（控制理论与控制工程专业论文）基于光纤传感器的油井多相流计量方法研究.pdf

西北工业大学硕士学位论文 摘要 摘要 在油田生产中，实时获取井下多相流数据，对于优化采油工艺，特别是对 于成本高昂的深水油井开发具有重要价值。针对这种需求，提出了一种基于光 纤传感器的多相流计量技术，根据多相流体光折射率的变化推算出各组分的比 例，无需对多相流进行分离就可以实现对原油品质的实时判别，从而达到快速 修j 下采油工艺的目的。 论文中主要讨论了以d s p 芯片为核心的多相流量计信号处理及数据记录电 路的设计、几种应用于该种多相流量计的光纤传感器的设计、传感器信号变送 传输电路设计、以及多相流组分与光折射率关系的推算，并设计油井管道模型模 拟多相流体的流动，在此基础上通过试验初步分析和验证了这种计量技术的可 行性。 关键词： 多相流量计 数字信号处理器 光纤传感器 折射率 实时判别 墨苎兰：三兰苎兰塑主兰堡垒圭 垒! ! ! ! 竺! a b s t r a c t i nt h eo i li n d u s t r y , r e a l t i m eg a i n i n gt h ed a t ao fm u l t i p h a s e f l o wi sv e r yi m p o r t a n t t o o p t i m i z e o i le x t r a c t i na l l u s i o nt ot h er e q u i r e m e n t ，an e wm u l t i p h a s e f l o w m e a s u r i n gt e c h n o l o g yb a s e do n t h eo p t i c - f i b e rs e n s o r si sc o n s i d e r e d 。p r o p o r t i o no f c o m p o n e n t s c a r lb eo b t a i n e db y m e a s u r i n gm u l t i p h a s e f l o w so p t i cr e f r a c t i v ei n d e x r e a l t i m ed i s t i n g u i s h i n go i lq u a l i t yw i l lb er e a l i z e d ，w i t h o u tt h en e e dt os e p a r a t eo u t i n d i v i d u a lp h a s ec o m p o n e n t s i nt h i sa r t i c l e ，t h ef o l l o w i n gi sd i s c u s s e d ：t h er e a l i z a t i o no fs i g n a lp r o c e s s i n ga n d d a t al o g g i n gc i r c u i t ，t h ed e s i g no f o p t i c - f i b e rs e n s o r sa n du n d e r - w e l ls i n g l et r a n s f e r c i r c u i t al a b o r a t o f i a lm o d e li sb u i l tt os i m u l a t em u l t i p h a s e f l o wm e t e r sw o r k i n g c o n d i t i o n f i n a l l y , f e a s i b i l i t yo f t h et e c h n i c a li sp r o v e nb ys o m e e x a m i n a t i o n s k e y w o r d s m u l t i p h a s e f l o wm e t e r s d s p o p t i c f i b e rs e n s o r r e 丘a c t i v ei n d e x r e a l - t i m ed i s t i n g u i s h i i 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 论文背景 第一章绪论 1 1 1 课题来源、背景和意义 本课题来源于横向技术合作项目，旨在研制一种基于光纤传感器且可以实 时判别原油品质的新型多相流量计，第一时间获得刚从地下采集至地面的原油 所含油、气、水各相比例的数据，从而实现快速修正采油工艺的目的。 在原油开采过程中，采油工艺是决定一口油井是否能长期稳产的关键。油 井一旦启用生产，就必须定期的进行生产测井，由测井仪器下井检测各油层出 油状态，再根据地质油藏的不同实施相应的采油工艺，因此预先设定的采油工 艺需要随着实际出油的状态的变化而随时改变。传统的方法是进行室内化学分 析，提取刚开采的石油样本分析原油品质，再根据这些结果修正现有的采油工 艺。采样分析过程需要耗费一定的时间，而且原油中的羟类气体( 包括溶解气) 在此期间会不断挥发，因此利用滞后的分析数据制定采油工艺显然准确性不高， 实时陛差，生产中急需要一种在线测试传感器，完成实时检测。 