單片機(jī)在井下油氣壓力存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)應(yīng)用

ADuC812是美國(guó)ADI(Analog Device Inc)公司生產(chǎn)的高性能單片機(jī)，是全集成的12位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。它在芯片內(nèi)集成了高性能的自校準(zhǔn)多通道ADC（8通道12位高精度）、2個(gè)12位DAC以及可編程的8位MCU（與8051兼容）。片內(nèi)有8kB的閃速/電擦除程序存儲(chǔ)器和在線下載/調(diào)試/編程的功能、640B的閃速/電擦除數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、256B片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器以及與8051兼容的內(nèi)核。另外MCU支持的功能包括看門狗定時(shí)器、電源監(jiān)視器以及ADC DMA功能。同時(shí)為多處理器接口和I/O擴(kuò)展提供了32條可編程的I/O線、與I 2C兼容的串行口、SPI串行接口和標(biāo)準(zhǔn)UART串行接口。MCU內(nèi)核和模擬轉(zhuǎn)換器均有正常、空閑和掉電工作模式，在工業(yè)溫度范圍內(nèi)器件可在3V和5V兩種電壓下工作，提供了適合于低功耗應(yīng)用的靈活的電源管理方案。

2 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和主要特點(diǎn)

ADuC812單片機(jī)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，主要特點(diǎn)如下：


（1）具有高速（200kSPS）8通道12位高精度的ADC，片內(nèi)40×10－6/℃電壓基準(zhǔn)，片內(nèi)集成溫度傳感器。ADuC812單片機(jī)的ADC有三種工作模式：用軟件或通過把轉(zhuǎn)換信號(hào)加至外部引腳 convst可以執(zhí)行單步或連續(xù)轉(zhuǎn)換模式；用定時(shí)器T2產(chǎn)生A/D轉(zhuǎn)換的觸發(fā)信號(hào)執(zhí)行單步或連續(xù)轉(zhuǎn)換模式；配置ADC工作在DMA模式。在DMA模式，ADC連續(xù)采樣并把采樣結(jié)果自動(dòng)寫到預(yù)定的外部 RAM空間，而不需要來自MCU核的任何干預(yù)。這種模式可以實(shí)現(xiàn)200 kSPS高速A/D轉(zhuǎn)換，DMA模式尤其適用于要求高速采樣數(shù)據(jù)流的存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)。

（2）DPP數(shù)據(jù)頁指針可以訪問最大為16MB的大容量外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。ADuC812具有擴(kuò)展64kB的程序存儲(chǔ)器和16MB的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。圖2為擴(kuò)展 16MB數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的接口電路。P0作為分時(shí)復(fù)用的地址/數(shù)據(jù)總線，它先送出數(shù)據(jù)指針的低位字節(jié)（DPL）作為低位地址，由ALE鎖存到低位地址鎖存器，然后給出數(shù)據(jù)（寫操作時(shí)）或變?yōu)楦咦钁B(tài)（讀操作時(shí)），由SRAM把數(shù)據(jù)加載到數(shù)據(jù)總線。P2口在P0口送出數(shù)據(jù)指針的低位字節(jié)的同時(shí)，它送出數(shù)據(jù)指針頁字節(jié)（DPP），并由ALE鎖存到高位地址鎖存器，然后給出數(shù)據(jù)指針的高位字節(jié)（DPH）作為中位地址。當(dāng)P2口沒有外接鎖存器時(shí)，DPP被忽略，ADuC812同8051一樣訪問外部64kB數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。


（3）ADuC812可以工作在低電壓、低功耗的省電模式。它可以在3V或5V電壓下工作，具有正常、空閑和掉電模式。通過軟件可以控制芯片從正常模式切換到空閑模式，也可以切換到掉電（關(guān)閉）模式。在空閑模式下，振蕩器繼續(xù)工作，但不與芯片內(nèi)核接通，芯片上外設(shè)可接收時(shí)鐘信號(hào)并處于激活狀態(tài)。在掉電模式，振蕩器停止工作，所有片上外設(shè)被關(guān)閉，芯片在接收到硬件復(fù)位信號(hào)或重新上電時(shí)，將從掉電模式恢復(fù)到正常工作模式。在掉電模式下，ADuC812消耗的總電流約為5uA。

3 在存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)中的應(yīng)用

由于ADuC812單片機(jī)具有高速高精度ADC轉(zhuǎn)換、靈活的電源管理方案和可訪問大容量外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器等性能，所以在存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)中， ADuC812單片機(jī)為首選。圖3為井下油氣壓力存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)功能圖。該系統(tǒng)由主機(jī)模塊、電源模塊、電源監(jiān)測(cè)模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊和數(shù)據(jù)處理分析模塊組成。主機(jī)模塊為系統(tǒng)核心部分，它由ADuC812單片機(jī)、復(fù)位電路、時(shí)鐘振蕩電路、地址鎖存器和外部RAM芯片組組成。電源模塊是由升壓電路、穩(wěn)壓電路和反饋電路組成。鋰電池組向電源模塊輸入7.2V電壓，電源模塊向數(shù)據(jù)采集模塊輸出+12V電壓和向整個(gè)系統(tǒng)提供+5V穩(wěn)定的工作電壓。電源監(jiān)測(cè)模塊由監(jiān)測(cè)電路和指示電路組成，它不時(shí)地監(jiān)測(cè)電源的輸出，當(dāng)?shù)陀谡７秶鷷r(shí)，及時(shí)通知單片機(jī)保存有關(guān)數(shù)據(jù)，關(guān)閉有關(guān)端口，發(fā)出電源低的指示，系統(tǒng)進(jìn)入掉電工作模式。數(shù)據(jù)采集模塊由量程為0~100MPa的壓力傳感器、校正電路和信號(hào)運(yùn)算放大器組成，完成數(shù)據(jù)的采集、放大功能。數(shù)據(jù)傳輸模塊由專用的PC232接口轉(zhuǎn)換電路組成，這是單片機(jī)與微機(jī)數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ǖ?。?shù)據(jù)處理分析模塊具有數(shù)據(jù)過濾功能、數(shù)據(jù)比較功能、圖表顯示功能、圖表編輯功能、圖表打印功能和自動(dòng)生成測(cè)試報(bào)告功能。


在該存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)中，觸發(fā)點(diǎn)的選擇是關(guān)鍵點(diǎn)，也是系統(tǒng)的技術(shù)難點(diǎn)。深井油氣壓力的測(cè)試要求測(cè)試系統(tǒng)必須在穿甲彈引爆的瞬間能準(zhǔn)確地跟蹤油氣壓力的變化，并實(shí)時(shí)地記錄下該時(shí)段的壓力變化。觸發(fā)點(diǎn)過早地啟動(dòng)，由于受到存儲(chǔ)空間的制約，勢(shì)必丟失一部分實(shí)用數(shù)據(jù)；觸發(fā)點(diǎn)啟動(dòng)滯后，必將丟失引爆瞬間重要的油氣壓力峰值，導(dǎo)致測(cè)試失敗。所以說，在存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)中觸發(fā)點(diǎn)的控制尤為重要（限于篇幅，不詳述）。ADuC812單片機(jī)在采樣時(shí)工作在DMA模式。

4 結(jié)束語

在研制井下油氣壓力存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)的過程中，對(duì)單片機(jī)的選型查閱了大量的中、英文資料，最終選定ADuC812作為該系統(tǒng)的單片機(jī)，它不僅封裝體積小，而且測(cè)試系統(tǒng)所需的高性能硬件和功能幾乎都集成在片內(nèi)，經(jīng)使用系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠。