I2C總線就能自動完成規定的數據傳送操作。圖1.6為I2C總線應用系統的典型結構。處理器件外圍器件 單片機 或微處 理器 單片機 或微處 理器 外圍接口模塊 I2C總線驅動器 遠程I2C系統 圖1.6 為I2C總線應用系統的典型結構 為減少功耗，我們應該盡量減少元器件的數量。因此，我們在系統中采用新一代單片機總線技術串行總線。綜上所述，我們采用I2C串行總線技術。1.2.5 要完成的工作 本次設計的主要工作有結合工藝進行系統硬件設計、系統軟件設計、標定試驗、現場下井試驗、試驗數據回放分析等。由于壓力傳感器的輸出信號受到環境溫度的影響，因此在壓力計投入使用之前要進行標定試驗。標定中心采用加拿大先鋒石油技術裝備有限公司提供的全自動標定系統。整套系統采用對比法進行標定，完全使用計算機遠程控制。精度高，操作簡單，標定范圍大，效率高。1.3本章小結在本章中，首先介紹壓力計的用途，并將我們設計的壓力計同國內外使用較多的壓力計做了性能比較；然后，概述性的介紹了壓力計的工作原理；并對壓力計的總線選擇、數據壓縮做了概念性介紹。在以后的各章里，本論文將在此基礎上，就系統硬件，系統軟件，系統容錯，數據壓縮，數據回歸各方面做進一步討論。第2章 系統硬件 上一章，對本論文將要闡述的個部分做了概述性的介紹。在本章中，我們將詳細介紹壓力計的硬件組成及功能實現。2.1 硬件組成 這套系統的硬件基本有以下幾部分組成：1）測量；2）計算：3）存儲：4）電源；5）時鐘；6）系統監控。其中測量部分由傳感器以及A/D轉換器組成；計算部分有單片機構成；存儲部分由24C1024組成；電源控制采用MAX619集成芯片；時鐘用DS1629；系統監控用MAX6315。各部分芯片簡介如下：1） 壓力采樣環節：壓力傳感器采用瑞典KELLER公司的壓阻式壓力傳感器，其輸出為與壓力成比例關系的電壓信號，因此需要加上A/D轉換環節。為了提高測量精度，這里選用美國Analog推出的具有24位精度的轉換器AD7710。AD7710為美國Analog Devices推出的性能優越，高分辨率的A/D轉換集成電路。它具有兩路差模輸入，1128八檔程控增益放大器，程控低通濾波器等特點，能完成24位A/D轉換，轉換頻率為101000赫茲。AD7710是低頻測量應用中的一個完整模擬的前端，能直徑接受低頻信號，并以串行數字方式輸出，用轉換技術實現24位無誤碼性能，而且具有片內基準電壓，SO24封裝，工作溫度可達到125.2） 溫度采樣及系統時鐘：為了節約設計空間，這里采用集溫度傳感器與實時時鐘于一體的高性能芯片DS1629.DS1629是美國DALL公司最新推出的帶有二線制串行接口（I2C）的時鐘數字化溫度計，測量精度為0.3，測溫度范圍是-55125，并且具有可編程、寬電壓、低功耗等特性，特別適合于電池供電系統中。 DS1629內部集成了時鐘及溫度監控。數據傳輸采用I2C總線技術。其工作電壓范圍廣。時鐘/日歷單元提供秒、分、小時、星期、天、月、年單元。每月天數隨月份不同自動調整，且可以根據閏年調整。DS1629提供12或24小時模式，在12小時模式下提供AM/PM位。無論是測量溫度超過設置溫度，或是當前時間達到設定的報警時間，DS1629的開環報警輸出端都可以發出報警信號。使用者可以設定報警情況（只有時間、只有溫度、或是不報警）。為存儲系統數據或是時間溫度數據。DS1629提供了32字節的SRAM，因為其不限制讀寫次數，我們將浮動工作表存在其中。 DS1629特點： 時鐘可以自動調節2100年以前的時間；用戶設定時間或穩定報警；內含32字節SRAM；I2C總線數據輸出；寬供電范圍：（2.2V5.5V）：8腳SOIC封裝。其引腳如圖2.1所示。 