本课题研制的新型多相流量计利用光折射率调制的原理，将光纤传感器装 在油井的出口，可以在线测量多相流体油气水比例和流速四个参数，从而达到 实时判别原油品质、快速修正采油工艺的目的。并且具有成本低、体积小、安 全性高等优点，市场前景广阔。因此本课题具有重要的研究意义和实用价值。 1 1 2 多相流量计的发展状况与应用前景 原油从几千米深的油井中喷出，很少是单的液态或者气态的碳氢化合物， 大多为多相混合流。操作油田开发就必须掌握单口油井的产量，当然这包括每 口油井的产油量及其中含气量和含水量。为了确切获得这些动态信息，目前大 多数油井的传统做法是采用卫星式计量站方式，通过管道汇总切换，巡回检查 每口油井，经计量分离器分离成油相、水相和气相，采用各单相测量仪表或装 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 置获得三组分的各自含量，然后再混合输送到泵站进行生产处理。如果能开发 出一种多相流测量装置，不需要分离，直接获得油气水三组分各自含量，这对 油田传统的工艺设计来说将是一场重大的革新。 多相流计量技术就是将一种多相流量计直接安装在油气集输管线上，采用 先进的测量技术，对油、气、水三相在不分离情况下进行连续、在线和自动计 量，从而可以取代传统的由测试分离器及其辅助系统组成的计量装置，简化油 气生产工艺流程，降低投资，减少操作成本。2 0 世纪9 0 年代，随着沙漠、海 洋、极地恶劣环境条件下的油气嘲开发，投资规模成倍增加，同时计算机计量 技术也得到飞速发展，这就刺激了多相流计量新技术的开发与研究。近年来美 国、英国、挪威和俄罗斯等国的一些大石油公司相继投资研制开发了多种类型 的多相流量计，且有些已获商业性应用。 多相流量计作为测试分离器的替代产品具有以下特点： ( 1 ) 可对油气水三相进行连续、在线自动测量，实现无人值守： ( 2 ) 质量轻，结构紧凑，占地面积小，特别适用于海上平台计量； ( 3 ) 大多数多相流量计由传感器和探测器组成，无可动部件，不需要维护； ( 4 ) 对介质无其他要求，只要介质能够流动即可使用。 多相流量计的应用呈逐年增加的趋势。国外早期开发多相流量计的主要目 的是为了大幅度降低近海油田的开发成本。从实际使用效果来看，多相流量计 应用于海底的经济效益远大于陆上和海上平台，因为海底多相流量计可以更大 幅度的降低油田开发成本。但实际上海底应用多相流量计迟于陆上和海上平台， 数量也少，原因是多方面的。主要是海底多相流量计的价格、安装成本、操作 和实效维护成本比较高，大大增加了其应用的风险程度，同时海底应用要求多 相流量计质量更加可靠，应用也比较谨慎。但应用前景比较乐观，至1 9 9 7 年， 海底应用的多相流量计达2 2 台，比1 9 9 6 年增加了3 倍 8 1 。 目前所有的多相流量计采用的技术都有各自的长处与不足，从大量的试验 数据分析，没有一种多相流量计能在所有流量组分和流态条件下对多相流准确 计量。从目前多相流量计技术现状和多相流量计的试验数据分析可知，未来的 每种多相流量计只能覆盖某一特定区域，比如说高含水井和高含气井可能就需 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 要不同类型的多相流量计。在适合的流态条件和流量、组分范围内，多相流量 计所能达到的各单相流量的计算准确度为9 0 8 5 。 总的来看，多相流量计正处在研究和开发应用的发展阶段，但可以预计多 相流量计在沙漠和海上等工作条件恶劣的油井生产中将有很好的应用前景，应 该加速在这方面的研究。 1 1 3 光纤传感技术的发展 光纤传感技术是伴随着光导纤维和光通讯技术的发展而逐步形成的，是本 世纪7 0 年代末发展起来的一门崭新的技术。 在光通讯系统中，光纤被用作远距离传输光波信号的媒质。但是，在实际 应用过程中，光纤易受外界环境因素的影响，如温度、压力、电场、磁场等环 境条件的变化将引起光强度、相位、频率、偏振态等光波量的变化。因此，人 们发现如果能测出光波量的变化，就可以知道导致这些光波量变化的温度、压 力、电场、磁场等物理量的大小，于是出现了光纤传感技术。 光纤传感器与传统的各类传感器相比有一系列独特的优点。主要优点有： 灵敏度高、抗电磁干扰、耐腐蚀、电绝缘性好、防爆、光路可扰曲，以及便于 与计算机连接，便于与光纤传输系统组成遥测网络等；还有结构简单、体积小、 重量轻、耗电少等优点。因此，它一出现就受到世界各国有关学术界和研究机 构的高度重视。 光纤传感器是利用被测量对光纤内传输的光进行调制，使传输光的强度、 相位、频率或偏振态等特性发生变化，再通过对被调制过的光信号进行检测， 从而得出被测量的一种新型传感嚣。光纤传感器一般可分为两大类：一类是功 能型传感器( f u n c t i o nf i b r eo p t i cs e n s o r ) ，另一类是非功能型传感器 ( n o n - f u n c t i o nf i b r eo p t i cs e n s o r ) 。前者是利用光纤本身的特性把光纤作为敏 感元件，所以又叫传感型光纤传感器；后者是利用其他敏感元件感受被测量的 变化，光纤仅作为光的传输介质，传输来自远处或难以接近场所的光信号，因 此也称为传光型光纤传感器或混合型光纤传感器。 