陳光建楊佐新羅學(xué)東羅建強吳長潤張金海顧秀紅

(1.中國石油集團測井有限公司裝備與銷售分公司 陜西西安)(2.中國石油集團測井有限公司華北事業(yè)部 河北任丘) (3.中國石油渤海鉆探國際工程公司 天津)

基于單片機W77IE58的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計

陳光建1楊佐新1羅學(xué)東1羅建強1吳長潤2張金海3顧秀紅2

(1.中國石油集團測井有限公司裝備與銷售分公司 陜西西安)(2.中國石油集團測井有限公司華北事業(yè)部 河北任丘) (3.中國石油渤海鉆探國際工程公司 天津)

采用單片機W77IE58和2個模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片MAX197組成的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),通過CTGC5301遙傳短節(jié)、電纜通訊,實現(xiàn)了DTB三總線與EILog地面測井系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換。一次下井,快速、準(zhǔn)確、取全集成化常規(guī)測井9條曲線。用DTB總線聯(lián)結(jié)井下儀器與遙傳短節(jié)之間的通訊,使得能掛接在DTB總線上的下井儀器,均可與電纜遙測短節(jié)組合,大大提高了整個系統(tǒng)的通用性,使EILog測井系統(tǒng)具有較好的開發(fā)擴展功能。

EILog測井系統(tǒng);DTB;W77IE58

0 引 言

EILog(Express and Image Logging System)測井系統(tǒng)是中國石油測井有限公司研制的具有完全知識產(chǎn)權(quán),填補了國內(nèi)成像測井空白,達到國際先進水平的快速成像測井裝備。

采用單片機W77IE58和2個MAX197組成的多通道數(shù)據(jù)采集,能夠同時采集連斜模擬量(6路傳感器)、電極系(3路)、微電極(2路)以及X-Y井徑(2路)等信號,極大的提高了測井效率。DTB總線的引入則解決了數(shù)據(jù)高速傳輸以及儀器通用性的瓶頸。模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片MAX197是Maxim公司推出的具有12位測量精度的高速A/D轉(zhuǎn)換芯片,只需單一電源供電,且轉(zhuǎn)換時間很短(6 ms),具有8路輸入通道,還提供了標(biāo)準(zhǔn)的并行接口——8位三態(tài)數(shù)據(jù)I/O口,可以和大部分單片機接口直接通訊,使用十分方便。增強型51系列單片機W77IE58可與標(biāo)準(zhǔn)的8052兼容,它內(nèi)含4個8位I/O口、3個16位計數(shù)器和全雙工串行通信接口。由于W77IE58對處理器內(nèi)核進行了重新設(shè)計,因而其性能較之于標(biāo)準(zhǔn)的8052有了很大提高。

1 DTB總線接口電路設(shè)計

單片機循環(huán)采集的傳感器量值經(jīng)過軟件濾波,將結(jié)果存放到緩沖區(qū)中,如圖1所示。上位機每80 ms通過DTB總線發(fā)送一個讀取數(shù)據(jù)的信號(GO信號),經(jīng)過電路轉(zhuǎn)換為單片機中斷信號,單片機調(diào)用中斷子程序?qū)?shù)據(jù)通過DTB總線發(fā)送至遙傳短節(jié)。

圖1 總體原理

DTB是同軸電纜,它的作用是在遙傳短節(jié)與總線相連的儀器之間傳送數(shù)據(jù)。這3根線是DSIGNAL線、UCLK線和UDATA/GO線。其中DSIGNAL線用來向井下發(fā)送命令,UDATA/GO為雙向信號,井下儀器通過此線將向上數(shù)據(jù)送往遙傳短節(jié),而遙傳短節(jié)向下送GO脈沖(或稱準(zhǔn)備脈沖)到井下儀器。GO脈沖使井下所有的儀器復(fù)位并通知井下儀為傳送新的數(shù)據(jù)做好準(zhǔn)備。每組UDATA/GO信號包括一個向下寬度20 μs、幅度+3.6 V的GO信號和一串向上的UDATA信號,UDATA信號由+1.2 V代表邏輯1,0 V代表邏輯0,并與100 kbit/s的UCLK時鐘信號同步,UDATA信號在GO脈沖后至少320μs;UDATA信號包含了該儀器所有的上傳信息。UCLK時鐘為遙傳短節(jié)發(fā)出的向下的同步時鐘[1]。

DTB總線與單片機W77IE58通訊需要有專門的接口電路如圖2所示。DTB控制電路主要功能是地址識別、上位機控制命令解析(產(chǎn)生控制信號)、接受數(shù)據(jù)讀取信號和上傳數(shù)據(jù)處理邏輯電路主要實現(xiàn)串行(UDATA)與并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、單片機信號/地址處理、同步時鐘產(chǎn)生等功能。

圖2 DTB接口電路

2 數(shù)據(jù)采集與處理

模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片MAX197的12位數(shù)據(jù)采集僅要求單一+5 V電源工作,但在其模擬輸入端可以接受幅度高于電源電壓和低于地的信號。一片可提供8個模擬量輸入通道,可以獨立由軟件編程得到多種輸入范圍:±5 V,±10 V,0～+10 V,0～+5 V。此器件的過壓容限是±16.5 V,任何通道故障將不影響選定通道的變化結(jié)果。此外,器件具有100 k的采樣速率,軟件可選定內(nèi)部或者外部時鐘與采集控制,有8+4并行接口,以及內(nèi)置4.096 V或者外部基準(zhǔn)電壓等特點。

MAX197使用標(biāo)準(zhǔn)的微處理器接口,如圖3所示,3數(shù)據(jù)I/O口配置與8位數(shù)據(jù)縱向一起工作,數(shù)據(jù)存取和總線釋放的定時性能指標(biāo)與大多數(shù)通信微處理器兼容[2]。

圖3 接口工作流程圖

2.1 接口電路設(shè)計

圖4 接口電路圖

接口電路如圖4所示,由U1(W77IE58)、U2、U3(2個MAX197)以及電阻電容,R2、R5為100 K可調(diào)電阻,功能是調(diào)整MAX197的參考電壓。MAX197所有的輸入輸出邏輯均與TTL/CMOS電平兼容,所以與微處理器之間的電路連接比較簡單。,數(shù)據(jù)接口(D0-D7)直接連接到W77IE58的P0口,為提高可靠性,可在P0口上加47 k上拉電阻。讀寫控制口WR及RD直接接在單片機W77IE58的讀寫控制引腳。片選控制接口(CS)、數(shù)據(jù)總線控制口(HBEN)以及轉(zhuǎn)換狀態(tài)數(shù)據(jù)接口(INT)分別接入U1-28、U2-5、U2-24口。為提高變換精度和溫度性能,本設(shè)計采用外部電壓基準(zhǔn)。模擬信號經(jīng)過低通濾波電路后,輸入到轉(zhuǎn)換通道。

2.2 控制軟件設(shè)計

MAX197的通道選擇、時鐘/掉電方式選擇、采集控制、以及電壓基準(zhǔn)的選擇都是由軟件編程控制,程序的錯誤會直接導(dǎo)致系統(tǒng)不能工作。

2.2.1 MAX197的地址

CS腳是標(biāo)準(zhǔn)的片選信號,它使得微處理器能夠把MAX197作為一個I/O口來尋址。在本設(shè)計中用P2.7口來控制。

ADRR=0X7FFF;

XBYTE[ADRR]=0x48+i;

其中ADRR為MAX197的地址,本設(shè)計中只要最高位為0即可,其他根據(jù)系統(tǒng)中I/O地址的使用情況具體設(shè)置。

sbit P27=P2.7;

P27=0;

上面兩種方式都可以選擇MAX197。不同的是第一種方法會產(chǎn)生一個信號,從而啟動AD轉(zhuǎn)換。

2.2.2 MAX197的控制字以及輸出數(shù)據(jù)格式

在寫周期中,引腳D7-D0上的控制字會鎖存入器件中。上面提到的第一種選通MAX197的方法中就是向MAX197中寫入一個控制字(其值為0x48+i)。控制字具體功能如表1所示。

