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嵌入式钻井压力测量系统的研究 摘要 嵌入式钻井压力测量系统应用a d u c 8 4 8 新型微控制器和k e i l 软件设计开发，本系统具有1 6 位 高精度a d 转换、数据实时采集上传存储、最高作业温度1 2 5 、低功耗和集成度高等特点。使用 i s p 在线编程，针对现场需要及时调整系统软件，应用灵活。 论文主要对嵌入式钻井压力测量系统的设计与实现进行了研究。系统的主要功能是完成压力数 据的采集、处理、存储、上传和上位机通信等。论文首先对嵌入式和随钻压力测量技术做了简要的 介绍，而后对系统的体系结构及功能要求进行了详尽的分析，在此基础上选用s o c 微控制器 a d u c 8 4 8 作为核心处理芯片，设计了电源电路、复位电路、数据存储接口电路、m c u 外围接口电 路以及上位机通信电路等，并对系统的各个硬件功能模块的电路设计和系统p c b 板的制作过程作了 具体的描述。然后在k e i l 环境下对系统软件进行编写和仿真，软件采用模块化结构设计，主要完成 对上电初始化子程序、数据采集子程序，存储器读写子程序、串口通信子程序和看门狗监控程序的 设计。最后对系统进行了硬软件调试和系统运行试验，运行结果完全符合预期设计要求并提出系统 改进方法。 关键词：嵌入式；a d u c 8 4 8 k e i l ；压力测量；数据采集；s o c 微控制器 t h er e s e a r c ho fe m b e d d e dd r i l l i n gp r e s s u r em e a s u r e m e n ts y s t e m 1 1 忙e m b e d d e dd r i i l i n gp r e a s m em e a s u r e m e n ts y s t e mi sd e s i g n e db yu s i n ga d u c 8 4 8m i c r oo d n v e r t e r a n dk e i le n v i r o n m e n t , t h es y s t e mh a sm a n yf e a t u r e ss u c ha sh i g hp r e c i s i o n1 6 - b i ta dc o n v e r t e r , d a t a t r a n s m i s s i o na n ds t o r a g eo nr e a lt i m e ，t h eh i g h e s tr u nt e m p e r a t u r e1 2 5 ，l o wp o w e ra n dh i g hi n t e g r a t i o n u s i n gi s p , i n - c i r c u i tp r o g r a m m i n gi sc a b l eo fa d j u s t i n gt h es y s t e ms o f t w a r ea n da p p l i c a t i o nf l e x i b i l i t y t h i st h e s i sr e s e a r c h e dt h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fe m b e d d e dd r i l l i n gp r e s s u r em e a s u r e m e n t s y s t e m n cm a i nf u n o t i o no ft h es y s t e mi sp r e s s u r ed a t aa c q u i s i t i o n ，d a t ap r o c e s s i n g , d a t as t o r a g ea n d t r a n s f e r se t c f i r s t l yt h ep a p e rd i s c u s s e de m b e d d e ds y s t e ma n dm e a s u r e m e n tw h i l ed r i l l i n gt e c h n o l o g ya n d t h e np a r t i c u l a r l ya n a l y z e dt h es y s t e mf u n c t i o na n ds t r u c t u r e ，b s a s e do nt h i s ，c h o s et h es o cm i c r o c o n t r o l l e r a d u c 8 4 8f o fc o r ep r o c e s s i n gc h i p ，d e s i g n e dp o w e rs u p p l yc i r c u i t , r e s e tc i r c u i t , d a t as t o r a g ei n t e r f a c e c i r c u i t m c up e r i p h e r a li n t e r f a c ec i r c u i ta n du p p e rc o m p u t e rc o m m u n i c a t i o ne t c , b u i l dt h ee m b e d d e d d r i l l i n gp r e s s u r em e a s u r e m e n ts y s t e m , d e s c r i b e dc i r c u i td e s i g no fc a c hf u n c t i o nm o d u l ea n dp c bd e s i g no f s y s t e mi nd e t a i l t h e nu s i n gk e i ls o f t w a r ed e s i g ne n v i r o n m e n tp r o g r a m m e ds y s t e ms o f t w a r ea n dr e a l i z e d t h es y s t e ms i m u l a t i o n t h es y s t e ms o f t w a r ew a sd e s i g n e db a s e do nm o d u l em e t h o da n dc o m p l e t e dt h e p o w e ro ni n i t i a l i z a t i o ns u b p r o g r a m ，d a t aa c q u i s i t i o ns u b p r o g r a m ，d a t as t o r a g er e a d - w r i t es u b p r o g r a m ，t h e s e r i a lp o r tc o m m u n i c a t i o ns u b p r o 掣a ma n dw a t c h d o gd e t e c t i n gs u b p r o g r a m l a s th a r d w a r es y s t e mw a s t e s t e da n ds o f t w a r es y s t e mw a sd e b u g g e d t h e l lt h es y s t e mw a sm a d er u n n i n gt e s t a t h et e s t i n ga n d r u n n i n gr e s u l t sa c h i e y e dt h ep r o s p e c t i v ea i mo f d e s i g na n dg i v e nt h em e t h o d s t oi m p r o v et h es y s t e m k e yw o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m s a d u c 8 4 8k e i l p r e s s u r em e u m e n t ；d a t aa c q u i s i t i o n ts o c m i c r o c o n t r o l l e r 1 1 1 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的研究成 果据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已经发表或撰写 过的研究成果对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中作了明确说明并 表示谢意 作者签名： 学位论文使用授权声明 日期：垒望! ：! ， 本人完全了解大庆石油学院有关保留、使用学位论文的规定，学校有权保留学位论 文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版有权将学位论文用于非 赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅有权将学位论文的内容编入有 关数据库进行检索有权将学位论文的标题和摘要汇编出版保密的学位论文在解密后 鞠械定懒懈硅懈导师摊：挪 学位论文作者签名：委e 1 ；l 年 导师签名：矽) b 翔：。0 7 ，f 甚凝：习) t6 创新点摘要 本文提出了以s o c 微控制器a d u c 8 4 8 为核心结构的钻井压力数据实时测量采集系统方 案设计。本课题基于嵌入式设计思想并结合了随钻测量技术，针对当前国内外随钻测量的 研究现况对随钻测量m w d 的压力测量系统进行研发实验。主要对随钻钻井压力数据的 采集、存储、处理和监控进行研究和试验，主要特点如下： 1 相对国外同类研发产品具有低廉的开发成本且开发周期较短，系统采用s o c 系统 级芯片设计，自主设计研发了系统的硬件电路和配套的软件，集成度高，体积小，系统体 积仅为7 7 r a m x 2 2 r a m 1 4 r a m ，稳定性好。 