引腳功能如下： SDA、SCL：I2C總線數據線及地址線 ALRM： 溫度、時間報警輸出端 X1、X2：32.768HZ晶振輸入端及反端 OSC： 晶振輸出端 圖2.1 DS1629封裝圖 3） 系統CPU采用Philips公司推出的新型單片機P87LPC769.其采用CHMOS工藝，采用SO-20表貼封裝，具有低功耗的特點。而且，P87LPC769為軍品元器件，其可以耐高溫度到125.經過篩選可以耐到150 4）我們采用24C1024作為存儲器件，24C1024是一種新型I2C總線存儲器件，其內有125K*8位電可擦除PROM，其可工作電壓范圍廣（1.8V5.5V）。可用于低功耗通訊及數據存儲，它具有頁寫功能，一次頁寫最大字節數可達256字節，在讀取數據方面，其可以按字節讀也可以采用連續讀的方式。地址總線允許最多外掛2騙24C1024在同一總線上，這樣最大可達到2M位的地址空間。本機選用24C256的主要原因是其低功耗和小體積。 24C1024主要特點如下： 低功耗CMOS技術：串行內部總線（兼容I2C）；256字節頁寫功能；硬件寫保護；10萬次擦寫；電壓保護大于4000V；數據可保持200年；有PDIC以及SOIC兩種封裝；為耐高溫，在本應用系統中采用24C1024，其可工作在-40+125之間，典型工作電流在寫數據時為：3Ma,讀數據時：400mA，靜態電流：1uA。 引腳功能如下：AO：片選地址SDA：串行數據總線SCL: 串行地址總線WP： 寫保護端當WP端為高電平時，24C1024只允許讀操作，當其為低電平或懸空時，24C1024允許讀寫操作。具體24C1024的讀寫操作見第三章 。圖2.2 24C1024封裝圖 5）由于系統在井下工作時間一節3.6V的高能電池供電，而整個系統需要+5V的供電電源，因此需要直流變換器升壓至5V。這里選用MAXIM公司推出的直流變換器MAX619。MAXIM公司研制的可調節5V充電泵直流變換器MAX619，由2節電池（23.6V）輸入，就可轉換成5V4%的電壓輸出。并且它的外圍元件極少，在0.1平方英寸的印制板上，即可把整個的MAX619及外圍元件裝下。外圍元件只有2個充電電容、2個輸入輸出電容。變換器自身最大耗電為150uA，帶有可關斷功能。邏輯控制負載開路時，耗電最大只有1uA。有雙列直插（DIP28P）和SO軟封裝形式，能適應各種需直流變換的場合。 MAX619輸入23.6V（2節電池）電壓，可提供5V輸出。內部充電泵和外部濾波電容保證5V的輸出。當輸出電勢有下降趨勢時，充電泵受脈動控制，使電壓保持在5V4%范圍內。當ON/OFF為邏輯高電平時，MAX619就處于輸出關斷狀態，充電泵開關停止工作，輸出為0V。50 / 50 MAX619輸入23.6V（2節電池）電壓，可提供5V輸出。內部充電泵和外部濾波電容保證5V的輸出。當輸出電勢有下降趨勢時，充電泵受脈動控制，使電壓保持在5V4%范圍內。當ON/OFF為邏輯高電平時，MAX619就處于輸出關斷狀態，充電泵開關停止工作，輸出為0V。MAX61典型應用電路如圖2.3所示。 圖2.3 MAX619典型應用電路 充電電容C1和C2的參數選擇：C1和C2充電泵電容是關鍵元件，它的電容值保證輸出電壓和輸出電流的穩定。其值應在0.22uF到1.0uF選擇。大容量的電容（達50uF）也可用，但是，大容量電容使用后，輸出電壓的紋波將增加。所以，選擇電容值不宜太小和太大，而且，應選用陶瓷和鉭電容。設計時選擇0.22U的陶瓷電容。2.2 工作原理 本系統為存儲式壓力計，其采用斷電工作方式：即依照工作表（時間表）在特定時間進行數據采集、處理、存儲，而在其它時間卻處于斷電狀態（只有時鐘工作）。