根据对光进行调制的手段不同，光纤传感器按工作原理可分为强度调制、 西北工业是学硕士学位论文 第一章绪论 相位调制、频率调制、偏振调制、波长调制等类型。 在光纤中传输的光波可用如下形式的方程描述： e = e oc o s ( r 纠+ ) ( 1 1 ) 式中，日为光波的振幅，c o 为频率，为初相角。式( 1 1 ) 包含5 个参数，即 强度露、频率国、波长 = 2 ；r c 、相位( 纠+ 痧) 和偏振态，被测量在敏感头 内与光发生相互作用，如果作用的结果是改变了光的强度，就口q 强度调制型光 纤传感器。如果改变的是光的频率，就叫频率调制型光纤传感器，其它依此类 推。因此，就得到5 种调制类型的光纤传感器。 光纤可分为单模光纤和多模光纤。光强度调制型和传光型光纤传感器绝大 多数采用多模阶跃光纤和多模梯度光纤；相位调制型和偏振态调制型光纤传感 器采用单模光纤，某些情况下还需要采用能满足特殊要求的光纤，如保偏光纤、 低双折射率光纤、高双折射率光纤等。 为了获得适宜的灵敏度，也可将普通光纤“增敏”或者“去敏”。如果采 用普通通讯用光纤，会使光纤传感器性能受到限制。采用新材料，设计特殊结 构的专用光纤，是促进光纤传感器技术发展的努力方向。 光纤传感器可以探测的物理量很多，包括目前在实验室阶段的研究成果， 已经实现光纤传感的物理量有近7 0 种。按照被测对象的不同，光纤传感器可以 分为位移、压力、温度、流量、速度、加速度、振动、转动、弯曲、应变、磁 场、电场、电流、化学量、生物医学量等类型，其中有的已经形成商品，可供 实际应用。 系统中应用的几种光纤传感器将在相关章节做详细介绍。 1 2 论文内容 1 2 1 作者的主要工作 基于光纤传感器的新型多相流量计技术研究是一个全新的课题，整个项目 的完成是长期、复杂且富有挑战性的。作者主要负责的是一些前期研究工作， 其中包括： 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 ( 1 ) 信号处理及数据记录电路的设计实现； ( 2 ) 井下传感及信号传输光路电路的设计： ( 3 ) 适用光纤传感器的设计与制作； ( 4 ) 基于光纤传感器的多相流计量技术的探讨与研究。 1 2 2 论文结构安排 本文计划分为六章，各章内容安排如下： 第一章：绪论 简要介绍课题内容、技术背景及论文的结构安排。 第二章：系统总体设计方案 简要说明了基于光纤传感器的多相流量计的工作原理，并总体介绍井下传 感子系统和信号处理子系统的设计方案。 第三章：信号处理子系统设计与实现 本章首先对d s p 系统的功能结构、设计过程等进行简单描述，然后将整个 信号处理电路分成几个模块详细介绍各部分的设计思路和功能实现，最后对以 d s p 芯片为核心的信号处理系统的设计方法进行总结。 第四章：井下传感子系统设计与实现 本章的内容主要包括：多种光学部件的选型分析与设计、光发射电路与光 接收电路的设计实现、光纤传感器的制作与安装方案研究、传感器信号远距离 变送电路的设计。 第五章：新型多相流量计的探讨与研究 首先介绍多相流量计的计量原理及测量技术，然后对论文提出的基于光纤 传感器的多相流计量技术进行研究与探讨，最后通过试验初步验证与分析这种 技术的可行性。 第六章：总结与展望 作者总结了课题研究期间所完成的工作内容，指出其中的一些不足之处并 提出改进方案，最后对后继研究工作的开展提出自己的看法。 西北工业大学硕士学位论文 第二章系统总体设计方案 第二章系统总体设计方案 2 1 系统综述 2 1 1 新型多相流量计简介 混合流体的多相流计量是一个复杂的问题，尤其在石油工业中急需得到解 决。目前开发出的多相流量计，无论是分离式的还是不分离式的，都存在设备 复杂、造价昂贵、精确度不高等缺点，无法在实际工程应用中得到普遍推广。 本文为多相流计量技术的研究提出一种全新的思路。多相流体的平均折射 率会随着各相比例的不同而发生变化，具体到刚开采出来的原油，其油气水三 相比例的变化就反映在原油平均折射率的交化上，因此测量出原油单位时间内 的平均折射率就可以根据一定的规律推算出此时各单相所占的比例。 本文的设计思路是将两组光强调制型光纤传感器安装在油井管道的出口 处，分别测量刚采集至地面原油的光反射率和光透射率，经过处理可以推算出 油气水三相混合液体单位时间内各相所占的比例，再利用相位调制型光纤传感 器测量混合液体单位时间内的平均流量，能够根据比例关系计算出每一个单相 单位时间内的流量。系统同时还需要测量油井管道出口处的压力、温度等参数。 将这些被测量综合分析处理就可以实现对原油品质的实时判剐，从而为快速修 正采油工艺提供必要的数据。 应用了上述技术的多相流量计具有结构简单、成本低廉、安全性高等优点， 其应用前景非常广阔。从长远的角度分析，这种多相流量计可以固定安装在每 一口油井的出油管道上，多口油井共用一台处理终端，测量数据汇总到控制器 后经过识别、统计、记录可以实现对油田生产的远程监控，还可以利用之产 生反馈控制信号，通过有线或无线信号传输设备与其他快速响应的传感器及执 行机构相结合，控制各种采油设备，从而最终实现油田的集中式智能化管理。 图2 1 给出了该系统应用的总体结构示意图。 6 西北工业大学硕士学位论文第二章系统总体设计方案 ，原油，兰竺 、 l 厂、 ( 7、 i 。 