2 由于本课题针对油田钻探研发，根据其特殊工作环境需要，系统的设计能在高温 1 2 5 、高压7 5 m p a 、高振动2 0 0 h z 以下持续稳定工作。系统主要安装在贴近钻头附近的 短节里并且要长时间不问断工作，所以整体设计功耗低，经测算本系统的功耗仅为5 6 0 r o w 左右；数据存储容量大，可存储1 0 0 小时数据和供电设备完善。 3 针对现场实际情况需要可以对硬件进行扩展，软件可升级，系统应用灵活。 i v 大庆石油学院硕t 研究生学位论文 引言 在信息技术和网络技术高速发展的后p c 时代，嵌入式系统已经广泛地渗透到石油 科学研究、油田工程设计、油气钻探等相关领域。随着各种嵌入式产品的开发和推广， 嵌入式技术和油田建设的结合越来越密切。在石油钻井技术日益发展的今天，井下工作 状况的随钻压力测量发挥着越来越重要的作用。随钻钻井压力测量是一项非常复杂的技 术，在钻井的过程中能够指导钻进并把井下的钻井压力信息实时上传至地面，因为能实 时的观测到钻井过程中井下的压力变化情况，所以在钻进过程中便可以高效的制定方案 和改善决策过程。当前对钻井压力的测量主要依靠随钻测量技术，从2 0 世纪8 0 年代中 期随钻测量( m w d ) “1 技术首次在钻定向井中使用至今，m w d 得至0 长足发展并逐步走 向成熟，其测量参数的范围已经包括了井斜、方位、工具面、钻压、扭矩、异常地层压 力、伽马射线、地层电阻率、地层密度和中子孔隙度等，并且具备了随钻测井和地质导 向能力。但是由于m w d 设备离钻头的距离比较远，所以无法准确和及时的反映钻井压 力的真实变化情况，贴近钻头的随钻钻井压力测量系统的研发很好地解决了这一问题， 通过它测量钻压数据更准确更真实并可上传至m w d 设备或地面p c 监控处理系统嘲。 嵌入式与随钻测量技术的结合必将带动石油钻井、钻探领域的信息测量采集技术以数字 化、全方位、多功能、智能化的方向发展。 一、课题研究的意义 目前我国通常应用的随钻测量仪器的测量传感器距离钻头普遍较远( 约为8 2 0 m ) ， 一般情况下电阻率测量距离钻头最近，其它地质参数次之，井眼姿态及钻头压力测量传 感器距离钻头最远“，这就严重制约了钻头处工程和地质参数的准确获取，也不利于井 眼轨迹在油层中的有效穿行。随着国家对油气需求不断增长，勘探开发面临的形势更趋 复杂，钻井工程的难度也越来越大，迫切需要采用高新钻井技术，以提高油气探井的钻 井成功率和发现率，提高油气开发井的储层钻遇率和采收率，达到增储上产和降低吨油 成本的目的。 随着石油工业生产过程向更高的精确度、更快的节奏和更复杂的流程发展，原有的 传统压力测量技术已经越来越不能适应要求。迫切需要探索新的测量原理和方法，需要 突破传统传感技术的阈值界限，在数量级的意义上具有更高的响应速度和信噪比，需要 超越经典的方法，以新的途径获取信号“1 。在很多领域，钻井压力测量的工作方式已经 发生了很大变化，已经同各种各样的工作对象融为一体，而且必需服从苛刻的现场应用 条件，经得起强烈的振动冲击，电磁干扰和大幅度的冷热剧变。为了适应这种变化，传 统测量系统的设计和工艺正在经历重大的改革，要向高性能，高集成度、可控可观测、 引言 高智能自动化的方向发展。 二、国内外研究现状 1 随钻井下测量技术 m w d 是将测量工具安装在靠近钻头的井底组合钻具中从而贴近钻头附近测得某些 信息，不需要中断正常钻进工作而将信息传送至地面并在钻进过程中进行测量的门技 术。而后发展起来的多参数测量的随钻测井( l w d ) 嘲技术和更贴近钻头测得钻井压力 信息的随钻测量压力( p w d ) 技术相继孕育而生。许多随钻测量工具均有能力测量井下 压力，但是大多数限定在测量经过井下钻具组合( b n a ) 的压力差，以监测井下马达和测 量设备的性能。随钻测量压力系统即p w d 以新的形式连接到随钻测量工具上从而可以 更贴近钻头测得压力数据。 2 国外研究发展现状 世界上先进的随钻测量压力系统已经应用了近钻头传感器，可以测量距钻头1 2 m 范围内的环空压力、扭矩、侧向力和钻井压力等数据“1 ，通过无线传输系统把这些数据 从钻头附近传到m w d 系统。国外的随钻测量技术已经相当成熟，能够实时测量贴近钻 头处的地质参数和工程参数，当前国际上应用于钻井压力测量的先进技术为p w d 即随 钻测量压力系统，并且这种系统可以更贴近钻头测得钻井压力数据。该系统在挪威海上 钻井油田使用中表现出良好的性能，并且可以大大提高钻井效能，可以有效的防止由于 井下问题而导致的时间浪费和处理事故成本”3 。随钻测量设备在世界上已经商业化，代 表性的服务公司有，斯伦贝谢公司( s c h l u m b e r g c r ) 、贝克休斯公司( b a k e rh u g h e s ) 、哈 里波顿公司( h m l i b u r t o n ) 、康普乐公司、斯佩里一太阳钻井服务公司、g e o l i n k 公司等。1 。 从国外的随钻测量发展状况来说，嵌入式技术应用于随钻压力测量系统已经比较成熟， 并且采用的嵌入式芯片在集成度和性能等方面都很高，国外的相关技术产品功能强大， 但是价格比较昂贵，而且不完全适合我国钻井测量的具体需要，引进开发同类国外产品 开发周期较长，开发成本高。 