微型堵塞器型压力计的设计说明

1、WORD50/50WORD学 号: 0103070110 农业大学发展学院毕业设计（论文）微型堵塞器型压力计的设计学 院:电子信息工程学院专 业:测控技术与仪器 班 级:一班 姓 名:海龙 指导教师:吴旭云 微型堵塞器型压力计的设计摘要首先介绍了压力计的用途，并将我们设计的压力计同国外使用较多的压力计做了性能比较；然后，概述性的介绍了压力计的工作原理；并对压力计的总线选择、电数据压缩做了概念性介绍。并且对压力计的测量部分，计算部分，时间控制部分，电源控制部分，存储器部分的原理做了详细的阐述 其次详细论述了本压力计的下位机软件各组成部分。首先，在本章开头我们给出了测井数据采集部分、DS1629报

2、警部分、数据存储部分与I2C总线部分的程序流程图，最后给出了主流程图。 再次详细论述了数据拟合回归公式的基本原理，并给出了如何用拟合好的公式计算压力，温度值。只有对采集的数据进行数据拟合回归，才能得到真实的压力、温度值。数据拟合公式中系数的选择将对温度、压力值的精确度有极大的影响。 为了提高系统的鲁棒性，我们在本压力计的硬件与软件设计上都对容错性给予了极高的重视。在本章中，阐述了软件容错的基本概念、基本原理、基本方法、以与模型设定。最后，以本压力计为例，给出了软件容错的一些实际应用。关键字 石油 压力计 温度计The miniature stops the design of a pressu

3、re gauge of machineAbstract firstly,it introduces the use of manomerer,and it also compares the function the manometer of our design with the most used ones both here and abroad.Second,it introduces the operational principle of manomerer in general,and it also gives us a conceptual introduction for

4、the main line choice and data compaction.,it expatiates the the principal of detecting unit,computingtime,time control,power control ,memorizer.it discusses in particular the every part of the down machine sofetware.It firstly shows the collection of well logging data,DS1629 alarm system,data storag

5、e and program flow picture of I2C main line,then it shows the main program flow picture.It expatiates the basic principle of data fittings regression formula,and it shows that how to use regression formula to calculate the press and tempreture.Only if we use regression formula in collectiong date,we

6、 can get correct press and tempreture.The coefficient of data fittings regression formula will have a great influence for the precision of press and tempreture.In order to improve the robustness of the system,we pay great attention to the fault tolerance of hardware and software of this manometer.In

7、 this Chapter,it states many aspects of of fault tolerance,such as ,basic meaning,basicprinciple,basic method,and model specification.Finally,using this manometer as an example,it shows the practical application of software fault tolerance.Keywords Petroleum Pressure gauge Thermometer目 录 TOC o 1-3 h

8、 z u HYPERLINK l _Toc293079666第1章绪论 PAGEREF _Toc293079666 h 6HYPERLINK l _Toc2930796671.1 井下压力、温度测量仪的研究概况 PAGEREF _Toc293079667 h 6HYPERLINK l _Toc2930796681.2本课题的方案确定和要完成的工作 PAGEREF _Toc293079668 h 7HYPERLINK l _Toc2930796691.2.1 总体设计方案 PAGEREF _Toc293079669 h 8HYPERLINK l _Toc2930796701.2.2 系统工作原理

9、 PAGEREF _Toc293079670 h 8HYPERLINK l _Toc2930796711.2.3传感器选择 PAGEREF _Toc293079671 h 9HYPERLINK l _Toc2930796721.2.4 系统总线选择 PAGEREF _Toc293079672 h 10HYPERLINK l _Toc2930796731.2.5 要完成的工作 PAGEREF _Toc293079673 h 12HYPERLINK l _Toc2930796741.3本章小结 PAGEREF _Toc293079674 h 12HYPERLINK l _Toc293079675第