管道1管道2管道3 却却 砌 l 传感器1l 传感器2 l 传感器3 1 ， ，i画 叶 7j 7 i 。， 7 卜剁 言射睡审 - + 萨鄹9 磕 - l 图2 1 系统总体结构示意图 2 1 2 系统设计的技术要求 系统整体设计按结构可大致分成两个部分：井下传感子系统和信号处理子 系统。其中井下传感子系统需要测量5 组井下传感器信号，并将之传送到地面 的信号处理器。这5 组信号包括： 矿：混合流体平均流速： ，：光在混合流体中的透射率； ，。：光在混合流体中的反射率； p ：油井管道出口压力； t ：混合流体的温度： 信号处理子系统对井下传感器信号进行采集、处理，经分析统计得到混合 液体油气水三相比例关系和各单相单位时间内的流量。除此以外，信号处理子 系统还要具备以下功能： ( 1 ) 记录包括上述5 个信号在内的共9 个参数每分钟、每小时、每天、每周 的平均值并自动刷新： ( 2 ) 考虑多口井共用一台处理器，以提高利用效率、降低设备成本： ( 3 ) 设计共用稳压稳流电源； 7 西北工业大学硕士学位论文g ：- 章系统总体设计方案 4 ) 设置处理器与上位机的通讯接口，便于上位机定期读取存储在处理器内 的数据； ( 5 ) 考虑反馈控制信号的引出，以便在将来应用中能够有效的控制注入井、 磕头机、自喷井阀门等。 系统的整体性能最终是由原油品质判别传感器的性能决定的，原油品质判 别传感器系统的设计技术指标为： 空间折射率：a n = 0 0 0 1 ： 响应时间：t ，l m s ； 采样频率：f = 1 0 1 0 0 0 h z 可调； 耐温：五m = 1 5 0 。c ( 3 2 0 。f ) ： 耐压：= 6 0 m p a ： 污染引起的误差：晶0 1 ； 系统互换性、一致性误差：e ，1 。 2 2 井下传感子系统结构与设计方案 在这部分，需要从5 个传感器得到前一节中所述的5 个参数，其中流量矿、 透射率，、反射率，。的测量使用光纤传感器，压力p 和温度t 由传统电传感器 得到。 传感器信号首先要进行光电转换、放大滤波等处理。由于井下的传感器和 地面的处理器之间距离比较长，为了减少信号衰减和干扰的影响，传感器信号 在送到处理器之前还需要经过电压电流变换，转换成4 2 0 m a 电流信号。同时 还要为传感器提供稳压电源。 井下传感子系统结构如图2 2 所示。 西北工业大学硕士学位论文 第= 章系统总体设计方案 图2 - - 2 传感器子系统结构框图 ( 1 ) 油气水比例的测定 即光透射率，和光反射率的测量，采用光强调制型光纤传感器，将传感 器探头置入管道内5 1 0 m m ，利用两个光电管分别检测透射光和反射光强度的 变化，就可以通过一定关系计算出油气水三者的比例，这种关系将在以后的实 验中依靠标定和推断获得。光纤传感器要求光源非常稳定，并且功率在毫瓦级 以上，否则无法穿透混合液体。 ( 2 ) 流速的测定 使用相位调制型光纤传感器测量混合液体平均流速，利用的是光学多普勒 现象，加载了流速信号的反射光束与另一路参考反射光束相干后投射到光探测 器上得到一组频率信号，频率的高低代表了平均流速的大小。流速和油气水比 例的测定可以用同一光源。 ( 3 ) 温度测定 设计4 2 0 m a 电流变送电路时要保证测量温度范围与电流量程范围之间的 匹配。 ( 4 ) 压力测定 设计4 2 0 m a 电流变送电路时要保证测量压力范围与电流量程范围之间的 西北工业太学硕士学位论文 第二章系统总体设计方案 匹配。 2 3 信号处理子系统结构与设计方案 图2 3 所示为信号处理子系统的结构框图。 传 i 。i 一反馈控制 【- = j 一一 羹 电 一 模数 叫上位机通讯 子 4 2 孓 流 i r 一数卜据 电 p 转 处 毳 少压 一 一i 数据记录 t 换理 转 r t 换 叫整形卜叫计数卜 幽2 3 信号处理子系统结构框图 处理器子系统需要采集从井下传感器子系统送出的5 路4 2 0 m a 电流环信 号，其中包括4 路电流信号和1 路频率信号。电流信号经过电流电压转换后变 成0 6 3 矿的电压信号，可以直接由处理器自带的a d 转换模块进行采集： 4 2 0 m a 的频率信号转换成电压信号后，由电压比较器将之整形为脉冲信号， 然后利用计数器对脉冲信号进行计数，一段特定时间间隔内的计数结果经过锁 存以后，可以被处理器的r o 接口采集。光反射率、光透射率、平均流速、压 力、温度这5 个信号被处理器获得以后，即可以根据一定的关系计算或查表得 出油气水比例、各单相流量等最终需要的数据。再根据要求将一组共9 个参数 的数据每分钟、每小时、每天、每周的平均值依次存入片外f l a s h 存储器，由 上位机通过r s - - 4 8 5 串行通信接口定时读取。 对传感器信号的采样时间问隔和计数时间长度需要根据现场实际情况通过 设置处理器自带的定时器来调节，也可以直接在软件中设置。油气水比例与光 信号量之间的关系暂时还没有严格的数学推导公式，需要在试验中根据试验数 据通过统计、标定等方法确定。 l o 西北工业尢学硕士学位论文第三章信号处理于系统设计与实现 第三章信号处理子系统设计与实现 基于光纤传感器的油井多相流计量系统的井上信号处理子系统需要采集从 井下传感子系统送出的四路4 2 0 m a 电流信号和一路频率信号，然后送入数字 信号处理器进行处理，将结果依次存入片外f l a s h 存储器，最后由上位机通 过r s 一4 8 5 串行通信接口定时读取。