一種基于DSP的張力、深度、速度測(cè)量系統(tǒng)

摘 要：本系統(tǒng)用于油田測(cè)井過(guò)程中，對(duì)電纜所受的張力、油井的深度及電纜下井速度等參數(shù)的測(cè)量。重點(diǎn)闡述了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理。同時(shí)，對(duì)測(cè)力傳感器、測(cè)深編碼器、系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)及軟件流程也做了介紹。該系統(tǒng)精度高、體積小、工作穩(wěn)定。既能實(shí)時(shí)測(cè)量所測(cè)參數(shù)，又兼具“黑匣子”功能，能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行24小時(shí)以內(nèi)的記錄，為事故分析提供可靠的依據(jù)，具有較高的工程應(yīng)用價(jià)值?？捎门c所有測(cè)負(fù)荷，測(cè)長(zhǎng)度，測(cè)速度的場(chǎng)合。
關(guān)鍵詞：應(yīng)變傳感器，光電編碼器，DSP，CPLD，I2C總線

1 引言

在油田測(cè)井過(guò)程中，地面操作人員需要知道油井的深度、電纜下井速度及電纜所承載的負(fù)荷。只有及時(shí)準(zhǔn)確地掌握這些數(shù)據(jù)，才能使測(cè)井工作順利進(jìn)行，以保證測(cè)井過(guò)程安全可靠。因此，我們開(kāi)發(fā)了基于DSP的張力、深度、速度測(cè)量系統(tǒng)。該系統(tǒng)準(zhǔn)確度高，可靠性強(qiáng)，處理速度快，是地面操作人員理想的監(jiān)測(cè)工具。

2 應(yīng)變傳感器及光電編碼器

2.1 應(yīng)變傳感器
電纜所受張力使應(yīng)變傳感器產(chǎn)生機(jī)械變形，傳感器將機(jī)械變形轉(zhuǎn)化為電信號(hào)輸出，從而測(cè)得張力。
.工作電壓：直流１２V
.輸出范圍：０～１２mV
.輸出靈敏度：１mv/v

2.2 光電編碼器
將光電編碼器的轉(zhuǎn)軸同軸地固定在周長(zhǎng)已知的量輪的圓心上，當(dāng)量輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)編碼器同步轉(zhuǎn)動(dòng)并輸出脈沖信號(hào)。這樣，一定的長(zhǎng)度便對(duì)應(yīng)一定數(shù)量的脈沖信號(hào)，通過(guò)計(jì)算脈沖信號(hào)便可換算出深度值。對(duì)單位時(shí)間的深度值采樣便得到速度值。
.工作電壓：直流5V
.工作電流：40mA
.脈沖類型：兩路正交的脈沖信號(hào)，通過(guò)邏輯電路可完成對(duì)光電編碼器轉(zhuǎn)動(dòng)方向的識(shí)別和對(duì)深度脈沖的輸出。

3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

將應(yīng)變傳感器產(chǎn)生的毫伏信號(hào)輸入到放大器進(jìn)行放大，然后送入A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成處二進(jìn)制序列后送入DSP處理。為保證A/D轉(zhuǎn)換的可靠性，采用V/F器件LM331實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換，將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻率信號(hào)。此器件可靠性高，占用資源少。
由光電編碼器產(chǎn)生的兩路正交信號(hào)輸入到CPLD，經(jīng)處理后，產(chǎn)生兩路信號(hào)。一路為辨向脈沖，用于識(shí)別光電編碼器的轉(zhuǎn)動(dòng)方向。另一路為計(jì)數(shù)脈沖，用于完成深度參數(shù)的換算。兩路脈沖均輸入到DSP。見(jiàn)圖1。

圖1 系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)框圖

4 核心硬件電路設(shè)計(jì)

4.1 TMS320VC33處理器
該芯片為TI公司推出的32位浮點(diǎn)高性能數(shù)字信號(hào)處理器。指令周期分為13ns和17ns兩種，單周期完成32位整數(shù)、40位浮點(diǎn)乘法運(yùn)算。片內(nèi)34K 32bitSRAM,分為2個(gè)16K和2個(gè)2K 的塊，塊上集成一個(gè)DMA通道，一個(gè)同步串口，兩個(gè)32bit的定時(shí)器；總存儲(chǔ)空間為 16M 32bits, 程序、數(shù)據(jù)及I/O空間均包含在其中，可根據(jù)不同的要求劃分地址空間；具有程序引導(dǎo)功能，系統(tǒng)復(fù)位后，可將程序從慢速的外部存儲(chǔ)器中裝載到快速的片內(nèi)RAM中運(yùn)行；支持IEEE Std 1149.1(JTAG)標(biāo)準(zhǔn)；0.18-µm工藝，1.8V核心電壓，3.2VI/O電壓；低功耗（<200mW@150MFLOPS）。該芯片結(jié)合了浮點(diǎn)運(yùn)算和定點(diǎn)運(yùn)算的長(zhǎng)處，具有很高的運(yùn)算精度和很快的運(yùn)算速度，適用于快速處理的場(chǎng)合。