10、2章系统硬件 PAGEREF _Toc293079675 h 13HYPERLINK l _Toc2930796762.1 硬件组成 PAGEREF _Toc293079676 h 13HYPERLINK l _Toc2930796772.2 工作原理 PAGEREF _Toc293079677 h 17HYPERLINK l _Toc2930796782.2.1压力测量部分 PAGEREF _Toc293079678 h 17HYPERLINK l _Toc2930796792.2.2 温度测量部分 PAGEREF _Toc293079679 h 18HYPERLINK l _Toc2930

11、796802.2.3 电源控制部分 PAGEREF _Toc293079680 h 18HYPERLINK l _Toc2930796812.2.4 存储部位 PAGEREF _Toc293079681 h 19HYPERLINK l _Toc2930796822.2.5定时控制部分 PAGEREF _Toc293079682 h 19HYPERLINK l _Toc2930796832.3本章小结 PAGEREF _Toc293079683 h 19HYPERLINK l _Toc293079684第3章系统软件 PAGEREF _Toc293079684 h 20HYPERLINK l _

12、Toc2930796853.1 测井数据采集部分 PAGEREF _Toc293079685 h 20HYPERLINK l _Toc2930796863.2 时钟控制部分 PAGEREF _Toc293079686 h 20HYPERLINK l _Toc2930796873.3 数据存储部分 PAGEREF _Toc293079687 h 23HYPERLINK l _Toc2930796883.4I2C总线部分 PAGEREF _Toc293079688 h 25HYPERLINK l _Toc2930796893.4.1I2C总线的基本原理 PAGEREF _Toc293079689

13、h 25HYPERLINK l _Toc2930796903.5主程序流程图 PAGEREF _Toc293079690 h 29HYPERLINK l _Toc2930796913.6 本章小结 PAGEREF _Toc293079691 h 32HYPERLINK l _Toc293079692第4章数据回归 PAGEREF _Toc293079692 h 33HYPERLINK l _Toc2930796934.1 数据回归概述 PAGEREF _Toc293079693 h 33HYPERLINK l _Toc2930796944.2 拟合算法推导 PAGEREF _Toc293079

14、694 h 34HYPERLINK l _Toc2930796954.3 参数应用与实验结果 PAGEREF _Toc293079695 h 36HYPERLINK l _Toc2930796964.3.1求井温 PAGEREF _Toc293079696 h 36HYPERLINK l _Toc2930796974.3.2求压力值 PAGEREF _Toc293079697 h 36HYPERLINK l _Toc2930796984.4 本章小结 PAGEREF _Toc293079698 h 37HYPERLINK l _Toc293079699第5章软件容错 PAGEREF _Toc2

15、93079699 h 38HYPERLINK l _Toc2930797005.1软件容错的定义与分类 PAGEREF _Toc293079700 h 38HYPERLINK l _Toc2930797015.1.1时间容错 PAGEREF _Toc293079701 h 38HYPERLINK l _Toc2930797025.1.2 信息容错 PAGEREF _Toc293079702 h 39HYPERLINK l _Toc2930797035.1.3 软失效运行 PAGEREF _Toc293079703 h 39HYPERLINK l _Toc2930797045.2 软件容错系统结

16、构介绍 PAGEREF _Toc293079704 h 39HYPERLINK l _Toc2930797055.2.1 N版本程序结构 PAGEREF _Toc293079705 h 39HYPERLINK l _Toc2930797065.2.2 恢复模拟块法 PAGEREF _Toc293079706 h 40HYPERLINK l _Toc2930797075.2.3提高软件的刚健性（robustness） PAGEREF _Toc293079707 h 41HYPERLINK l _Toc2930797085.3 应用 PAGEREF _Toc293079708 h 41HYPERL

17、INK l _Toc2930797095.3.1 防止死机 PAGEREF _Toc293079709 h 41HYPERLINK l _Toc2930797105.3.2判断读出时间是否正确 PAGEREF _Toc293079710 h 42HYPERLINK l _Toc2930797115.3.3判断下次报警是否能够实现 PAGEREF _Toc293079711 h 42HYPERLINK l _Toc2930797125.3.4 判断工作表 PAGEREF _Toc293079712 h 45HYPERLINK l _Toc2930797135.4本章小结 PAGEREF _Toc