表1 控制字功能表

本設(shè)計中,采用內(nèi)部時鐘,并且讓系統(tǒng)處于循環(huán)采集狀態(tài),故不需要用掉電的方式節(jié)能。因此D7D6設(shè)置為01。選擇內(nèi)部控制采集,滿度為10 V雙極性(即±5 V)。故控制字為0x48+i,其中i為通道選擇。

在單極性方式下,輸出數(shù)據(jù)為二進制數(shù)。在雙極性方式下其格式為補碼形式的二進制數(shù)。讀數(shù)據(jù)時CS和RD必須同時為低電平。當(dāng)HBEN=0時,數(shù)據(jù)總線上輸出為低8位數(shù)據(jù);當(dāng)HBEN=1時,數(shù)據(jù)總線上的低4位輸出轉(zhuǎn)換結(jié)果的高4位數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)總線的高4位輸出轉(zhuǎn)換結(jié)果的符號(當(dāng)為單極性方式時總線數(shù)據(jù)為0)。

2.2.3 MAX197采集過程的編程

配置好控制字后,就可以開始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。其流程如圖5。

根據(jù)需要,控制字設(shè)置為0x48。因為是內(nèi)部控制采集,所以只要一個寫信號即可以開始一個轉(zhuǎn)換過程[3]。在程序的開始作如下配置(初始化):

sbit STA=P1.5;//狀態(tài)指示位

sbit CS=P2.7;//片選

圖5 MAX197采集流程圖

sbit DS=P1.6;//數(shù)據(jù)總線控制位

AD采集過程如下:

unsigned char i;//

union{int a;uchar b[2];}indata;//聯(lián)合,把兩個單字節(jié)數(shù)合成一個整形

int res[8];//存放采集結(jié)果

for(i=0;i＜7;i++)

{

STA=1;//先清一下標(biāo)志位

CS=0;//可以不要,下面的語句也可以選通MAX197

XBYTE[0x7ff]=0x48+i;//選擇通道i,寫入控制字,啟動轉(zhuǎn)換

while(STA);//等待轉(zhuǎn)換結(jié)束,STA=0則跳出

DS=0;

indata.b[1]=XBYTE[0x7ff];//讀取低8位數(shù)據(jù)

DS=1;

indata.b[1]=XBYTE[0x7ff];//讀取高4位數(shù)據(jù)

res[i]=indata.a;

}

3 結(jié)束語

該設(shè)計已應(yīng)用于儀器中,并已經(jīng)生產(chǎn)制造儀器236支,不僅在中國石油集團測井有限公司大規(guī)模推廣,而且開始向大慶、遼河、吉林油田和中海油等市場推廣,已測井1.2萬多口,時效提高30%。采用單片機W77IE58和MAX197搭建數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng),數(shù)據(jù)采集精度高,電路簡單可靠,穩(wěn)定性高,可在井下連續(xù)長時間工作。該儀器設(shè)計講究功能組合化、線路集成化、結(jié)構(gòu)模塊化,增加了井下儀器組合功能,提高了儀器可靠性,提高了測井時效和測量精度,技術(shù)水平處于國內(nèi)領(lǐng)先地位,提升了中國石油測井服務(wù)的水平和競爭力。

[1] EILog TM成套測井裝備培訓(xùn)手冊.中國石油集團測井有限公司.2006(資料)

[2] 石東海.單片機數(shù)據(jù)通信技術(shù)[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2003(資料)

[3] 王幸之.AT89系列單片機原理與接口技術(shù)[M].北京:航空航天大學(xué)出版社,2005(資料)

TP368.1

B

1004-9134(2010)06-0066-03

陳光建,男,1977年生,工程師,2001年畢業(yè)于西南石油學(xué)院,現(xiàn)在中國石油集團測井有限公司從事測井儀器研發(fā)工作。郵編:710077

2010-07-22編輯:劉雅銘)