4.2 高精度實(shí)時(shí)時(shí)鐘/日歷SD2001E
本系統(tǒng)要求對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行24小時(shí)以內(nèi)的實(shí)時(shí)記錄（即“黑匣子”功能），因此選用具有I2C總線接口的實(shí)時(shí)時(shí)鐘器件SD2001E，用以記錄測(cè)量參數(shù)、操作人員的姓名及具體操作時(shí)間（年、月、日、時(shí)），作為問(wèn)題分析的資料。該器件可提供３２k bits及１００億次擦寫次數(shù)的非易失性ＳＲＡＭ；內(nèi)部集成了晶振、電池及電源管理電路，在系統(tǒng)掉電時(shí)能保證該芯片正常工作，時(shí)鐘走時(shí)時(shí)間為１０年以上；I2C總線接口（包括實(shí)時(shí)時(shí)鐘部分和ＳＲＡＭ部分）；內(nèi)置高精度晶振，精度＜ ５ppm, 即一個(gè)月內(nèi)，走時(shí)誤差不超過(guò)１３秒（25°C）；年、月、日、星期、時(shí)、分、秒的ＢＣＤ碼輸入／輸出；自動(dòng)日歷到２０９９年（包括閏年自動(dòng)換算功能）。

4.3 SST39VF320存儲(chǔ)器
該芯片為CMOS多用途 FLASH器件，2M 16容量，是理想的大容量存儲(chǔ)器?？蓾M足本測(cè)量系統(tǒng)中24小時(shí)以內(nèi)數(shù)據(jù)記錄的要求，記錄的內(nèi)容為張力、深度、速度的測(cè)量值。該器件提供2.7-3.6V的工作電壓；超可靠性，10萬(wàn)次擦寫次數(shù)，永久數(shù)據(jù)保存；低功耗，有效電流9mA，備用電流3µA，自動(dòng)低功耗模式3µA；70ns及90ns的快速讀取時(shí)間；地址及數(shù)據(jù)鎖存功能；2KWord 扇區(qū)擦寫能力及32KWord塊擦寫能力；快速擦寫及字編程能力；兼容CMOS I/O口。

4.4　串行E2PROM ＡＴ２４Ｃ５１２
該芯片為６４k字節(jié)的串行E2PROM,具有I2C總線接口。測(cè)量數(shù)據(jù)存于其中，當(dāng)系統(tǒng)掉電時(shí)數(shù)據(jù)不會(huì)丟失，給操作人員帶來(lái)很大的方便。該器件擦寫次數(shù)有限，工作可中先將數(shù)據(jù)寫入SD2001E片內(nèi)的ＮＶＲＡＭ，當(dāng)ＮＶＲＡＭ寫滿后再將數(shù)據(jù)傳送到ＡＴ２４Ｃ５１２中，這樣可大大降低其刷新次數(shù)，從而延長(zhǎng)了使用壽命。

4.5 中文圖文液晶顯示模塊ＯＣＭＪ４Ｘ８Ｃ
ＯＣＭＪ４Ｘ８Ｃ為具有串／并接口且內(nèi)部含有中文字庫(kù)的液晶顯示模塊，具有較強(qiáng)的控制顯示功能；液晶顯示點(diǎn)陣為128 64，可顯示4行，每行8個(gè)漢字；具有2Mbits的中文字型CGROM，該字型ROM中含有8192個(gè)16 16點(diǎn)陣中文字型庫(kù)，可方便地顯示漢字；具有16kbit的16 8點(diǎn)陣的ASCⅡ字符庫(kù)，可可方便地顯示英文字符和其他常用字符；提供了一個(gè)64 256點(diǎn)的GDRM繪圖區(qū)域，可方便地構(gòu)造圖形；提供了4組16 16點(diǎn)陣的造字空間，可方便地造文字；能實(shí)現(xiàn)漢字、ASCⅡ碼 、點(diǎn)陣圖形、自選字形的同屏顯示。