這這種方式下，使得應用系統處于省電狀態，又使得采樣數據不至過多，以免系統存儲不下。2.2.1壓力測量部分 第一章中已經介紹過，壓力傳感器采用KELLR-1型壓阻式傳感器，其量程為0-100Mpa，輸出為0-600mV。的電壓信號，有AD7710進行A/D轉換后，變為數字最后進入CPU進行存儲等處理。壓力測量的原理如如下： AD7710引腳排列及外圍電路如圖2.4所示。（1）腳SCL K：串行時鐘脈沖。當MODE為高電平時，則SCLK引腳輸出串行時鐘脈沖，器件狀態為內時鐘模式；當MODE為低電平時，則為外時鐘模式，SCLK為輸入端。（2）腳XIN：器件的主時鐘信號。如主時鐘信號為CMOS兼容時鐘，則直接從該引腳饋入。（3）腳XOU:T器件的主時鐘信號。主時鐘為石英晶體時，石英晶體聯接在XIN和XOU T之間。（4）腳AO：地址輸入。低電平時，對控制寄存器進行讀和寫，高電平時，進行數據寄存器和校準寄存器的存取。（5）腳SYNC：邏輯輸入，低電平有效（6）腳MODE：模式選擇，邏輯輸入，高電平時，為內時鐘模式；低電平時，為外時鐘模式。（7）腳AINI（+）：通道1的正模擬輸入。圖2.4 壓力測量原理圖（8）腳AIN1（-）：通道1的負模擬輸入。（9）腳AIN2（+）：通道2的正模擬輸入。（10）腳AIN2(-)：通道2的負模擬輸入。（11）腳VSS：負模擬電源。典型值為0-5V。單電源工作時，該端與地（A GND）短接。（12）腳AVDD：正模擬電源，使用范圍+5+10。（13）腳VBIAS：偏置電壓輸入。（14）腳REF IN（-）：負的參考電壓輸入端。（15）腳REF IN（+）：正的參考電壓輸入端。（16）腳REF OUT：內部2.5V參考電壓輸出端。（17）腳IOU T：補償電流輸出端。它能提供20uA的恒定電流，能與外部的熱敏電阻連接，進行冷端補償。（18）腳AGND：模擬地。（19）TFS：發送幀同步，低電平有效。在脈沖下降沿后串行數據有效。（20）腳RFS：接收幀同步發送幀同步，低電平有效。（21）腳DRD Y：邏輯輸出，低電平有效，下降沿觸發。（22）腳SDATA：串行數據。（23）腳DVDD：數字電源，+5V。DVDD電壓不能低于4.75V，否則AD7710不能正常工作。另外DVDD必須小于或等于AVDD。（24）腳DGND：數字地。 AD7710以一定的速率對壓力差模輸入信號（0600mV）進行連續采樣，采樣速率由主時鐘f CLKIN決定。采樣信號經PGA放大后，使其輸出電平滿足電荷平衡（）ADC的要求，爾后轉換成數字脈沖序列。該序列經數字濾波器處理后以濾波器一階陷波頻率確定的速率更新21位的輸出寄存器，寄存器中的數據可從雙向串行口采用同步內時鐘或同步外時鐘方式隨機讀取，或者以輸出寄存器更新速率周期地讀取。AD7710的讀寫時序如圖2.5所示。圖2.5 外部時鐘模式讀寫AD7710時序 AD7710內部具有自校準、系統校準和背景校準等功能。自校準能消除芯片本身的零點誤差和增益誤差，系統校準能消除輸入通道的失調和增益誤差，背景校準能消除溫度漂移、電源波動和時間漂移的誤差。這些校準均由微控制器的軟件來實現。A/D轉換器的基本思想是基于過采樣技術把更多的量化噪聲壓縮到基本頻帶外邊的高頻區，并由數字濾波器濾掉帶外噪聲。因此，過采樣A/D轉換技術有三個主要優點： 采用一位編碼技術，故模擬電路少； ADC前面抗混（模擬低通）濾波器設計容易； 提高信噪比。本次設計中AD7710的轉換速度設為10HZ，通過實驗得知，其有效精度高達20位，滿足了設計的要求。2.2.2 溫度測量部分 系統測溫傳感器采用數字溫度傳感器DS1629。在-55125測溫范圍內，其測量精度為2，然而采取擴展讀后，其測量井度可達到3.DS1629的溫度轉換方式有兩種：連續轉換與單詞轉換。DS1629出廠時設定為一上電即開始連續測量溫度，即連續轉換方式。這一操作類似后臺工作，主控CPU可連續讀取溫度寄存器，而不會影響穩定的測量與轉換。由于DS1629的溫度測量轉換速度很快，而且在連續穩定轉換模式下DS1629的功耗增加，如果讓其在整個壓力計的采樣時間內連續穩定轉換，則必然增加系統的功耗。因此程序設計時，讓其一上電就處于單次轉換模式，那么DS1629在一次溫度轉換完畢后，回到待機模式，這就降低了整機的功耗。 DS1629芯片提供I2C協議接口，與CPU之間接口簡單方便。CPU通過命令AAH、A8H、A9H分別讀取溫度寄存器（TEMP_READ）、計數寄存器（COUNT_REMAIN）、斜率寄存器（COUNT_PER_C）,然后通過下式的計算以提高轉換精度。 T=TEMP_READ-0.25+式（2-1） 實驗證明，選取DS1629進行測溫并通過擴展讀的方法，溫度精度達到了0.3，滿足設計指標。2.2.3 電源控制部分 由單節電池，升壓片MAX619，模擬轉換開關MAX4624以及電源監控芯片MAX6315構成的電源部分，起到了對電源的開關控制。本系統采用了在井下工作時無法從井上得到電能，只能采用電池供電。為了能夠長時間井下采集要求，要求系統功耗要小。為了達到低功耗目的，我們除了選用低功耗的元器件，整個系統采用了斷電工作方式。在此方式下，MAX619只在工作表所指定的時間點為儀器供電，其余時間只為定時器供電，其余元器件處于斷電方式。由上述可知，本系統要有兩種供電：一路為定時器及其相關元件供電：另一路為采樣、計算、存儲環節供電。電源控制電路見下圖所示。圖2.6 電源控制電路圖如圖2.6所示，系統第一次上電時（接上電池），MAX6315產生100ms的復位，RST引腳變化低電平（維持100ms），因此模擬開關MAX4624的控制腳INI為低電平，此時COM1與NC1接通，升壓片MAX619接通電源，其輸出V2為5V，V1=1.3V。其中V2給系統供電，V1給時鐘DS1629供電。系統工作后，讓CPU的P1.2引腳（為開漏輸出）為低電平，因此系統處于常供電狀態。待采樣結束后，讓CPU置P1.2為高電平，因此MAX4624的控制腳IN1變為高電平。此時COM1與NO1接通，NC1與電源切斷，MAX619的輸出電壓為V2=0V，系統停止工作。但此時V1=2.7V左右，因此時鐘時刻有電，保證了時間的準確性。下次采樣時刻到達后，時鐘芯片DS1629發出報警信號，即ALARM引腳產生下降沿，因此復位芯片的手動復位端MR有效，MAX6315產生復位，RST腳變為低電平，從而升壓片產生輸出電壓，系統循環工作。2.2.4 存儲部位 本儀器采用24C1024作為存儲元件。24C1024采用I2C總線技術，含禁止寫入腳（WP）。系統要求存儲容量在1M位，所以共用1片24C1024。存儲器分成兩部分：一部分為測量數據存儲區；另一部分為控制數據存儲區。為防止數據出錯，測量數據存儲區要求一次只有一片可以寫入。通過對LPC769的P1.6P1.7編碼，可以實現此要求。對于另一部分控制數據區，又可以分為兩部分：浮動工作表部分；固定工作表部分。浮動工作表部分在數據采集時被下位機改寫。固定工作表部分存儲的是上位機傳下來的固定工作表，只有與上位機通訊時，才允許下位機改寫里面的內容。硬件電路見附圖部分。2.2.5 定時控制部分 此部分有DS1629以及MAX6315組成。DS1629同樣為I2C總線元件，其SDA、SCL線連接LPC769的P1.6、P1.7.LPC736通過P1.6、P1.7將控制字、報警時間以及浮動工作表分別寫入DS1629的控制單元、報警時間寄存器及片內RAM。