用SoC的DMA方式記錄井下鉆具的振動(dòng)

　　引言

　　從上個(gè)世紀(jì)九十年代起，電子技術(shù)在鉆井井下得到應(yīng)用。但井下鉆具的振動(dòng)會(huì)給很多傳感器帶來(lái)不利影響。

　　特別是對(duì)測(cè)量井下鉆頭姿態(tài)的慣性導(dǎo)航傳感器影響巨大，在隨鉆振動(dòng)環(huán)境中，如果對(duì)信號(hào)不作處理，根本就不能測(cè)量出正確的井斜角和方位角，也就無(wú)法實(shí)現(xiàn)井眼軌跡隨鉆控制的要求。本文介紹應(yīng)用SoC芯片中的DMA技術(shù)對(duì)振動(dòng)的高速采集和存儲(chǔ)功能的實(shí)現(xiàn)方法，并給出了鉆井環(huán)境中測(cè)試的結(jié)果。

　　方法的提出

　　傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集方法采用CPU直接控制的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)傳送需要經(jīng)過(guò)CPU的中轉(zhuǎn)才能存入存儲(chǔ)器，傳送速度慢且采集速率受到CPU的限制，極大影響了系統(tǒng)的采樣頻率，不能滿足對(duì)振動(dòng)信號(hào)高速采集的要求。而在DMA傳送方式下，數(shù)據(jù)傳送不經(jīng)過(guò)CPU，由DMA控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)內(nèi)存和外設(shè)之間數(shù)據(jù)的直接快速傳送。在XTCS的測(cè)控系統(tǒng)中，CPU采用的SoC芯片中集成有DMA，將其與其它器件協(xié)同工作就可以實(shí)現(xiàn)采集與存儲(chǔ)的同時(shí)進(jìn)行，達(dá)到高速采集信號(hào)的目的，得到高保真的井下振動(dòng)信號(hào)。

　　系統(tǒng)介紹

　　該采集系統(tǒng)以C8051F060 SoC為核心，C8051F060內(nèi)部集成有ADC和DMA。另外，以大容量存儲(chǔ)芯片K9F2808作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 信號(hào)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

　　該系統(tǒng)應(yīng)用于井下相關(guān)信號(hào)的檢測(cè)裝置。由于通過(guò)壓力與振動(dòng)傳感器所采集的壓力和振動(dòng)信號(hào)比較微弱，故還需放大電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)理放大。傳感器的輸出均為模擬信號(hào)，采集數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)受到噪聲的干擾，為了消除噪聲并提高電路的共模抑制比和輸入阻抗，該采集放大電路使用了前置輸入緩沖器三運(yùn)放結(jié)構(gòu)。由于SoC內(nèi)的ADC0只能采集正信號(hào)，因而在經(jīng)過(guò)調(diào)理放大電路后設(shè)有偏置電路，將-5V ~ +5V的電壓轉(zhuǎn)換為0V~+2.5V，以利于信號(hào)的采集。

　　CPU控制多路選擇開(kāi)關(guān)進(jìn)行信號(hào)的采集，然后通過(guò)ADC轉(zhuǎn)換，在DMA的傳送方式下，采集的數(shù)據(jù)直接寫(xiě)入存儲(chǔ)器K9F2808中，在DMA存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的同時(shí)，ADC也一直進(jìn)行采集。經(jīng)軟件測(cè)試，即采用SoC內(nèi)集成的定時(shí)器2記錄采集一頁(yè)512個(gè)字節(jié)所需時(shí)間是1.277ms，而向片外存儲(chǔ)器K9F2808寫(xiě)一頁(yè)數(shù)據(jù)需要0.722ms。ADC采集一頁(yè)的時(shí)間小于DMA向片外寫(xiě)一頁(yè)數(shù)據(jù)的時(shí)間，因而可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)的同時(shí)進(jìn)行，而不會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)覆蓋丟失現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)采集。

　　硬件部分

　　C8051F060單片機(jī)與51系列單片機(jī)內(nèi)核兼容，其內(nèi)部集成有兩個(gè)16位SAR(逐次比較)ADC和一個(gè)DMA功能模塊。片內(nèi)有4352個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、64KB 閃存和64KB的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器接口，可以進(jìn)行系統(tǒng)編程。兩個(gè)SAR ADC的精度為16位，可作為兩個(gè)單端或一個(gè)差分轉(zhuǎn)換器。若采用DMA直接將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到RAM中，就不再需要額外的軟件開(kāi)銷。

　　K9F2808UOC存儲(chǔ)器是NAND結(jié)構(gòu)的超大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器件，在MP3、U盤(pán)、數(shù)碼相機(jī)和PDA中有廣泛的應(yīng)用。其電源電壓為1.7V~3.6V，體積小，功耗低，按頁(yè)進(jìn)行讀寫(xiě)，按塊擦除，通過(guò)I/O口分時(shí)復(fù)用作為命令/地址/數(shù)據(jù)，端口支持實(shí)時(shí)雙向輸入輸出。將閃存的各控制端口與SoC的P3口連接，通用I/O口與SoC的P7口連接，通過(guò)控制SoC口線的輸出，可實(shí)現(xiàn)對(duì)FLASH存儲(chǔ)器的讀、寫(xiě)、擦除操作。圖2為芯片的接口電路圖。

圖2 芯片接口電路圖

　　A/D轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

　　C8051F060的ADC子系統(tǒng)中集成了跟蹤保持電路、可編程窗口檢測(cè)器和DMA接口。這兩個(gè)ADC可以被配置為兩個(gè)獨(dú)立的單端方式ADC或組成一個(gè)差分對(duì)。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方式、窗口檢測(cè)器和DMA接口都可用軟件特殊功能寄存器來(lái)控制。ADC控制寄存器ADCnCN中的ADnEN位被置為邏輯1時(shí)ADCn被使能。該系統(tǒng)選用的ADC0有4種轉(zhuǎn)換啟動(dòng)方式，由ADC0CN中的ADC0啟動(dòng)轉(zhuǎn)換方式位(AD0CM1，AD0CM0)的狀態(tài)決定。該測(cè)控系統(tǒng)軟件采用定時(shí)器3溢出進(jìn)行定時(shí)的連續(xù)轉(zhuǎn)換采集。將ADC初始化后，定時(shí)器3溢出一次ADC就自動(dòng)采集一次。當(dāng)采集完一頁(yè)的數(shù)據(jù)后，在DMA傳送方式下，采集的數(shù)據(jù)直接存儲(chǔ)到片外的閃存存儲(chǔ)器K9F2808中，并對(duì)該芯片進(jìn)行讀、寫(xiě)及擦除。