18、293079713 h 46HYPERLINK l _Toc293079714第6章结束语 PAGEREF _Toc293079714 h 47HYPERLINK l _Toc293079715致 PAGEREF _Toc293079715 h 48第1章 绪论石油是一个国家的命脉，石油产业的兴衰直接影响到国家的经济。所以我国一直对油藏工程给予极高的重视。在油藏工程中的许多方面，可靠的地下油藏资料都是十分重要的：油藏工程师必须掌握大量的油藏数据资料，才能准确的分析油藏动态和预测各种开采方式下的生产趋势；菜油工程师也要了解生产井和注入井生产条件才能在油藏最佳动态情况下进行开采。这些资料大都是通过

19、不稳定试井得到的。 不稳定试井方法，例如，压力恢复、降压、注入能力测试等等，都是油藏工程和采油工程的一个重要方面。不稳定试井方法的主要过程由两部分组成：一部分是在井底造成压力改变，另一部分是测量压力改变随时间的变化。通过测量得到的压力值，可以用来估算出岩石、流体和井的特性参数，其有助于用来分析、改进和预测油藏动态。从不稳定试井获得的实验资料包括井筒体积，地层压力，渗透率，孔隙度，储量和其它有关数据。从中可以看到，这种方法的关键的技术资料就是测量得到的精确的压力值。以前，不稳定试井方法受到许多限制，其中最重要的一方面就是缺少精确的压力数据，而无法进行确切的分析。井下压力、温度测量仪的研究概况目前

20、，国外的井下测压技术发展的十分迅速，主要测量仪器为存储式电子压力计。其大多有着压力量程大、精度高、存储量大、采样速度快等优点，而国的井下测压技术还不十分先进。国外常见的压力测量仪的性能指标可参照下表1.1. 但由于此类传统压力计大多有着直径宽，体积大等诸多不利因素，造成现场测试困难，费用高、成本高，因而急需一种直径小、精度高、工作时间长的新型压力计。目前此类小直径压力计在国外已经问世，但是价格昂贵，而且井下工作时间较短；国同类产品较少，而且在测量精度、功耗、存储容量方面不尽人意。我们的微型堵塞器型压力计就是在这种形势下研制出来的新型产品。这套仪器配套于偏心配水器，测试工艺完全依照分层配水与测试

21、工艺进行。因而极利于注水井的压力温度测试，简化了工艺，节约了人力、财力。生产 厂家 斯坦微电子研究所金时石石油测试技术双福星科技有限公 司大名新技术开发公司市仪星压力量程（Mpa）050030045030030压力分辨率（%FS）0.050.010.050.050.01压力精度（%FS）0.50.50.40.50.5温度量程（）-10+125-40+120-20+1200+80-30+120温度精度（）0.50.5110.5温度分辨率（）0.10.10.50.50.1存储容量（点）300012000160001360014272井下工作时间（天）90180120180150表1.1 国外常见大

22、直径压力测量仪性能指标参照表 由上可见：一般压力计，其精度只能达到千分之一左右；而且一般只能耐到120度高温，我们知道随着井的深度增加，井下的温度也在增加，所以这种耐温度就限制了被测井的深度；一般的测压计的容量也不是很大，只能达到25万组数据，更有甚者只有几千组，因为井下数据的数量越多对被测井的特性分析也就月充分；存储量不大，也就意味着不会掌握很多的井下压力数据，很大的限制了不稳定试井的使用围；而且，大多数压力计的温度测量不精确，现在国际通用的压力计都要求精确的温度测量，这是因为被测井下压力同当时的井下温度有关，测得的压力数据要根据以温度拟合成的数据为系数的方程来得到正确的压力真值，如果温度值

23、不准，则压力值也不会准确。而且，温度本事对于试井也有着极大的意义。本课题的方案确定和要完成的工作 对本课题所提出的技术指标有如下几项：压力量程： 075Mpa压力精度： 0.05%FS压力分辨率： 0.001%FS温度量程： -30+125度温度精度： 0.1度温度分辨率： 0.05度 最大存储容量： 80000点 井下工作时间： 半年以上 外径： 15mm 长度： 20%溢出更新快采点数总点数加一置快采标志数据压缩并写入存储写入下次报警时间更新浮动工作表可以报警去恢复工作表子程序更新慢采点数换段读出快采点数进行换段操作置标志写1629断电ENY N 图3.5.2 主程序流程图E部分3.6 本

24、章小结 本章中详述了本压力计的下位机软件各组成部分。首先，在本章开头我们给出了测井数据采集部分、DS1629报警部分、数据存储部分与I2C总线部分的程序流程图，最后给出了主流程图。程序中还涉与到软件容错的问题，将在第五章介绍。数据回归在第一章中，已经说明了数据回归的意义，在本章中主要是推导数据回归算法的实现，并将说明算法的应用过程。4.1 数据回归概述 将测到的数据通过一定数学运算还原成真实的压力、温度值的过程叫做数据回归。数据回归的方法一般采用以下两种：（1）最小二乘线性回归方式；（2）五次多项式回归方法。线性电子压力计，采用最小二乘线性回归方式拟合，常温下最小二乘工作直线示值Y的计算公式为

25、： （4.1） （4.2）式中： 工作直线的截距；工作直线的斜率；某压力检定点输出示值的算术平均值；某压力检定点的压力值（Mpa）；压力检定点数；对应压力值的工作直线示值。非线性电子压力计，多采用五次多项式回归分析的方法。由于压力计的压力采用值受到温度的影响，因此在测量压力的同时必须测量对应的温度值，并根据温度值回归出压力校准系统。在获得压力校准系数后即可回归出压力真值。由于本次设计的压力值具有上述的非线性特征，因此这里采用二元多项式回归的方法求压力温度值。二元五次多项式回归方程常表示如下：（4.3）（4.4）其中，分别为压力，温度的原码值。A,B,C,D,E,F为压力校准系数，为温度的函数。

26、，. .为温度校准系数。4.2 拟合算法推导 如上所述：压力传感器发出的是同所测压力成正比的电压信号，而温度传感器的输出直接为实际温度值，因此温度无需回归，而要从测得的电压信号中得到精确的压力，必须对压力数据进行数据二元回归。即： 式中： ：测得的电力电压值；：测得的温度值；：对应与的压力值；：压力回归方程。数据回归函数的选择一般有以下两种：线性方程、非线性方程。对于我们所使用的传感器，其在5MP55MP之间呈现线性状态，而在05MP，以与55MP以上呈现非线性状态。如图4.1所示。所以，整个工作区，传感器呈现非线性状态。对于非线性电子压力计，一般采用N（N一般取3或5）次多项式回归分析方法，

27、以求得每个温度点下的压力校准系数。以N取5为例，其回归方程为： （4.5）其中：、为压力方程校准系数，均是温度的函数： （4.6） （4.7） （4.8） （4.9） （4.10） （4.11）405575图 4.1 压力方程校准系数随温度变化，在恒温浴温度采点处加压，每一温度点至少加6个压力，这样至少要36点压力值。标定n个温度点下的压力可得如下方程 组： （4.12） 从上述方程组中解得：、；、；、；、；、；、 由于以上压力系数均为温度的函数，因此有如下方程：（4.13）（4.14）解方程组，可求得，；，；，。相应的代入方程（46）（411），可得任意温度下的A、B、C、D、E、F，进而可