本章主要介绍以t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 芯片为 核心的信号处理电路的硬件设计，并简单介绍了软件设计的总体结构。 3 1d s p 技术综述 3 1 1d s p 技术及d s p 芯片概述 数字信号处理( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ) 是- - f 涉及并广泛应用于许多领 域的新兴学科。2 0 世纪6 0 年代以来，随着计算机、超大规模集成电路以及微 处理器技术地迅速发展，数字信号处理无论是在理论上还是在工程应用中，都 是发展最快的学科之一。 以众多学科为理论基础的数字信号处理技术，已广泛应用于数字通信、雷 达、遥感、声纳、语音合成、图像处理、测量与控制、高清晰度电视、数字音 响、多媒体技术、地球物理学、生物医学工程、振动工程以及机器人等各个领 域，并且日趋完善和成熟。 图3 - i 一个典型的d s p 系统 图3 - 1 所示为一个典型d s p 系统。前置滤波器将输入信号z ( ，) 中高于折叠 频率的分量滤除，以防止信号频谱的混叠。信号经采样和a d 变换后转换成数 字信号( n ) a 数字信号处理器对信号作控制律计算，将处理后得到的数字信号 再经d a 变换器变换成模拟信号y ( 以) 输出。同时信号再经低通滤波器平滑滤 西北工业大学硕士学位论文 第三章信号处理子系统设计与实现 波，最后输出连续的模拟信号r ( t ) 。 为了快速的实现数字信号处理运算，d s p 一般采用特殊的软硬件结构，以 t m s 3 2 0 系列d s p 为例，其基本结构包括：程序与数据分开的哈佛结构、流水 线操作、专用的硬件乘法器、特殊的d s p 指令、高速的指令运行周期。 ( i ) 程序和数据总线的分开 哈佛结构的主要特点是将程序和数据存储在不同的存储空间内，每个存储 器独立编址、独立访问，并且系统中，相应设置了程序总线和数据总线，因此 取指令和取数据能完全并行进行。另外，改进的哈佛结构允许将数据存放在程 序存储器中，并被算术运算指令直接使用，从而增强了芯片的灵活性：将指令 存储在高速缓冲器中，当执行指令时，不需要再从存储器中读取指令，节约了 一个指令周期的时间。 ( 2 ) 流水线操作 由于d s p 芯片采用了多组总线的结构，这将允许c p u 同时访问程序存储器 和数据存储器，因而在其内部可以实现多级逻辑流水线操作，减少指令执行时 间。从而增强了处理器的处理能力。t m s 3 2 0 l f 2 4 0 x 采用4 级流水线，处理器 可以并行处理4 条指令。 第一条 第二条 第三条 第四条 圉3 - - 2 四级逻辑流水线示意图 ( 3 ) 专门的硬件乘法器 在通用的微处理器中，乘法指令是由一系列加法来实现的，放需要许多个 指令周期来完成。而d s p 芯片的一个重要特征就是有专用的硬件乘法器，乘法 可以在一个指令周期内完成。 ( 4 ) 特殊的处理器指令 d s p 芯片的一个重要特征是采用特殊的指令。比如t m s 3 2 0 c 2 4 x 有一个特 殊指令l t d ，它能在一个指令周期内完成l t 、d m o v 、a p a c 三条指令的内容， 这样就大大简化了程序指令。 西北工业大学硕士学位论文第三章信号处理子系统设计与实现 ( 5 ) 高速的指令运行周期 采用哈佛结构、流水线操作、专用的硬件乘法器及特殊的d s p 指令，加上 集成电路的优化设计，可使d s p 的指令周期处于2 0 0 n s 以下。而当前d s p 芯片 的指令周期可至2 0 n s 以下。高速的指令周期使得d s p 芯片能够实现许多数字 信号处理的应用。 3 1 2d s p 系统的设计过程 总的说来，d s p 系统有一套正规的设计方法，图3 - - 3 所示为d s p 系统设 计的般过程。 图3 - 3d s p 系统的一股设计过程 从流程图可知，在设计d s p 系统时首先必须应用系统的目标确定系统的性 能指标。其次根据系统运算量的大小、对运算精度的要求、系统成本限制等因 素决定选取d s p 芯片的型号。 选择d s p 芯片是d s p 系统设计过程中一个非常重要的环节。只有选定了 d s p 芯片才能进一步设计其外围电路及系统的其它电路。d s p 芯片的选择应根 西北工业走学硕士学位论文 第三章信号处理子系统设计与实现 据实际的应用系统需要而确定。不同的d s p 应用系统由于应用场合、应用目的 等不尽相同，对d s p 芯片的选择也是不同的。一般来说，选择d s p 芯片时应 考虑如下诸多因素。 ( 1 ) d s p 芯片的运算速度。d s p 芯片的运算速度可以由指令周期、m a c 时 间( 即一次乘法加上一次加法的时间) 、m i p s ( 即每秒可执行多少个百万条指 令) 、m o p s ( 及每秒可执行多少个百万次操作) 等来确定。 ( 2 ) d s p 芯片的价格。d s p 芯片的价格也是选择d s p 芯片所需考虑的一个 重要因素。 ( 3 ) d s p 芯片的硬件资源。不同的d s p 芯片所提供的硬件资源是不同的， 如片内r a m 、r o m 的数量，外部可扩展的程序和数据空间，总线接口及i o 接口等。