基于ADuC848的鉆井壓力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

　　引 言

　　目前國(guó)內(nèi)的隨鉆測(cè)量鉆井壓力工具大部分是引進(jìn)國(guó)外設(shè)備，成本高、維修困難。已經(jīng)使用的國(guó)內(nèi)設(shè)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(kāi)發(fā)了一個(gè)基于ADuC848微控制器的、可擴(kuò)展采集通道的鉆井壓力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。ADuC848是美國(guó)ADI公司最新推出的一款具有軍品標(biāo)準(zhǔn)，單片最多可帶8路模擬信號(hào)輸入轉(zhuǎn)換通道，擴(kuò)展主機(jī)/從機(jī)模式最多可達(dá)16路模擬輸入通道的微控制器。它具有單16位高精度A/D轉(zhuǎn)換器、16位無(wú)差錯(cuò)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(xiàn)高速下載編程，另外還有24個(gè)I/O口、11個(gè)中斷源(2個(gè)優(yōu)先級(jí))、雙數(shù)據(jù)指針、內(nèi)部節(jié)電模式、12位D/A轉(zhuǎn)換器，以及UART、SPI和I2C串行通信模式、看門(mén)狗定時(shí)器WDT和電源監(jiān)視器PSW等。ADuC848芯片的52引腳MQFP封裝僅為14 mm×14 mm，最高工作溫度為125℃，正常工作最大電流為4.8 mA且節(jié)電模式最大電流為20μA。所以ADuC848特別適用于開(kāi)發(fā)在高溫惡劣環(huán)境下長(zhǎng)時(shí)問(wèn)作業(yè)的小型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

　　1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)主要分為5個(gè)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(biāo)準(zhǔn)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(shè)計(jì)總體框圖如圖l所示。

　　1.1 模擬信號(hào)輸入調(diào)理模塊

　　此模塊主要實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力傳感器輸入信號(hào)的放大、濾波功能。前端信號(hào)放大部分應(yīng)用高精度、零漂移的AD8230軌至軌儀表運(yùn)算放大器，經(jīng)過(guò)電阻測(cè)算標(biāo)定為放大增益200倍。放大后的信號(hào)經(jīng)由一個(gè)OP07D運(yùn)算放大器濾波輸入至ADuC8d8模擬通道進(jìn)行采集。鉆壓輸入信號(hào)一般為O～15mV，經(jīng)過(guò)放大濾波后輸出至A/D采集的信號(hào)為0～3 V。AD8230的工作溫度范圍為一40℃～125℃，最大漂移電壓儀為lOμV，最大溫漂也僅為50 nV/℃。本系統(tǒng)由于試驗(yàn)需要僅對(duì)一路模擬信號(hào)進(jìn)行放大，并留有擴(kuò)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9～12 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(duì)9V的電源進(jìn)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(xiàn)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3.2～12 V，可以解決由于外部電壓不足而導(dǎo)致系統(tǒng)無(wú)法正常工作的問(wèn)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(yīng)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1.8Ω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(duì)數(shù)字器件的干擾。而模擬地和數(shù)字地也需要經(jīng)過(guò)0Ω的電阻進(jìn)行濾波才可以連接到一起，以便減小干擾，尤其是對(duì)精度高的數(shù)字器件應(yīng)用時(shí)更應(yīng)該注意這點(diǎn)。原理圖如圖3所示。

　　1.3 SPI數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)模塊

　　按照系統(tǒng)的要求需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的存儲(chǔ)，采用ADuC848微控制器自帶的SPI接口對(duì)外部Flash芯片進(jìn)行讀寫(xiě)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)回放功能。考慮到鉆井作業(yè)的特殊性，單次施工連續(xù)工作在100h以?xún)?nèi)，按每秒采集5組16位數(shù)據(jù)計(jì)算，單片F(xiàn)lash的容量至少應(yīng)在6.86 MB以上，因此本系統(tǒng)采用了AT45DB542D(簡(jiǎn)稱(chēng)AT45D)的64 Mb串行SPI存儲(chǔ)器。浚Flash芯片存儲(chǔ)容量大，高速讀寫(xiě)可至66 MHz，10 mA低功率串行工作，可擦寫(xiě)10萬(wàn)次，保存數(shù)據(jù)可達(dá)10年。可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況多片組合最大至256 Mb以完全滿(mǎn)足大量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的需要。本系統(tǒng)采用單片存儲(chǔ)器完成試驗(yàn)。原理圖如圖4所示。

　　1.4 上位機(jī)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(shè)置為9 600 bps。微控制器的輸入/輸出電平為T(mén)TL電平，即UART串口，與PC機(jī)RS-232標(biāo)準(zhǔn)串行接口的電氣規(guī)范不一致，因此控制芯片與PC機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信必須進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。采用MAX232接口轉(zhuǎn)換芯片可以很好地實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)通信的功能。具體實(shí)現(xiàn)如圖5所示。