28、得P。4.3 参数应用与实验结果4.3.1求井温 电子压力计的测温井筒某点压力时，首先得到的是温度T的三个字节原码值，按照算法（21）即可得到该点井温T。4.3.2求压力值 在求压力时，应先得到该点的井温，由上述方法得到井温后，将温度代入方程组中，得到相应的压力校准系数A、B、C、D、E、F。然后测量，将压力校准系数代入方程，则可以的得到相对于此点温度的压力值。 按照以上方法，所求标定系数，；，；，的值如下： 根据以上系数以与所测的温度、压力码值即可求出实际压力温度值。具体试验数据见第六章实验部分。4.4 本章小结 只有对采集的数据进行数据拟合回归，才能的到真实的压力、温度值。数据拟合公式中系

29、数的选择对温度、压力值的精确度有极大的影响。本章中详细论述了数据拟合回归公式的基本原理，并给出了如何用拟合好的公式计算压力，温度值。软件容错 为了提高计算机系统的可靠性，特别是为了满足长周期且无人照管计算机的运行要求，提出了软件容错技术。容错法在运算当中允许被故障发生，但这些故障的影响借助冗余技术而自动抵消，因此即使存在故障也能维持正确的计算。我们所涉与的测量仪工作在地下几千米，工作时间最长可达一年，在这段时间里，测量仪的工作环境可能出现这样或那样的情况，如：强碰撞。信号干扰、以与一些不可知的干扰。这样就要求我们的软件能够在外界发生干扰，使系统暂时无常运行的情况下，可以自我恢复到正常状态，不影

30、响随后的采集工作。软件容错的定义与分类 软件容错技术是指在程序上能是计算机软件从错误状态自动恢复到正常状态的可靠性技术。按设计思想，软件容错技术可以分成时间容错、信息容错、软失效运行等。时间容错 时间容错是以牺牲时间来换取计算机系统的高可靠性的一种手段，它包括指令复执和程序卷回两种方法。指令复执 指令复执是指当系统验出错误后，令当前的指令重复执行若干次，如果故障是暂时性的，在指令复执期间，有可能不再出现，这样原来的程序又可以继续往前执行了，这相当于延长了无故障运行时间。 实行指令复执的要求：当发现错误时，能准确保留现行指令的地址，以便重新取出执行。 现行指令使用的初始 必须保留，以供重新执行时

31、使用程序卷回 程序卷回不是指某一条指令的重复执行，而是指一小段程序的重复执行。其可以用一下图描述： 图5.1是一个程序执行的时间序列。假设程序从时刻开始执行，如果在与这段时间里有错误发生并在处被检测到，则使程序重要返回到时刻的状态开始执行以求恢复错误。实际上时刻对应与程序中预先设置好的各个恢复点。错误1-1101234t0t1t2t3t4t55.1.2 信息容错 信息容错是为了检测或纠正信息在运算或传输中的错误而外加一部分信息的技术。一般来说，附加的信息越多，其检错和纠错能力越强。经常见到的，在通信和计算机系统中，以奇偶码、汉明码、循环码与各种算术误差码都有很强的检错和纠错能力。5.1.3 软

32、失效运行 上面所讨论的冗余技术均是依靠大量的附加资源来改善数字系统的容错性能。另一种完全不同的方法是先把故障模块从系统中断开，在对象系统的其余模块进行重构，使系统依旧能继续（虽已降级）运行。在一系统发生故障后，虽然系统性能降级但能在可接受的水平上继续运行的能力，叫做“降级运行”或“软失效运行”。5.2 软件容错系统结构介绍5.2.1 N版本程序结构 N版本（N-Version Program）是一种静态的故障屏蔽技术，其设计思想是用N个具有一样功能的程序同时（或先后）执行一项计算，结果通过多数表决来选择。用NVP方法构成的系统如图5.2所示 程 序 2 程 序 1 程 序 N 表决程序输出图5

