基于ADuC848的钻井压力数据采集系统

1、基于ADuC848的钻井压力数据采集系统摘要：应用ADuC848新型微控制器和Keil仿真下载软件，设计开发了钻井压力敷据采集系统。本系统具有16位高精度AD转换器，数据实时采集上传存储，最高作业温度为125，具有功耗低和集成度高等特点。使用ISP在线编程时，要针对现场需要及时调整系统软件，灵活应用。关键词：ADuC848 数据采集 AD转换 ISP 引言目前国内的随钻测量钻井压力工具大部分是引进国外设备，成本高、维修困难。已经使用的国内设备在体积、集成度和精度上有着明显的不足，并且老化程度高。基于此种情况，笔者开发了一个基于ADuC848微控制器的、可扩展采集通道的钻井压力数据采集系统。AD

2、uC848是美国ADI公司最新推出的一款具有军品标准，单片最多可带8路模拟信号输入转换通道，扩展主机从机模式最多可达16路模拟输入通道的微控制器。它具有单16位高精度AD转换器、16位无差错编码，大容量64 KBFlash ROM、4 KB片上Flash和2 304字节片上RAM，高性能单循环内核，外部晶振32 kHz可编程倍频至12.58MHz，ISP在线高速下载编程，另外还有24个IO口、11个中断源(2个优先级)、双数据指针、内部节电模式、12位DA转换器，以及UART、SPI和I2C串行通信模式、看门狗定时器WDT和电源监视器PSW等。ADuC848芯片的52引脚MQFP封装仅为14

3、mm14 mm，最高工作温度为125，正常工作最大电流为48 mA且节电模式最大电流为20A。所以ADuC848特别适用于开发在高温恶劣环境下长时问作业的小型数据采集系统。1、系统硬件设计本系统主要分为5个模块，且所有主要元器件均选用ADI公司的模拟和数字军用标准产品，大大提高了系统的可靠性、耐高温性和抗震性。系统硬件设计总体框图如图l所示。1.1、模拟信号输入调理模块此模块主要实现对压力传感器输入信号的放大、滤波功能。前端信号放大部分应用高精度、零漂移的AD8230轨至轨仪表运算放大器，经过电阻测算标定为放大增益200倍。放大后的信号经由一个OP07D运算放大器滤波输入至ADuC8d8模拟通

4、道进行采集。钻压输入信号一般为O15mV，经过放大滤波后输出至AD采集的信号为03 V。AD8230的工作温度范围为一40125，最大漂移电压仪为lOV，最大温漂也仅为50 nV。本系统由于试验需要仅对一路模拟信号进行放大，并留有扩展输入通道接口，可根据需要将单片增加至8路。本模块电路原理图如图2所示。1.2、系统供电模块由于井下工作电源一般是由912 V的锂电池提供，而系统所有元件的工作电压均在5V左右，所以需要对9V的电源进行整流至系统5V输入供电。供电部分所采用的ADP303电压变换器，是一款高精度、200mA低漂移的线性整流器，特别适合于小功率系统的电源整流供电。其工作电压范围为321

5、2 V，可以解决由于外部电压不足而导致系统无法正常工作的问题。由于系统器件分为模拟器件和数字器件两部分，因此相应地分为模拟和数字供电。整流输出的5V供电经l00mH的电感和18的电阻分别为模拟电源和数字电源供电，这样可以大大降低供电对数字器件的干扰。而模拟地和数字地也需要经过0的电阻进行滤波才可以连接到一起，以便减小干扰，尤其是对精度高的数字器件应用时更应该注意这点。原理图如图3所示。1.3、SPI数据实时存储模块按照系统的要求需要对数据进行实时的存储，采用ADuC848微控制器自带的SPI接口对外部Flash芯片进行读写，实现数据回放功能。考虑到钻井作业的特殊性，单次施工连续工作在100h以

6、内，按每秒采集5组16位数据计算，单片Flash的容量至少应在686 MB以上，因此本系统采用了AT45DB542D(简称AT45D)的64 Mb串行SPI存储器。浚Flash芯片存储容量大，高速读写可至66 MHz，10 mA低功率串行工作，可擦写10万次，保存数据可达10年。可以根据现场的实际情况多片组合最大至256 Mb以完全满足大量数据存储的需要。本系统采用单片存储器完成试验。原理图如图4所示。1.4、上位机通信采集数据的上传接口采用的是RS-232串行通信模式，收发数据波特率设置为9 600 bps。微控制器的输入输出电平为TTL电平，即UART串口，与PC机RS-232标准串行接口

7、的电气规范不一致，因此控制芯片与PC机之间的数据通信必须进行电平转换。采用MAX232接口转换芯片可以很好地实现与上位机通信的功能。具体实现如图5所示。1.5、ADuC848接口、复位、PSEN与双机扩展各个模块与MCU的接口连接均由ADuC848的IO和通信口的外围电路设计完成。供电部分的接口均需接入01F的电容滤波，中断部分由一个开关和10 k下拉电阻组成，保证在系统中断电平允许范围内及时响应中断；MCU自带的TXD、RXD口分别与RS-232模块的Tlin、Rlout相连接直接形成串行通信，系统留有8个AD模拟输入接口(AINlAIN8)供系统扩展。系统的复位电路由按键和RC电路完成，系

8、统运行时确保REST口维持在低电平，需要复位时接通RC电路完成指定16个系统时钟周期的高电平复位。程序下载模式由PSEN口外接lk,下拉电阻完成，当系统处于连续工作状态时PSEN为开路非下载模式；当需要更新系统程序时，只需将PSEN短接至lk电阻后接通复位电路。系统便可以自动进入下载模式等待上位机下载程序。系统的双机扩展和外围存储器接口均由ADuC848的MISO、MOSI、SCLOCK、SS四线制的SPI接口完成。由它们设置主机、从机，并选择数据发送接收传输时钟，可以完成对存储器的读写和MCU的功能扩展。具体框图如图6所示。2、软件编制与ISP下载本系统的软件编制和仿真下载均在Keil公司最

9、新推出的Keil uVision3环境下实现。Keil单片机应用开发软件支持多种不同公司的MCS51构架的芯片，集编辑、编译、下载和仿真等于一体；同时还支持PLM、汇编和C语言的程序设计，在调试程序和软件仿真方面也有很强大的功能。Keil uVision3支持ADuC8XX系列芯片的开发和在线下载，简单易用，能够满足系统软件开发环境的需求。系统软件流程图如图7所示，包括两大主要功能：第一，实现无回放数据中断请求下的数据连续采集、存储及上传；第二，实现中断请求下的数据回放上传。数据采集部分的示例代码具体如下：数据存储器读取示例代码如下：ADuC848的P2O连接存储器的时钟SCLK，P21连接S

10、I，P22连接SOP23连接CS片选。ISP即系统可编程，指可以对电路印制板上的空白器件编程写入用户代码，而不需要把芯片取下来烧录再放入系统中，已经编程的器件还可以通过ISP方式重新编程和擦除原有程序。ADuC848自带有ISP方式的串行下载模式，通过TXD、RXD、DVDD、DGND引脚四线制接入RS-232模块。当PSEN引脚通过一个1 k的下拉电阻至低电平并且把系统复位时，隐藏在芯片内部的下载核开始工作，芯片进入串行下载模式，可以对片内64 KB Flash可擦写程序存储器进行串行在线下载编程。此种方式允许现场软硬件升级，高效、方便地提升系统功能。3、试验结果经过系统硬件标定和软件测试：当外部参考电压Vref+设置为33lV，Vref-设置为0 V，AD转换模式设置为外部参考电压、编码方式为双极16位编码、量程范围为一3389+3389 V，且一路模拟传感器电压信号输入凋理电路为0mV电压时，转换结果为0x8000；当信号输入为456 mv时，被放大为0912V至AD输入，转换结果为0xA270；当15mV输入信号被放大为3 V至AD输入时，转换结果为OxFl4B，数据及精度完全符合仿真标准。4、结论 本系统经过软硬件设计、硬件标