　　1.5 ADuC848接口、復(fù)位、PSEN與雙機(jī)擴(kuò)展

　　各個(gè)模塊與MCU的接口連接均由ADuC848的I/O和通信口的外圍電路設(shè)計(jì)完成。供電部分的接口均需接入0.1μF的電容濾波，中斷部分由一個(gè)開(kāi)關(guān)和10 kΩ下拉電阻組成，保證在系統(tǒng)中斷電平允許范圍內(nèi)及時(shí)響應(yīng)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(gè)A/D模擬輸入接口(AINl～AIN8)供系統(tǒng)擴(kuò)展。系統(tǒng)的復(fù)位電路由按鍵和RC電路完成，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)確保REST口維持在低電平，需要復(fù)位時(shí)接通RC電路完成指定16個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期的高電平復(fù)位。程序下載模式由PSEN口外接lkΩ,下拉電阻完成，當(dāng)系統(tǒng)處于連續(xù)工作狀態(tài)時(shí)PSEN為開(kāi)路非下載模式;當(dāng)需要更新系統(tǒng)程序時(shí)，只需將PSEN短接至lkΩ電阻后接通復(fù)位電路。系統(tǒng)便可以自動(dòng)進(jìn)入下載模式等待上位機(jī)下載程序。系統(tǒng)的雙機(jī)擴(kuò)展和外圍存儲(chǔ)器接口均由ADuC848的MISO、MOSI、SCLOCK、SS四線(xiàn)制的SPI接口完成。由它們?cè)O(shè)置主機(jī)、從機(jī)，并選擇數(shù)據(jù)發(fā)送/接收傳輸時(shí)鐘，可以完成對(duì)存儲(chǔ)器的讀寫(xiě)和MCU的功能擴(kuò)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公司最新推出的Keil uVision3環(huán)境下實(shí)現(xiàn)。Keil單片機(jī)應(yīng)用開(kāi)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(shí)還支持PLM、匯編和C語(yǔ)言的程序設(shè)計(jì)，在調(diào)試程序和軟件仿真方面也有很強(qiáng)大的功能。Keil uVision3支持ADuC8XX系列芯片的開(kāi)發(fā)和在線(xiàn)下載，簡(jiǎn)單易用，能夠滿(mǎn)足系統(tǒng)軟件開(kāi)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(shí)現(xiàn)無(wú)回放數(shù)據(jù)中斷請(qǐng)求下的數(shù)據(jù)連續(xù)采集、存儲(chǔ)及上傳;第二，實(shí)現(xiàn)中斷請(qǐng)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(chǔ)器讀取示例代碼如下：

　　ADuC848的P2.O連接存儲(chǔ)器的時(shí)鐘SCLK，P2.1連接SI，P2.2連接SO.P2.3連接CS片選。

　　ISP即系統(tǒng)可編程，指可以對(duì)電路印制板上的空白器件編程寫(xiě)入用戶(hù)代碼，而不需要把芯片取下來(lái)燒錄再放入系統(tǒng)中，已經(jīng)編程的器件還可以通過(guò)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(guò)TXD、RXD、DVDD、DGND引腳四線(xiàn)制接入RS-232模塊。當(dāng)PSEN引腳通過(guò)一個(gè)1 kΩ的下拉電阻至低電平并且把系統(tǒng)復(fù)位時(shí)，隱藏在芯片內(nèi)部的下載核開(kāi)始工作，芯片進(jìn)入串行下載模式，可以對(duì)片內(nèi)64 KB Flash可擦寫(xiě)程序存儲(chǔ)器進(jìn)行串行在線(xiàn)下載編程。此種方式允許現(xiàn)場(chǎng)軟硬件升級(jí)，高效、方便地提升系統(tǒng)功能。

　　3 試驗(yàn)結(jié)果

　　經(jīng)過(guò)系統(tǒng)硬件標(biāo)定和軟件測(cè)試：當(dāng)外部參考電壓Vref+設(shè)置為3.3lV，Vref-設(shè)置為0 V，A/D轉(zhuǎn)換模式設(shè)置為外部參考電壓、編碼方式為雙極16位編碼、量程范圍為一3.389～+3.389 V，且一路模擬傳感器電壓信號(hào)輸入凋理電路為0mV電壓時(shí)，轉(zhuǎn)換結(jié)果為0x8000;當(dāng)信號(hào)輸入為4.56 mv時(shí)，被放大為0.912V至A/D輸入，轉(zhuǎn)換結(jié)果為0xA270;當(dāng)15mV輸入信號(hào)被放大為3 V至A/D輸入時(shí)，轉(zhuǎn)換結(jié)果為OxFl4B，數(shù)據(jù)及精度完全符合仿真標(biāo)準(zhǔn)。

　　4 結(jié)論

　　本系統(tǒng)經(jīng)過(guò)軟硬件設(shè)計(jì)、硬件標(biāo)定和軟件測(cè)試等一系列過(guò)程，達(dá)到了預(yù)期的高精度數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、傳輸?shù)哪康?。系統(tǒng)體積小，僅為78 mm×22 mm×14 mm，若去掉調(diào)試所需的接口、跳線(xiàn)、復(fù)位和調(diào)理電路標(biāo)定電阻部分，體積可減小至50 mm×20 mm×6 mm;耐高溫、運(yùn)行穩(wěn)定、功耗低，經(jīng)測(cè)算本系統(tǒng)的功耗僅為562.48 mW，如果經(jīng)過(guò)改進(jìn)，本系統(tǒng)的功耗還可以降到400 mW以下。