33、.1.1 NVP结构 这种多版本的软件不是想硬件的多模余裕方式采用完全一样的模块，而是编制的同一目标的不同版本软件。在执行程序时，各版本以一样的输入和条件同时执行，最后的输出结果进行多数表决作为软件的运行结果。因为是不同版本，因而犯一样错误的概率总是比一个版本犯该错误的概率要小，所以可提高软件的可靠性。5.2.2 恢复模拟块法 与硬件容错设计中的动态冗余技术类似，恢复模块法（Recovery Block）用一个NVP结构为核，再用S份程序作后备（后备程序随时准备替换NVP中出现差错的程序），就构成一个混合动态冗余系统。但是，这种系统由于时间和空间需求最大，很少能够得到实际应用。如果NVP结构退

34、化到一个极端的情况：N=1，则可以得到一个特别有意义的动态冗余结构恢复模块（RB）结构。PB结构的一般形式如图5.3所示。 主块首先投入运行，如果检测出故障，经现场恢复后一个后备块项上继续运行，这一过程可以重复到耗尽所有后备块，或者某个程序块的故障行为超出了预料，从而导致了不可恢复的后果。 恢复模块技术的基础思想是分段多版本，加上分段检测试验。它与整个软件的多版本的方法相比，能较稳健地、逐段地通过，最后达到整个程序软件通过。这种审定比较容易发现问题或错误所在之处。但它不能发现整个软件的结果性错误。恢复后备块 s 主 块后备块1故障检测开关、有后备块么有错么成功 YN失败YN失败系统输出N Y图

35、5.2 回复块结构5.2.3提高软件的刚健性（robustness） 所谓软件的刚健性是指软件在遇到违反规的情况下，程序能继续执行的性能。提高软件的刚健性可以缓解甚至屏蔽一些错误的影响。例如，遇到死循环时，当循环次数达到某一数值时就自动结束，保留当时结束，程序转出继续。提高软件的这种性能，实际上就是对个别错误的屏蔽或局部屏蔽。 这种方法的最主要作用就是防止一些系统出现的“死机”现象。5.3 应用在本测量仪的下位机软件中，我们采用了多种容错技术。因N版本程序结构主要用于并行结构，不适合单片机，所以在结构上我们主要采用了恢复模块法、提高软件得的刚健性的方法5.3.1 防止死机 防止死机部分，从硬件

36、上我们主要是采用了up电源监控器件；从软件上我们利用时间报警器件DS1629，通过对其进行编程控制时间报警，起到了一个软件看门狗的作用。看门狗要求主程序初始化后，马上就要设定。因此，在不同的程序分支下，要求看门狗有不同的时间间隔。 流程图如下：开 始返 回送入时间间隔将此报警时间写入DS1629报警寄存器中将当前时间加上时间间隔组成看门狗报警时间图5.3 防死机流程图 由此可见，当程序中出现死循环时，DS1629会发出报警使系统复位，重新执行，以期跳出死循环。5.3.2判断读出时间是否正确 时间存储在DS1629的存储器中，而DS1629的时间存储器因强干扰，其数据很容易出现错误，这种错误对于

37、本系统来说是致命的，这是因为读出的时间加上快采间隔于下次报警时间，如果读出的时间不正确，也就得不到正确的下次报警时间，系统将不会呗唤醒，出现另一种死机情况。因而我们对从DS1629读出的时间进行判断。如果正确，则依此数据进行时间处理；否则，将时间存储器与报警时间存储器初始化，重新计算。应该注意的是，DS1629中用16进制代替10进制，所以比较时，应采用半字节比较，而不是全字节比较。流程图见下一页。5.3.3判断下次报警是否能够实现 仪器的每一次采集都是由定时器DS1629发出报警唤醒的，如果报警不能实现，轻者，数据会出现丢点；重者，仪器将不会工作。当下次报警时间生成后，应将当前时间与下次报警时间比较，下次报警时间应后于当前时间，否则不可能产生报警，这会直接导致死机。当这种情况出现时，下位机程序将当前时间当作报警时间写入DS1629报警时间寄存器。这样会导致系统多采出一点，但避免了系统没有复位而死机。流程图