3 国内总体情况 当前国内的随钻测量技术应用范围很广，各大油田的开采能力与钻井技术也越来越 成熟，但是与国外技术相比，我国还处在引进和消化国外随钻测量技术的阶段，总体上 处于应用引进仪器和部分国产化仪器的随钻测量m w d 技术初级阶段，尚未形成规模化 应用的生产局面。国内用于测量钻井压力的方法主要是借助m w d 设备，对相对独立的 钻井压力测量系统的研究一直在进行但是并未进入产品研制阶段，为了消除随钻测量技 术长期被国外垄断的局面，实现随钻测量技术上的独立与自主创新，国内对技术的引进 2 大庆石油学院硕士研究生学位论文 应用与研发也在不断进展中并已经取得了显著成绩。而目前国内因仪器研制与技术研究 起步较晚，基本处于国外第一代产品的初期水平嘲，集成度不高，实时地质参数较少， 测点离钻头较远“”。然而，随钻测量系统的重要性和潜在经济价值早就为国内钻井界所 瞩目，研制m w d 工具及其子系统已势在必行，开展m w d 技术研究并应用于钻井服务 已是当务之急。 对上述国内外当前的随钻压力测量系统的研究和发展状况分析可以看出，目前国内 的油田钻井压力测量方法一般采取传统的压力测量手段和m w d 压力测试系统，基础数 据采集精度，实时性采集，对压力变化的反映灵敏度，系统集成度等性能不尽完善。当 前具体存在的问题主要有以下几点： 引进研发国外同类产品造价高、兼容性差且系统开发周期长。 国内的钻井压力测量系统主要应用集成度较低的m s c - 5 1 系列芯片，所需的外围 接口芯片较多且不能兼容高集成度接口芯片，导致系统整体稳定性降低，体积相对较大， 集成度降低。 系统功耗高并且工作环境温度适应性差，系统数据采集精度相对较低，数据存储 容量较小并且在抗振动性能等方面不尽完善。 从应用角度看现有系统无法根据现场实际需要做及时地调整，升级换代困难。 基于此迫切需要一种更适合我国油田建设的低成本、开发周期短、高精度、小体积、 高灵敏度、高集成度和耐高温高压的钻井压力测量系统的研究开发。 三、s 0 0 嵌入式微控制器 s o c ( s y s t e m o n c h i p ) 的定义多种多样，由于其内涵丰富、应用范围广，很难给出 准确定义1 。一般说来，s o c 称为系统级芯片，也有称片上系统，意指它是一个产品，是一 个有专用目标的集成电路，其中包含完整系统并有嵌入软件的全部内容。同时它又是一 种技术，用以实现从确定系统功能开始，到软硬件划分，并完成设计的整个过程。 用s o c 设计单片机系统嵌入式结构，为设计者提供了现有技术所无法比拟的优越条 件。设计者不必在选择单片机的型号上下功夫；只须要根据所设计系统的固件特性和功 能要求，选择相应的单片机c p u 内核，再根据需要选择其他的球模块，就可以实现完 整的系统。同时还把现有精密调整的前置电路( 模拟信号处理部分) 也全部安放在一块 芯片中，从而避免了大量的p c b 扳调试工作。从“单片机必须实现系统单片化”的角度 看“”，这种系统正是用户自己设计的专用单片机系统，而且是一个能实现全部系统功能 的优化系统。这种系统的调试、测试方法与传统的单片机系统完全不同，已经成为一个 能处理模拟- 数字混合信号的全新系统。 从以上对s 0 c 微控制器的特点说明与分析可以看出5 0 c 技术使单片机应用系统实现 了更高层次上的集成。所以根据本系统的实际应用特点，采用s ( ) c 技术设计可以更好的 3 引言 实现钻井压力测量系统的集成化、小型化。相对于传统的单片机钻井压力测量系统s c i c 技术应用于钻井压力测量可以使系统的性能更加完善，具体主要特点如下： 1 s o c 嵌入式c p u 应用于钻井压力测量系统与传统单片机比起来最大不同就是它 大多工作在为特定用户群设计的系统中，具有低功耗、体积小、集成度高等特点，能够 把传统单片机中许多由外围接口器件或设备完成的任务集成在芯片内部，从而有利于嵌 入式钻井压力测量系统设计趋于小型化，移动能力大大增强。 2 s o c 嵌入式系统设计和具体应用有机地结合在一起，它的升级换代也是和具体产 品同步进行，因此s o c 嵌入式系统产品一旦进入市场，就具有较长的生命周期。 3 在系统调试开发过程中s o c 微控制器也具有传统单片机无法比拟的优越性，可 以方便的实现系统在线调试，及时解决系统存在问题并且性能相对更稳定。 4 对资源的占用率小，节省开发时间和开发成本，可以大大提高钻井压力测量系 统的开发效率，缩短开发周期。 四、论文的结构与安排 本论文共分四章加以阐述。 第1 章主要阐述系统的性能指标，并在此基础上提出了系统的整体设计方案。根据 设计方案要求进行系统核心微控制芯片的选型，之后详细介绍了a d u c 8 4 8 的功能特点。 第2 章对系统的硬件设计环境进行设计与p c b 制作进行了介绍，详细描述了系统 硬件的各个功能模块的设计实现与元器件选型，给出了系统的整体设计框图、电路设计 图和p c b 板图，并说明了硬件设计过程中遇到的问题及解决方法。 第3 章简要的对系统的软件集成开发环境l ( c i lv 3 嵌入式m c u 仿真下载调试软件 进行了介绍，给出了系统软件的总体流程设计，对a d 转换、外部中断、存储读写、数 据传输等主要功能模块软件进行了阐述并给出主要的设计代码。 第4 章针对系统的硬件模块进行总体标定测试，主要完成对模拟放大电路、硬件滤 波电路、供电电路、数字模块设计电路等的测试，并对系统的软件功能进行了仿真调试。 完成系统的软件下载，进行系统运行试验并得出结论。 4 大庆后油学院硕士研究生学位论文 第1 章系统整体设计 1 1 系统主要技术指标与特点 本系统根据被测钻井压力参数的特点而设计，按照方便实用、系统可靠、技术先进、 经济节能、灵活应用的原则，应用先进成熟的s o c 嵌入式微控制器技术，主要模块均选 用军品标准的元件提高系统的整体性能和测试质量。系统满足的主要技术指标如下： ( 1 ) 压力测量范围，0 7 5 m p a ； ( 2 ) 正常工作温度范围，一4 0 + 1 2 5 ； ( 3 ) 存储温度范围，一6 5 一+ 1 5 0 ； ( 4 ) 抗振动范围，0 2 0 0 h z ； ( 5 ) 一路单通道测量，通道输入量为模拟信号； ( 6 ) d 转换为1 6 位无失码编码； ( 7 ) 模拟通道采样频率最高可为1 3 6 5 也； ( 8 ) 连续运行时间1 0 0 小时； ( 9 ) 最大数据存储容量8 m 字节； ( 1 0 ) 外部电源供电范围：直流供电6 v 1 2 v , ( 1 1 ) 通信模式，r s 2 3 2 串口通信。 由于本系统需要在高温、高压、高振动的环境中连续长时间的作业，对系统的设计 就要考虑到诸多方面的问题。本系统是对井下的钻井压力进行实时的测量并且上传存 储，应当贴近钻头测量真实钻压，根据以上工程的实际要求本系统应具备如下特点： ( 1 ) 耐高温。因为在钻进过程中随着钻井深度的不断加深，在钻头、钻铤和组合 钻具的附近就要产生很高的温度，并且由于深度增加底层的温度也不断提升，这就需要 整个系统有着良好的耐高温性能，并且系统本身长时间运行也必然会产生热量，所以本 系统采用的绝大部分元件均符合军品标准温度范围，以符合实际恶劣环境工作的需要。 ( 2 ) 耐高压。在钻井的过程中井下所产生的压力是很大的，而且种类很多包括， 钻井压力、环空压力、侧向压力、底层压力、钻井液压力等等。这就需要整个系统的耐 高压性能良好。 ( 3 ) 抗振动。高振动也是井下作业的特点之一，由于振动对井下电子测量设备的 影响很大，甚至可以带来系统损坏的结果，所以抗振动也是本系统应该具有的特点。 ( 4 ) 体积小。本系统是针对井下的钻井压力进行随钻测量，需要连接压力传感器 进行信号的采集处理，而且传感器要更贴近钻头，系统和传感器直接相连装在贴近钻头 空间狭小的组合钻具基，所以系统的绝大部分元件均采用贴片封装的元件，尺寸小。 5 第1 章系统整体设计 ( 5 ) 直流供电耗电量低。系统的一次性作业时间较长根据钻井的实际工程需要设 计最长一次性工作时间为1 0 0 小时，而井下作业一般都是采用的井下电池作为所有井下 电子测量设备的电源，这就需要设计时考虑的系统耗电的问题。本系统的s o c 微控制器 芯片为直流5 v 供电，其它主要元件的供电电压也在3 v 5 v 之间，所有器件均是工作在 低频范围功率很低，耗电均在几十毫瓦左右。 ( 6 ) 硬件可扩展、软件可升级。由于系统采用的微控制器可进行多路模拟通道输 入，本系统的设计是基于单通道的单路压力测量信号进行数据采集的设计，可以根据实 际情况的需要在设计上增加硬件接口以扩展硬件功能。本系统采用的s o c 控制器是8 k 片上f l a s hr o m 可擦写1 0 0 万次，而且是可在线编程的，可根据系统的实际情况需要及 时对软件进行更改升级，下载方便快捷易于调试。 1 2 系统整体方案设计与描述 随着信息化带动工业化进程的逐步加深，电子计算机信息技术的不断发展和完善， 以s o c 微控制器为核心的测量采集系统的应用也越来越多。随着工业化的进步，以前传 统方式进行的测量已经远远不能满足现在的工业化生产需要，而采用微控制器实现测量 与数据的采集系统具有自动化和无人值守的特点“”，使得它们在许多领域都得到了广泛 的应用。 本课题根据当前石油工业化发展的需要，结合先进的高集成度嵌入式微控制器技术 来设计一套具有低功耗、小体积、高精度的压力信号测量采集系统。采取如下的技术路 线和整体解决方案：采用s o c 芯片作为系统的主控源，这种微小型嵌入式控制处理系统 包含了许多接口使用于智能仪器仪表解决方案的设计，随着微电子、单片机、超大规模 集成电路的发展单片微型计算机的应用越来越广泛。外围电路和接口的设计采取相关的 成熟微电子集成电路技术“。_ d 、d a 转换，看门狗定时器、u a r t 串行通信、1 2 c 总线双向通信、s p i 串行编程和i o 接口等技术的采用大大提高了系统的性能和信息处 理速度，缩短开发周期、节省开发成本“”。基于上述考虑本系统采用基于s o c 的微控制 处理单元，围绕微控制器开发扩展相应外围电路，完成从数据采集，数据存储，数据传 输，上下位机通讯的硬件设计，再配合系统要求编制硬件电路对应的软件程序。 本系统的设计采用高性能、高集成度、高稳定性的s o c 系统级微控制器。用这种芯 片实现的系统具有很好的耐高温性，并且功耗非常低“。它通过片内的a d 转换通道与 外部的压力传感器进行连接，由于从外部压力传感器获得的是毫伏级的电压或者电流信 号，这样使得本系统具有超低功耗的特点。系统采集得到的压力数据通过u a r t 串口将 数据上传到上位机或地面m w d 设备并可存储到系统f l a s h 中，因为可以将数据交给上 位机设备进行处理，所以降低了采集系统的负担，增加系统处理的灵活性。图1 - 1 为系 统原理框图。 6 大庆石油学院硕士研究生学位论文 囝卜1 系统原理框图 f i g 1 一it h es y s t e mp r i n c i p l ed i a g r a m 由图1 - 1 可以看出，整个钻井压力测量系统由模拟信号输入调理模块、r s - 2 3 2 串口 通信模块、系统时钟模块、系统供电模块、系统复位模块、数据存储模块和上位机接口 模块组成。模拟信号的输入调理放大滤波功能主要由前端的调理电路实现，串口通信模 块主要是与上位机或者m w d 井下设备进行数据通信，由于微控制器的电平和上位机的 电平不同，因此接口的时候需要电平转换。电源、时钟、复位模块主要是为整个系统提 供可靠的供电和晶振。另外考虑到系统工作需要有复位功能，因此也为系统提供复位信 号。整个系统的程序在线更新下载功能由下载模块完成，灵活更新系统软件以便符合实 际工程的需要。 1 3 系统微控制器选型 根据嵌入式钻井压力测量系统的实际需要和性能特点，选取的s o c 系统级微控制器 应具备体积小、精度高、耐高温、低功耗、性价比高、应用简单灵活和处理速度快等技 术指标。目前s o c 微控制器的生产厂商很多，经过仔细筛选在众多的微控制芯片中选取 三款微控制器作为系统主控源芯片备选方案，它们分别为：a d i 公司出品的a d u c 8 4 8 系 列s o c 微控制器；s i l i c o nl a b s 芯科实验室有限公司出品的c 8 0 5 1 f 5 3 0 系列s o c 微控制 器；t i 德州仪器公司出品的m s c l 2 1 0 系列s o c 微控制器。以下分别通过对三个备选方案 的技术性能指标分析和应用情况介绍对比，最终选出系统采用的主控芯片方案设计。 1 a i ) u c 8 4 8 微控制器。此款备选芯片具有一个1 6 位高分辨率的a d c ，8 通道模拟 输入多路复用器，4 k 字节闪速电擦除数据存储器和2 3 0 4 字节的数据r a m ，串行数据 总线方式有三种：i 总线、s p i 、标准u a r t ，3 个1 6 位定时计数器，采样速率可编程 从5 3 5 h z 1 3 6 5 l ( i z ，标准输入电压4 7 5 - 5 2 5 v ，工作温度范围：4 0 + 1 2 5 ，正常 工作电流为3 1 m a ，片内微控制器是一个优化的单时钟指令周期8 0 5 2 闪存m c u ，该 m c u 在保持与8 0 5 1 指令系统兼容的同时，具有1 2 5 8 m i p s 的性能。a d u c 8 4 8 具有串 7 第1 章系统整体设计 行下载和调度模式，可通q u i c ks t a r t 或k e i l 软件实现仿真下载。芯片规格为 1 0 m m x l o m m 。应用范围广主要是仪表、测量和数据采集系统“”。此款芯片的国际参考 价格在8 5 5 美元左右。 2 c 8 0 5 1 f 5 3 0 微控制器。此款备选芯片具有一个1 2 位分辨率的a d c ，1 6 通道模拟 输入多路复用器，2 5 6 字节的数据r a m ，串行数据总线方式有三种：l i n 2 0 、s p i 、标 准u a r t ，3 个1 6 位定时计数器，采样速2 0 0 k h z ，标准输入电压2 7 巧2 5 v ，工作温 度范围：- 4 0 一+ 1 2 5 ，正常工作电流为9 m a ，片内微控制器是一个优化的单时钟指令 周期8 0 5 1 内核m c u 具有2 5 m i p s 的性能。可通过s i l i c o nl a b s 的专用开发平台实现 仿真下载。芯片规格为6 5 m i n x 6 5 m m 。应用范围广主要是汽车电子、家用电器和电池 监控等“”。此款芯片的国际参考价格在9 7 2 美元左右。 3 m s c l 2 1 0 微控制器。此款备选芯片具有一个2 4 位高分辨率a d c ，8 通道模拟输 入多路复用器，2 5 6 字节的数据r a m ，串行数据总线方式有两种：s p i 、标准u a r t ，3 个1 6 位定时计数器，采样速率8 k h z ，标准输入电压2 7 巧2 5 v ，工作温度范围： - 4 0 一+ 8 5 ，正常工作电流为1 8 m a ，片内微控制器是4 时钟每指令周期8 0 5 1 内核具 有8 m i p s 的性能。m s c l 2 1 0 具有串行下载和并行下载模式，可通过t i 公司的开发平台 或k e i l 软件实现仿真下载。芯片规格为1 2 2 m m x l 2 2 m m 。应用范围主要是工业过程控 制、医疗仪器、智能传感器等领域“”。此款芯片的国际参考价格在1 5 0 1 美元左右。 由以上三款s o c 微控制器的功能特点说明可以看出它们各有优势，考虑到本系统对 芯片温度和采样精度等的要求，需要加以详细对比分析得出最优方案。根据系统程序容 量等因素综合考虑所有备选方案均选取8 k 字节的程序存储器，在此基础上对各个方案 的分辨率、温度特性、功耗、体积、性价比等指标做出的分析如下： a d c 分辨率和通道。从a d c 分辨率来看m s c l 2 1 0 微控制器具有的分辨率最高， 但是钻井压力测量系统不需要特别高精度的分辨率就可以实现对模拟信号的采样编码， 1 6 位的精度很适合系统的实际需要，而c 8 0 5 1 f 5 3 0 微控制器的1 2 位分辨率又很难真实 反映压力情况的细微变化，所以a d u c 8 4 8 的1 6 位分辨率更符合系统需要。如果扩展输 入通道用于测量扭矩、环空压力等井下其它压力参数信号至多只需要4 路通道，因为本 系统是对单路压力信号进行处理所以8 路通道就可以满足系统需要。 体积、功耗与工作温度。整个钻井压力测量系统要满足体积小的特点，所以核心 的器件体积必须尽量小，三款芯片中c 8 0 5 1 f 5 3 0 体积最小。系统需要工作在高温环境下 就需要主控芯片有良好的耐高温性能，三款芯片中只有m s c l 2 1 0 的温度是工业温度范 围，其它两款均是军品温度范围。从功耗角度来看c 8 0 5 1 f 5 3 0 的功耗最低，从芯片的处 理速度来看c 8 0 5 1 f 5 3 0 具有相对较快，但分辨率不够高。m s c l 2 1 0 功耗适中但体积相 对较大处理速度相对较慢。a d u c 8 4 8 虽然功耗相对较高，处理速度适中，但是耐高温性 能好，体积相对m s c l 2 1 0 较小，考虑到系统的分辨率与体积等因素，并且为了满足系 统对工作环境适应性的要求综合考虑a d u c 8 4 8 更具有优越性，可以考虑在设计电路板合 理布局减小系统体积，采用功耗小的外围器件降低系统的整体功耗。 8 大庆石油学院硕士研究生学位论文 芯片功能开发性价比。c 8 0 5 1 f 5 3 0 的开发需要s i l i c o nl a b s 的专用开发平台实现 价格相对昂贵，m s c l 2 1 0 和a d u c 8 4 8 都支持k e n 的在线开发调试，芯片开发成本低且 易于实现。从苍片的价格角度看a d u c 8 4 8 相对较便宜。所以从开发成本与性价比等方 面综合考虑a d u c 8 4 8 更具有优势。 通过上述的对比分析再结合三种方案的特点说明可以看出，a d u c 8 4 8 不但在性能上 满足系统设计需求而且具有更高的性能价格比，所以本系统采用a d i 公司出品的s o c 系 统级微控制器a d u c 8 4 8 作为嵌入式钻井压力测量系统的核心控制芯片。 1 4a d u c 8 4 8 的特点及主要功能 a d u c 8 4 8 是a d i 公司新推出的高性能s o c 模拟信号处理微控制器。本系统采用的 该系列的a d u 0 9 4 8 b s 8 5 型号芯片，支持q u i c ks t a r t 和k e i l 开发系统等低成本的软件 和硬件工具。该芯片具有5 2 引脚塑料四方扁平封装m q f p ( m e t r i cq u a df l a tp a c k a g e ) 和5 6 引脚芯片级封装l f c s p ( l e a df r a m ec h i ps c a l ep a c k a g e ) ，本系统采用是 a d u c 8 4 8 b s 8 5 的5 2 管脚m q f p 封装芯片。该芯片的a d c 由一个输入多路复用器，采 用高频“斩波”技术来提供优良的直流失调和失调漂移指标，因而非常适合用于低温漂， 且对噪声抑制和抗电磁干扰能力要求较高的应用场合。 1 4 1a d u c 8 4 8 的性能特点 ( 1 ) 离分辨率a d c 。 带有1 个独立的8 通道、1 6 位模数转换器( a d c ) ； 1 6 位无丢失码； 芯片的失调漂移为1 0 n v ，增益漂移为0 5 p p m c 。 ( 2 ) 存储器 8 k 字节片内闪速电擦除程序存储器( a d u c 8 4 8 b s 8 5 ) ； 4 k 字节片内闪速电擦除数据存储器； 闪速电擦除存储器可使用1 0 0 年，可重复擦写1 0 万次： 有3 种闪速电擦除程序存储器安全模式； 在线串行下载； 带有高速用户下载功能( 5 秒) ； 带有2 3 0 4 字节片内数据r a m 。 ( 3 ) 基于8 0 5 1 的内核 具有与8 0 5 1 兼容的指令系统： 高性能单指令周期内核； 可使用3 2 k h z 外部晶振： 9 第1 章系统整体设计 具有片内可编程锁相环p u ，( 最高时钟频率1 2 5 8 m h z ) ； 有3 个1 6 位定时，计数器； 有2 6 条可编程输入输出线： 1 1 个中断源，2 个优先级； 双数据指针，扩展的1 1 位堆栈指针。 ( 4 ) 片内外围设备 内部电源复位电路； 1 2 位电压输出d a c ； 双1 6 位d a c p w m ； 片内温度传感器； 双激励电流源； 时间间隔计数器( 唤醒r t c 定时器) ； u a r t ，i z c 和s p l 串行接口； 高速波特率发生器( 包括1 1 5 ，2 0 0 ) ； 看门狗定时器( w d t ) ； 电源监视器( p s m ) 。 ( 5 ) 电源 可用3 v 和5 v 电压工作； 正常情况下为最大4 8 m a 3 6 v ( 核心时钟频率为1 5 7 m h z ) ； 掉电保持电流为2 0 1 1a ，可唤醒定时运行。 ( 6 ) 军品温度范围 运行温度4 0 + 1 2 5 ； 存储温度6 5 + 1 5 0 。 ( 7 ) 应用范围 多路传感器监控设备； 工业测量仪器仪表； 较宽范围的压力、温度测量监控系统； 便携设备、电池供电系统； 高精度数据记录采集系统等。 1 4 2a d u c 8 4 8 的结构体系及引脚功能 a d u c 8 4 8 是高集成的s o c 模拟信号处理微控制器，它的主要体系结构如图1 2 。它 具有单指令周期8 0 5 2 内核，每秒处理速度为1 2 5 8 m i p s ，1 6 位数据采集系统，高性能 自校准8 通道a d c ，可编程8 位m c u 兼容8 0 5 1 指令集。 本文采用的a d u c 8 4 8 系列s o c 微控制器中型号为a i ) u c 8 4 8 b s 8 5 的芯片，它具有 1 0 大庆石油学院硕士研究生学位论文 噩娶撼州嚣霪瓣 图卜2a d u c 8 4 8 体系结构图 f i g 1 2d e t a i l e db l o c ks t r u c t u r ed i a g r a mo f t h ea d u c 8 4 8 5 脚( a v d d ) ：模拟电源。 6 脚( a g n d ) ：模拟地。 7 脚( r e f i n ) ：外部差分参考输入的负向输入端。 8 脚( r e f i n + ) ：外部差分参考输入的正向输入端。 1 1 豢篓il；微 黧 器 第1 章系统整体设计 9 脚( p 1 4 m n 5 ) ：上电缺省设置为a i n 5 模拟输入。使用a i n c o m 时，a i n 5 用 作伪差分输入；使用a i n 6 时，用作全差分对的正向输入。输入同p 1 0 。 1 0 脚( p 1 5 ，f 悄6 ) ：上电缺省设置为a i n 6 模拟输入。使用a i n c o m 时，a i n 6 用 作伪差分输入：使用a i n 5 时，用作差分对的负向输入。输入同p 1 0 。 1 1 脚( p 1 6 a i n 7 i e x c l ) ：上电缺省设置为a i n 7 模拟输入。使用a i n c o m 时， a i n 7 用作伪差分输入；使用a i n 8 时，用作全差分对的正向输入。该引脚可配置1 之 个电流源。数字输入同p 1 0 。 1 2 脚( p 1 7 ，a 玳8 i e x c 2 ) ：上电缺省设置为a i n 8 模拟输入。使用a i n c o m 时， a i n 8 用作伪差分输入；使用a i n 7 时，用作全差分对的负向输入。该引脚可配置l 砣 个电流源。数字输入同p 1 0 。 1 3 脚( a 玳c 0 m d a c ) ：若选定相关的伪差分输入，则所有的模拟输入必须参考此 引脚。该引脚亦可作为d a c 的输出引脚之一。 p a i | - h p 1 “咐1 2 p i 舯精e 撇e 闩峪 p 鬟a w m r e f i k i - g n o r e f l - 雌只并 纠一5 p ，j 棚 h 黼7 n e k c h 7 ， 嘲8 n x c 2 a t n o o 榭d a c p 蠢材p w 枫k 恕翻p w - h 户皇囊审饷f 啪 p 2 , 4 d t 2 f x o g n o x t l 2 x t a l l 毁3 ，j 霸订2 p 2 2 r m m o p 幺，棚。钳 p 2 l kl 辩吣 8 d a t a 图1 3a d u c 8 4 85 2 管脚封装排列图 f i g 1 3a d u c 9 4 85 2 一l e a dm q f pp i nc o n f i g u r a t i o n 1 4 脚( d a c ) ：若d a c 使能，则该引脚输出d a c 电压。 1 5 脚( r e s e t ) ：复位输入。当振荡器运行时，该引脚上长达1 6 个主时钟周期的 高电时使器件复位。 1 6 1 9 ，2 2 - 2 5 脚( p 3 0 - p 3 7 ) ：p 3 口是具有内部上拉电阻的双向口。当写1 的端口 3 被内部上拉至高电平时，它们可用作输入。由于有内部上拉电阻，被外部拉至低电平 的端口3 引脚将提供电流。当驱动一个0 - 1 的输出转换时，上拉功能将被激活并持续2 个内部时钟周期的指令循环。 1 2 大庆石油学院硕士研究生学位论文 1 6 脚( p 3 帆x d ) ：u a r t 串行口接收数据。 1 7 脚( p 3 1 t x d ) ：u a r t 串行口发送数据。 1 8 脚( p 3 2 i n t 0 ) ：外部中断0 ，此引脚也可用作选通门，控制定时器0 的输入。 1 9 脚( p 3 3 i n t l ) ：外部中断0 ，此引脚也可用作选通门，控制定时器1 的输入。 2 2 脚( p 3 4 厂1 1 d ) ：定时器计数器o 输入。 2 3 脚( p 3 5 1 7 1 ) ：定时器计数器1 输入。 2 4 脚( p 3 6 w r ) ：写控制信号。把来自p 0 口的数据字节锁存入外部数据存储器。 2 5 脚( p 3 佩d