即使是同一系列的d s p 芯片，不同的型号也具有不同的硬件资源。 ( 4 ) d s p 芯片的运算精度。一般的定点d s p 芯片的字长为1 6 位，如t m s 3 2 0 系列。但有的公司的定点芯片为2 4 位，如m o t o r o l a 公司的一些芯片。浮点芯 片的字长一般为3 2 位。 ( 5 ) d s p 芯片的开发工具。在选择d s p 芯片的同时必须注意其开发工具的 支持情况，包括软件和硬件的开发工具。 ( 6 ) d s p 芯片的功耗。在某些d s p 应用场合，功耗也是一个需要特别注意 的问题。 ( 7 ) 除了上述因素外，选择d s p 芯片还应考虑到封装的形式、质量标准、 供货情况、生产周期等。 在完成上述两步操作之后，接下来就可以设计实时d s p 系统，实时d s p 系统的设计包括硬件设计和软件设计两个方面。硬件设计主要是设计d s p 芯片 的外围电路及其它电路：软件设计和编程主要根据系统要求和所选的d s p 芯片 编写相应的d s p 汇编程序，若系统运算量不大且有高级语言编译器支持，也可 以用高级语言( 如c 语言) 编程。 d s p 硬件和软件设计完成后，就需要进行硬件和软件的调试。软件的调试 一般借助于d s p 开发工具如软件模拟器、d s p 开发系统或仿真器等。调试 d s p 算法时一般采用对实时结果和模拟结果进行比较的方法，如果实时程序和 1 4 西北工业大学硕士学位论文第三章信号处理子系统设计与实现 模拟程序的输入相同，则两者的输出应该一致。系统其它软件的调试可以根据 实际情况进行。硬件调试一般采用硬件仿真器进行，如果没有相应的硬件仿真 器，且硬件系统不是十分复杂，也可以借助一般的工具进行调试。 d s p 系统的开发，特别是软件的开发是一个需要反复进行的过程，虽然通 过算法模拟基本上可以知道实时系统的性能，但实际上模拟环境不可能做到与 实时系统环境完全一致，而且将模拟算法移植到实时系统时必须考虑算法是否 能够实时运行的问题。如果算法运算量太大不能在硬件上实时运行，则必须重 新修改或简化算法。 3 1 3t m s 3 2 0 l f 2 4 0 x 系列d s p 的结构与功能 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 x 芯片作为d s p 控制器2 4 x 系列的新成员，是t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 平台下的一种定点d s p 芯片2 4 0 x 芯片为c 2 x x c p u 功能强大的t m s 3 2 0d s p 结构设计提供了低成本、低功耗、高性能的处理能力。几种先进外设被集成到 该芯片内，以形成真正的单芯片控制器。 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 x 芯片采用高性能静态c m o s 技术，使得供电电压降为3 3 v ， 减少了控制器功耗。3 0 m i p s 的执行速度使得指令周期缩短到3 3 n s ( 2 4 0 x a 系 列为4 0 m i p s ) ，从而提高了控制器的实时控制能力。 片内有高达3 2 k 字的f l a s h 程序控制器，高达1 5 k 字的数据程序r a m ， 5 4 4 字的双口r a m 和2 k 字的单口r a m 。 片内包含四个1 6 位通用定时器和十六个1 6 位的脉宽调制( p w m ) 通道。 可扩展的外部存储器( l f 2 4 0 7 ) 总共1 9 2 k 字空间；程序存储器空间、数 据存储器空间和i o 寻址空间各6 4 k 字。 看门狗定时器模块( w d t ) 。 十六路1 0 位a d 转换器，最小转换时间为5 0 0 n s 。 串行通信接口( s c i ) 模块。 基于锁相环的时钟发生器。 高达4 0 个可单独编程或复用的通用输a 输出引脚( g p i o ) 。 5 个外部中断( 两个电机驱动保护、复位和两个可屏蔽中断) 。 西北工业大学硕士学位论文第三章信号处理子系统设计与实现 3 2 以t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 芯片为核心的硬件设计 图3 4t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 芯片引脚连接原理图 图3 - - 4 为t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad s p 芯片的引脚连接原理图。以t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 芯片为核心，其外围电路按功能可分为电源与复位电路、时钟电路、存储器电 路、a d 转换电路、频率信号采集电路、串行通信接口电路、j t a g 仿真接口电 路等几个模块。整体结构功能如图3 5 所示。 下面按设计思想和实现功能对各模块逐进行介绍。 