基于ADuC848的鉆井壓力數據采集系統(tǒng)

　　引 言

　　目前國內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。已經使用的國內設備在體積、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據采集系統(tǒng)。ADuC848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A/D轉換器、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I/O口、11個中斷源(2個優(yōu)先級)、雙數據指針、內部節(jié)電模式、12位D/A轉換器，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 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特別適用于開發(fā)在高溫惡劣環(huán)境下長時問作業(yè)的小型數據采集系統(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公司的模擬和數字軍用標準產品，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 模擬信號輸入調理模塊

　　此模塊主要實現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，經過電阻測算標定為放大增益200倍。放大后的信號經由一個OP07D運算放大器濾波輸入至ADuC8d8模擬通道進行采集。鉆壓輸入信號一般為O～15mV，經過放大濾波后輸出至A/D采集的信號為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3.2～12 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字器件兩部分，因此相應地分為模擬和數字供電。整流輸出的5V供電經l00mH的電感和1.8Ω的電阻分別為模擬電源和數字電源供電，這樣可以大大降低供電對數字器件的干擾。而模擬地和數字地也需要經過0Ω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數據實時存儲模塊

　　按照系統(tǒng)的要求需要對數據進行實時的存儲，采用ADuC848微控制器自帶的SPI接口對外部Flash芯片進行讀寫，實現數據回放功能?？紤]到鉆井作業(yè)的特殊性，單次施工連續(xù)工作在100h以內，按每秒采集5組16位數據計算，單片Flash的容量至少應在6.86 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，保存數據可達10年?？梢愿鶕F場的實際情況多片組合最大至256 Mb以完全滿足大量數據存儲的需要。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

　　采集數據的上傳接口采用的是RS-232串行通信模式，收發(fā)數據波特率設置為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標準串行接口的電氣規(guī)范不一致，因此控制芯片與PC機之間的數據通信必須進行電平轉換。采用MAX232接口轉換芯片可以很好地實現與上位機通信的功能。具體實現如圖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I/O和通信口的外圍電路設計完成。供電部分的接口均需接入0.1μF的電容濾波，中斷部分由一個開關和10 kΩ下拉電阻組成，保證在系統(tǒng)中斷電平允許范圍內及時響應中斷;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A/D模擬輸入接口(AINl～AIN8)供系統(tǒng)擴展。系統(tǒng)的復位電路由按鍵和RC電路完成，系統(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lkΩ,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lkΩ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，并選擇數據發(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公司最新推出的Keil uVision3環(huán)境下實現。Keil單片機應用開發(fā)軟件支持多種不同公司的MCS51構架的芯片，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，實現無回放數據中斷請求下的數據連續(xù)采集、存儲及上傳;第二，實現中斷請求下的數據回放上傳。

　　數據采集部分的示例代碼具體如下：

　　數據存儲器讀取示例代碼如下：

　　ADuC848的P2.O連接存儲器的時鐘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 kΩ的下拉電阻至低電平并且把系統(tǒng)復位時，隱藏在芯片內部的下載核開始工作，芯片進入串行下載模式，可以對片內64 KB Flash可擦寫程序存儲器進行串行在線下載編程。此種方式允許現場軟硬件升級，高效、方便地提升系統(tǒng)功能。

　　3 試驗結果

　　經過系統(tǒng)硬件標定和軟件測試：當外部參考電壓Vref+設置為3.3lV，Vref-設置為0 V，A/D轉換模式設置為外部參考電壓、編碼方式為雙極16位編碼、量程范圍為一3.389～+3.389 V，且一路模擬傳感器電壓信號輸入凋理電路為0mV電壓時，轉換結果為0x8000;當信號輸入為4.56 mv時，被放大為0.912V至A/D輸入，轉換結果為0xA270;當15mV輸入信號被放大為3 V至A/D輸入時，轉換結果為OxFl4B，數據及精度完全符合仿真標準。

　　4 結論

　　本系統(tǒng)經過軟硬件設計、硬件標定和軟件測試等一系列過程，達到了預期的高精度數據采集、存儲、傳輸的目的。系統(tǒng)體積小，僅為78 mm×22 mm×14 mm，若去掉調試所需的接口、跳線、復位和調理電路標定電阻部分，體積可減小至50 mm×20 mm×6 mm;耐高溫、運行穩(wěn)定、功耗低，經測算本系統(tǒng)的功耗僅為562.48 mW，如果經過改進，本系統(tǒng)的功耗還可以降到400 mW以下。