當當前時間與報警時間相同時，DS1629發出報警：ALARM腳發出低電平。此電平將一直維持到再次對DS1629的時間寄存器或報警時間寄存器進行讀寫操作后，ALARM端才恢復常態（DS1629的ALARM端常態電平狀態及報警電平狀態可由控制字設置）。ALARM腳發出低電平后，復位芯片產生手動復位，升壓片MAX619上電，輸出+5V電源。系統開始工作。硬件電路見附圖部分。2.3 本章小結 在介紹了一些常用的器件后，本章就針對壓力計的測量部分，計算部分，時間控制部分，電源控制部分，存儲器部分的原理做了詳細的闡述。 第3章 系統軟件在本章中，將詳細的闡述壓力計應用系統的軟件流程。首先，就I2C總線的應用，給出了基本時序；然后是存儲單元軟件實現；其次是測量軟件實現；再次敘述了對DS1629的一系列操作；最后給出了壓力計程序的主流程框圖。3.1 測井數據采集部分 測井數據包括井底壓力和溫度，程序中先測量壓力然后測量溫度，再按照一定的格式存儲起來。氣壓力穩定采樣子程序流程圖如下：組成AD7710控制字初始化AD7710組成DS1629控制字初始化DS1629讀取AD7710采樣值存入55H，56H，57H單元讀取DS1629溫度值按個格式存入1024存入58H,59H,5AH單元返回開始 圖3.1 數據采集流程圖 3.2 時鐘控制部分 這部分主要詳述了對DS1629的一系列操作，其中包括DS1629的初始化、以及對DS1629時間寄存器的讀寫、浮動工作表的讀寫操作。A DS1629初始化發地址、寫控制字有應答有應答有應答發寫控制字命令發控制字 否 否 否是是是發起始信號發停止信號、返回 圖3.2 DS1629初始化流程圖B、讀時間發地址、寫控制字發非應答及停止信號發應答、地址加一發控制字重發起始信號發地址、讀控制字發讀時間控制字發地址、寫控制字去時間錯誤處理程序讀入一字節有應答有應答有應答有應答有應答AA讀出時間正確返回發起始信號NNNNNYYYYYYN 圖3.2.1 讀時間流程圖 C 寫時間讀出報警時間利用報警時間極快間隔組成下次報警時間利用報警時間極快間隔組成下次報警時間發啟動信號寫入一字節發寫時間控制字發地址、寫控制字地址加一有應答有應答有應答有應答返回NNNYYYYN 圖3.2. 寫時間流程圖3.3 數據存儲部分 這部分主要將講述一下整個應用系統對存儲器部件24C1024的讀寫操作，其中應用注意的是對24C1024的片段、頁寫功能。A、 讀24C1024保護現場回復現場并返回回復現場并返回回復現場并返回回復現場并返回回復現場并返回回復現場并返回回復現場并返回回復現場并返回回復現場并返回回復現場并返回有應答位有應答位有應答位否否是是 是否 圖3.3 讀24C1024流程圖 B、寫24C1024保護現場組成地址發送起始信號發送地址寫入一個字節發送停止位待寫單元地址加1024地址加 1發送停止位、返回置WP腳并返回1024地址加 1發送停止信號寫入一字節讀寫頁狀態字有應答位為頁寫數據寫完有應答位換頁？也寫模式1BB否否是是是是否否否是否是 圖3.3 寫24CP1024流程圖3.4 I2C總線部分3.4.1 I2C總線的基本原理 I2C總線的時鐘線SCL和數據線SDA都是雙向傳輸線?？偩€設備用時SDA和SCL都必須保持高電平狀態，只有關閉I2C總線時才使SCL鉗位在低電平。在I2C總線上每傳輸一位數據都有一個時鐘脈沖相對應，其邏輯“0”和“1”的信號電平取決于該節點的正端電源VDD的電壓。A） 總線數據有效性I2C總線數據傳輸時，在時鐘線高電平期間數據線上必須保持穩定的邏輯電平狀態，高電平為數據1，低電平為數據為0