1 6 西北工业大学硕士学位论文 第三章信号处理子系统设计与实现 4 2 0 毫安 电流 信号 频率 信号 电源卜_ 叫r a m 存储器i r a d t m s 转换 3 2 0 l f lf l a s h 存储器l 2 4 0 7 冈控制 阵s 一4 8 5 通讯接口i 芯片 - 4 整形卜叫计数卜呻+ + i t a g 仿真接口i 图3 5 整体结构框图 3 2 1 电源与复位电路 为减少控制器功耗，l f 2 4 0 7 a 采用3 3 v 电压供电，而进入印制板的是5 v 直流电源，因此需要进行电压调整。选用稳压芯片t p s 7 3 3 3 实现电压的变化。 t p s 7 3 3 3 是集成电压自检和延时复位功能的高精度稳压芯片，输入电压的允许 范围是3 7 7 1 0 v ，所以用5 v 直流电源给t p s 7 3 3 3 供电是可行的。t p s 7 3 3 3 还 有一个功能就是可以对输出电压进行监测，正常工作时的输出电压是3 3 v ， r e s e t 引脚为高电平。如果出现掉电的情况，当检测到输出电压低于3 v 时， r e s e t 跳变为低电平并保持，当重新上电，r e s e t 引脚在2 0 0 m s 的延时之后 才跳变为高电平。因此在设计中考虑将t p s 7 3 3 3 的r e s e t 引脚接至l f 2 4 0 7 的 控制复位引脚r s ，从而保证d s p 芯片在经历掉电、上电之后仍能正常工作， 如图3 6 所示。 为了应付系统运行时遇到的突发异常情况，电路中加入了手动复位开关， 可以在运行异常时对d s p 芯片进行手动复位。 l f 2 4 0 7 a 自带有看门狗定时器模块，包括看门狗计数寄存器w d c n t r 、 看门狗k e y 寄存器w d k e y 和看门狗控制寄存器w d c r ，可以在软件中设置 这三个寄存器，从而在程序运行异常时实现软件复位。 西北工业大学硕士学住论文 第三章信号处理子系统设计与实现 3 2 2 时钟电路 图3 6 电源与复位电路原理图 d s p 时钟可由外部提供，也可由板上的振荡器提供。但一般d s p 系统中多 使用外部时钟输入，因为使用外部时钟时。时钟的精度高、稳定性好、使用方 便。由于d s p 工作是以时钟为基准，如果时钟质量不高，那么系统的可靠性、 稳定性就很难保证。因此，若采用外部时钟，选择晶振时应对其稳定性、毛刺 做全面的检验，以便d s p 系统可靠地工作。 论文中选用3 3 v 电压供电的1 0 m h z 有源晶振为d s p 芯片提供时钟信号。 凹 00 0 6 8 u x l 3 2 3 扩展存储器电路 图3 7 时钟电路原理图 在第二章系统总体设计中提到，从井下传感器采集到的五组传感器信号经 d s p 芯片处理后得到另外四组数据，需要将总共九组数据每分钟、每小时、每 天各自的平均值记录在存储器里，等上位机每七天来读取一次。可以计算出需 要存储的最大数据量为；9 x ( 6 0 x 2 4 x 7 + 2 4 x 7 + 7 ) = 9 2 2 9 5 b 9 0 k b ，仅靠 西北工业大学硕士学位论文第三章信号处理子系统设计与实现 片内的数据存储空间是远远不够的，需要扩展数据存储器，其存储空间大于 9 0 k ，还要考虑到记录的数据不能在系统掉电时丢失，因此选用2 5 6 k x1 6 位的 f l a s h 芯片s s t 3 9 v f 4 0 0 a 作为片外扩展数据存储器。 s s t 3 9 v f 4 0 0 a 为快速f l a s h 芯片，读取时间7 0 9 0 n s ，写入时间1 4 p s ， 区擦除时间1 8 m s ，芯片重写时间4 j 。考虑到当d s p 芯片运行在4 0 m h z 频率时， 一个时钟周期为2 5 n s ，所以当d s p 芯片读写f l a s h 需加入相应的等待时间。 l f 2 4 0 7 a 的数据地址总线宽度为1 6 位，寻址范围6 4 k 。而s s t 3 9 v f 4 0 0 a 有1 8 根地址线，需要对d s p 芯片的地址线进行扩展。设计中将l f 2 4 0 7 a 的通 用i o 引脚l o p e 2 、i o p e 3 用作地址扩展，接至s s t 3 9 v f 4 0 0 a 的a 1 6 、a 1 7 引 脚，这样就把d s p 的寻址范围扩展为2 5 6 k 。 d s p 芯片的数据空间选通引脚d s 平时保持为高电平，当访问外部数据存 储器时d s 自动变成低电平，因此将之接到s s t 3 9 v f 4 0 0 a 的乙手引脚作为 f l a s h 芯片的片选信号，另外把l f 2 4 0 7 a 的读使能引脚页西和写使能引脚西罾 用作f l a s h 的读写控制信号，分别接至s s t 3 9 v f 4 0 0 a 的西西和一w e 引脚。 另外，扩展存储器还包括一片c y 7 c 1 0 2 1 ，是6 4 k x1 6 位的s r a m ，加入 该芯片的主要目的是为了便于程序调试，如果在调试程序时用片内f l a s h e p p r o m 存放程序，频繁的烧写和擦除会非常不方便，所以考虑调试时将程序 存到片外的r a m 中。这在技术上是可以实现的，可以改变l f 2 4 0 7 a 芯片微处 理器微控制器方式选择引脚m p m c 的电平，控制其是工作在微处理器方式下 还是工作在微控制器方式下。复位期间m p m c 若为低电平。