基于ADuC848的鉆井壓力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

1、基于ADuC848的鉆井壓力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)摘要：應用ADuC848新型微控制器和Keil仿真下載軟件，設計開發(fā)了鉆井壓力敷據(jù)采集系統(tǒng)。本系統(tǒng)具有16位高精度AD轉(zhuǎn)換器，數(shù)據(jù)實時采集上傳存儲，最高作業(yè)溫度為125，具有功耗低和集成度高等特點。使用ISP在線編程時，要針對現(xiàn)場需要及時調(diào)整系統(tǒng)軟件，靈活應用。關鍵詞：ADuC848 數(shù)據(jù)采集 AD轉(zhuǎn)換 ISP 引言目前國內(nèi)的隨鉆測量鉆井壓力工具大部分是引進國外設備，成本高、維修困難。已經(jīng)使用的國內(nèi)設備在體積、集成度和精度上有著明顯的不足，并且老化程度高?；诖朔N情況，筆者開發(fā)了一個基于ADuC848微控制器的、可擴展采集通道的鉆井壓力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。AD

2、uC848是美國ADI公司最新推出的一款具有軍品標準，單片最多可帶8路模擬信號輸入轉(zhuǎn)換通道，擴展主機從機模式最多可達16路模擬輸入通道的微控制器。它具有單16位高精度AD轉(zhuǎn)換器、16位無差錯編碼，大容量64 KBFlash ROM、4 KB片上Flash和2 304字節(jié)片上RAM，高性能單循環(huán)內(nèi)核，外部晶振32 kHz可編程倍頻至12.58MHz，ISP在線高速下載編程，另外還有24個IO口、11個中斷源(2個優(yōu)先級)、雙數(shù)據(jù)指針、內(nèi)部節(jié)電模式、12位DA轉(zhuǎn)換器，以及UART、SPI和I2C串行通信模式、看門狗定時器WDT和電源監(jiān)視器PSW等。ADuC848芯片的52引腳MQFP封裝僅為14

3、mm14 mm，最高工作溫度為125，正常工作最大電流為48 mA且節(jié)電模式最大電流為20A。所以ADuC848特別適用于開發(fā)在高溫惡劣環(huán)境下長時問作業(yè)的小型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。1、系統(tǒng)硬件設計本系統(tǒng)主要分為5個模塊，且所有主要元器件均選用ADI公司的模擬和數(shù)字軍用標準產(chǎn)品，大大提高了系統(tǒng)的可靠性、耐高溫性和抗震性。系統(tǒng)硬件設計總體框圖如圖l所示。1.1、模擬信號輸入調(diào)理模塊此模塊主要實現(xiàn)對壓力傳感器輸入信號的放大、濾波功能。前端信號放大部分應用高精度、零漂移的AD8230軌至軌儀表運算放大器，經(jīng)過電阻測算標定為放大增益200倍。放大后的信號經(jīng)由一個OP07D運算放大器濾波輸入至ADuC8d8模擬通

4、道進行采集。鉆壓輸入信號一般為O15mV，經(jīng)過放大濾波后輸出至AD采集的信號為03 V。AD8230的工作溫度范圍為一40125，最大漂移電壓儀為lOV，最大溫漂也僅為50 nV。本系統(tǒng)由于試驗需要僅對一路模擬信號進行放大，并留有擴展輸入通道接口，可根據(jù)需要將單片增加至8路。本模塊電路原理圖如圖2所示。1.2、系統(tǒng)供電模塊由于井下工作電源一般是由912 V的鋰電池提供，而系統(tǒng)所有元件的工作電壓均在5V左右，所以需要對9V的電源進行整流至系統(tǒng)5V輸入供電。供電部分所采用的ADP303電壓變換器，是一款高精度、200mA低漂移的線性整流器，特別適合于小功率系統(tǒng)的電源整流供電。其工作電壓范圍為321

5、2 V，可以解決由于外部電壓不足而導致系統(tǒng)無法正常工作的問題。由于系統(tǒng)器件分為模擬器件和數(shù)字器件兩部分，因此相應地分為模擬和數(shù)字供電。整流輸出的5V供電經(jīng)l00mH的電感和18的電阻分別為模擬電源和數(shù)字電源供電，這樣可以大大降低供電對數(shù)字器件的干擾。而模擬地和數(shù)字地也需要經(jīng)過0的電阻進行濾波才可以連接到一起，以便減小干擾，尤其是對精度高的數(shù)字器件應用時更應該注意這點。原理圖如圖3所示。1.3、SPI數(shù)據(jù)實時存儲模塊按照系統(tǒng)的要求需要對數(shù)據(jù)進行實時的存儲，采用ADuC848微控制器自帶的SPI接口對外部Flash芯片進行讀寫，實現(xiàn)數(shù)據(jù)回放功能?？紤]到鉆井作業(yè)的特殊性，單次施工連續(xù)工作在100h以