则d s p 芯片工作 在微控制器方式下，并从内部程序存储器( f l a s he p p r o m ) 的0 0 0 0 h 开始程 序执行；若复位期间为高电平，d s p 芯片则工作在为处理器方式下，并从外部 程序存储器的0 0 0 0 h 开始执行程序。也可以在c c 2 0 0 0 仿真环境下通过f l a s h e n a b l e 或f l a s hd i s a b l e 命令选择是从片内程序存储器还是从片外程序存储器开始 执行程序。 c y 7 c 1 0 2 1 控制线的连接方式如下：将d s p 芯片的程序空间选通引脚两接 至r a m 的c e 引脚，作为r a m 的选通信号，将d s p 芯片的一r d 和丽分别接 西北工业大学硕士学位论文 第三章信号处理子系统设计与实现 至r a m 的历和丽引脚，作为r a m 的读写控制信号。 s s t 3 9 v f 4 0 0 a 和c y 7 c 1 0 2 1 的供电电压都是3 3 v ，可以直接利用d s p 芯 片的供电系统。扩展存储器电路的原理图如图3 8 所示。 图3 - - 8 扩展存储器电路原理图 3 2 4a d 转换电路 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 的a d c 模块带有内置采样，保持电路的l o 位a d c ，总共 有1 6 个模拟输入通道：具有自动排序功能，一次可执行最多1 6 个通道的“自 动转换”而且每次要转换的通道都可通过编程来选择；可单独访问的1 6 个结果 寄存器( r e s u l t o r e s u l t l 5 ) 用来存储转换结果；a d 转换的触发源包括： 软件触发、事件管理器触发和a d c s o c 引脚外部触发。a d c 模块的参考电压 连接到v r e f h i ( a d c 参考电压上限) 和v r e f h o ( a d c 参考电压下限) 引 脚，参考电压上限和参考电压下限可以设置为小于或等于5 v 的任意值，这两 个值决定了模拟电压的输入范围。v c c a ( 模拟供电正电压) 和v s s a ( 模拟供 电负电压) 引脚必须连接到5 v 和模拟地上，这是保证d s p 芯片进行模数转换 所必须的。 a d c 转换时间与一个给定的序列中转换的个数有关，转换周期可以被分为 2 0 西北工业大学硕士学位论文 第三章信号处理子系统设计与实现 5 个阶段，见表3 1 ，单位为脚。驯 表3 1a d c 转换各个阶段需要的c l k o u t 时钟周期 转换阶段c l k o u t 时钟周期( c p s = o )c l k o u t 时钟周期( c p s = 1 ) 一 启动s o s 时序同步 2 2 或3 + 采样时间a c q 2 + +4 + + 转换时间c o n v 1 02 0 结束转换时间e o c l2 序列完成设置标志位时间 11 s o s 同步只在一个转换序列的第一个通道转换时需要，e o s 仅在一个序列 的最后一个转换时需要，a c q 、c o n v 、e o c 在每个转换中都需要。 模拟输入信号容易受到各种干扰，例如公基地线所引起的输入干扰、传输 过程的静电和电磁波干扰等。所有的这些干扰将严重影响采样信号的准确性和 可靠性，因此，必须予以消除和抑制。 论文中将控制器设计成最小系统，由d s p 芯片引出8 路a d c 模拟输入通 道至双排插针与外围电路连接，在实际应用中仅用到其中4 路输入通道，其余 4 路通道设计用于功能的扩展。在电路设计时，为了减少干扰，将数字地与模 拟地分开，一点连接。 3 2 5 频率信号采集电路 油井管道内混合液体平均流速信号v 是加载流速信号的反射光与参考反射 光相干后得到的一组频率信号，控制器端接收的v 是标准的4 2 0 m a 电流信号， 先要进行电流一电压转换，并通过电压比较器整形为脉冲信号送入计数器计数， 再将一定时间间隔内的计数结果送到d s p 芯片的i o 数据总线上，d s p 芯片对 地址为x x x x x x x x 1 1 的i o 空间执行相应读指令就可以采集到频率信 号v 。上述功能的电路实现如图3 9 所示：转换成电压信号的v 送到双电压比 较器l m 3 9 3 的正输入端，l m 3 9 3 的负输入端接比较电压( 0 5 v 可调) ，输出 信号为经过整形的脉冲信号，由1 2 位计数器c d 4 0 4 0 对脉冲信号计数，计数结 果用两片8 位锁存器7 4 l s 2 4 4 锁存，锁存器输出为t t l 电平，如果直接接到 2 1 西北工业大学硕士学位论文 第三章信号处理子系统设计与实现 d s p 芯片的i 0 数据总线上，5 矿的高电平可能会造成d s p 芯片的损坏，所以 在两者之间串入3 3 0 f 2 的分压电阻。电路的控制逻辑设计如下：将l f 2 4 0 7 a 的 通用i o 引脚l o p e 6 作为c d 4 0 4 0 的计数清零信号，即频率信号采样周期的开 始信号，两条地址线a 0 、a i 和i o 空间选通引脚塔相与后接至7 4 l s 2 4 4 的片 选通引脚i g 、2 g ，作为计数结束信号，即频率信号采样周期的结束时间，从 而可以通过软件控制采样周期和采样间隔。 图3 - 9 频率信号采集电路原理图 3 2 6 串行通信接口电路 t m s