6、內(nèi)，按每秒采集5組16位數(shù)據(jù)計算，單片F(xiàn)lash的容量至少應在686 MB以上，因此本系統(tǒng)采用了AT45DB542D(簡稱AT45D)的64 Mb串行SPI存儲器?？lash芯片存儲容量大，高速讀寫可至66 MHz，10 mA低功率串行工作，可擦寫10萬次，保存數(shù)據(jù)可達10年?？梢愿鶕?jù)現(xiàn)場的實際情況多片組合最大至256 Mb以完全滿足大量數(shù)據(jù)存儲的需要。本系統(tǒng)采用單片存儲器完成試驗。原理圖如圖4所示。1.4、上位機通信采集數(shù)據(jù)的上傳接口采用的是RS-232串行通信模式，收發(fā)數(shù)據(jù)波特率設置為9 600 bps。微控制器的輸入輸出電平為TTL電平，即UART串口，與PC機RS-232標準串行接口

7、的電氣規(guī)范不一致，因此控制芯片與PC機之間的數(shù)據(jù)通信必須進行電平轉(zhuǎn)換。采用MAX232接口轉(zhuǎn)換芯片可以很好地實現(xiàn)與上位機通信的功能。具體實現(xiàn)如圖5所示。1.5、ADuC848接口、復位、PSEN與雙機擴展各個模塊與MCU的接口連接均由ADuC848的IO和通信口的外圍電路設計完成。供電部分的接口均需接入01F的電容濾波，中斷部分由一個開關和10 k下拉電阻組成，保證在系統(tǒng)中斷電平允許范圍內(nèi)及時響應中斷；MCU自帶的TXD、RXD口分別與RS-232模塊的Tlin、Rlout相連接直接形成串行通信，系統(tǒng)留有8個AD模擬輸入接口(AINlAIN8)供系統(tǒng)擴展。系統(tǒng)的復位電路由按鍵和RC電路完成，系

8、統(tǒng)運行時確保REST口維持在低電平，需要復位時接通RC電路完成指定16個系統(tǒng)時鐘周期的高電平復位。程序下載模式由PSEN口外接lk,下拉電阻完成，當系統(tǒng)處于連續(xù)工作狀態(tài)時PSEN為開路非下載模式；當需要更新系統(tǒng)程序時，只需將PSEN短接至lk電阻后接通復位電路。系統(tǒng)便可以自動進入下載模式等待上位機下載程序。系統(tǒng)的雙機擴展和外圍存儲器接口均由ADuC848的MISO、MOSI、SCLOCK、SS四線制的SPI接口完成。由它們設置主機、從機，并選擇數(shù)據(jù)發(fā)送接收傳輸時鐘，可以完成對存儲器的讀寫和MCU的功能擴展。具體框圖如圖6所示。2、軟件編制與ISP下載本系統(tǒng)的軟件編制和仿真下載均在Keil公司最

9、新推出的Keil uVision3環(huán)境下實現(xiàn)。Keil單片機應用開發(fā)軟件支持多種不同公司的MCS51構(gòu)架的芯片，集編輯、編譯、下載和仿真等于一體；同時還支持PLM、匯編和C語言的程序設計，在調(diào)試程序和軟件仿真方面也有很強大的功能。Keil uVision3支持ADuC8XX系列芯片的開發(fā)和在線下載，簡單易用，能夠滿足系統(tǒng)軟件開發(fā)環(huán)境的需求。系統(tǒng)軟件流程圖如圖7所示，包括兩大主要功能：第一，實現(xiàn)無回放數(shù)據(jù)中斷請求下的數(shù)據(jù)連續(xù)采集、存儲及上傳；第二，實現(xiàn)中斷請求下的數(shù)據(jù)回放上傳。數(shù)據(jù)采集部分的示例代碼具體如下：數(shù)據(jù)存儲器讀取示例代碼如下：ADuC848的P2O連接存儲器的時鐘SCLK，P21連接S

10、I，P22連接SOP23連接CS片選。ISP即系統(tǒng)可編程，指可以對電路印制板上的空白器件編程寫入用戶代碼，而不需要把芯片取下來燒錄再放入系統(tǒng)中，已經(jīng)編程的器件還可以通過ISP方式重新編程和擦除原有程序。ADuC848自帶有ISP方式的串行下載模式，通過TXD、RXD、DVDD、DGND引腳四線制接入RS-232模塊。當PSEN引腳通過一個1 k的下拉電阻至低電平并且把系統(tǒng)復位時，隱藏在芯片內(nèi)部的下載核開始工作，芯片進入串行下載模式，可以對片內(nèi)64 KB Flash可擦寫程序存儲器進行串行在線下載編程。此種方式允許現(xiàn)場軟硬件升級，高效、方便地提升系統(tǒng)功能。3、試驗結(jié)果經(jīng)過系統(tǒng)硬件標定和軟件測試：當外部參考電壓Vref+設置為33lV，Vref-設置為0 V，AD轉(zhuǎn)換模式設置為外部參考電壓、編碼方式為雙極16位編碼、量程范圍為一3389+3389 V，且一路模擬傳感器電壓信號輸入凋理電路為0mV電壓時，轉(zhuǎn)換結(jié)果為0x8000；當信號輸入為456 mv時，被放大為0912V至AD輸入，轉(zhuǎn)換結(jié)果為0xA270；當15mV輸入信號被放大為3 V至AD輸入時，轉(zhuǎn)換結(jié)果為OxFl4B，數(shù)據(jù)及精度完全符合仿真標準。4、結(jié)論 本系統(tǒng)經(jīng)過軟硬件設計、硬件標