通過(guò)采用此液晶顯示模塊，實(shí)現(xiàn)了友好的中文圖形及數(shù)字人機(jī)界面。

4.6 微型漢字打印機(jī)
本系統(tǒng)采用MP-A(D)16-8型打印機(jī)，該打印機(jī)帶有2k字節(jié)的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)及漢字字庫(kù)，具有較快的打印漢字和圖形的速度；具有豐富的文字修飾功能和方便的接口；帶有16 16點(diǎn)陣與12 12點(diǎn)陣及國(guó)標(biāo)一二級(jí)漢字庫(kù)；可方便地打印漢字和德文、法文、英文、日文等文字；可打印全部ASCⅡ字符、數(shù)學(xué)符號(hào)、專用符號(hào)、自選符號(hào)、點(diǎn)陣曲線及條碼等；能同行打印16 16、12 12、8 16、16 8、8 8、6 12點(diǎn)陣漢字或5 7、6 8、8 12、8 16點(diǎn)陣ASCⅡ字符。

5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

5.1 主流程介紹
程序流程見(jiàn)圖2，本流程為系統(tǒng)的主流程。程序由匯編語(yǔ)言編程，采用模塊化程序設(shè)計(jì)，調(diào)用某一模塊時(shí)執(zhí)行其相應(yīng)的功能，便于修改和維護(hù)。設(shè)置兩個(gè)檢測(cè)單元，主循環(huán)中檢測(cè)此單元的內(nèi)容是否發(fā)生變化，若有變化，說(shuō)明系統(tǒng)有異常，重新進(jìn)行初始化設(shè)置。軟件中，采用冗余技術(shù)及看門狗技術(shù)，確保程序正確執(zhí)行。外部中斷1完成鍵盤管理任務(wù)，當(dāng)有鍵按下時(shí)，申請(qǐng)外部中斷1中斷，執(zhí)行鍵盤監(jiān)控程序；深度脈沖經(jīng)整形后輸入到外部中斷0，進(jìn)行脈沖記數(shù)。此時(shí)，由I/O口判斷辨向脈沖的電平。規(guī)定低電平時(shí)編碼器為正轉(zhuǎn)，高電平時(shí)編碼器為反轉(zhuǎn)。正轉(zhuǎn)時(shí)執(zhí)行加法程序，反轉(zhuǎn)時(shí)執(zhí)行減法程序。張力信號(hào)經(jīng)V/F變換后，轉(zhuǎn)換為頻率信號(hào)送入計(jì)數(shù)器1，完成張力信號(hào)的計(jì)算。定時(shí)器0產(chǎn)生系統(tǒng)的時(shí)鐘信號(hào) ，設(shè)定其為最高中斷優(yōu)先級(jí)。

圖2 軟件實(shí)現(xiàn)主流程

圖3 鍵盤管理流程1


圖4 鍵盤管理流程2


圖5 鍵盤管理流程3


圖6 鍵盤管理流程4

5.2 鍵盤監(jiān)控流程介紹

圖3～圖7為系統(tǒng)鍵盤管理流程圖，鍵盤管理芯片為8279，由外部中斷1完成鍵盤操作程序。該系統(tǒng)共有16個(gè)鍵，6個(gè)功能鍵，10 個(gè)數(shù)字鍵。其中，每個(gè)功能鍵均為雙功能復(fù)合鍵，各鍵分別為：K1/K2；角度/打印、記錄模式；張力報(bào)警/張力增量報(bào)警；深度報(bào)警/即時(shí)深度；當(dāng)量/速度報(bào)警；清零/恢復(fù)。K1/K2鍵為系統(tǒng)的入口鍵，只有先按此鍵，才能進(jìn)入鍵盤操作，其鍵值為28H，由標(biāo)志位K的值來(lái)判斷是上檔鍵功能還是下檔鍵功能。位K為1時(shí)為上檔鍵功能，位K為0時(shí)為下檔鍵功能，系統(tǒng)初始化時(shí)標(biāo)志位K清零。 K1模式為上檔鍵功能，對(duì)應(yīng)角度、張力報(bào)警、深度報(bào)警、當(dāng)量及清零，鍵值分別為29H、30H、31H、38H及39H。K2模式為下檔鍵功能，對(duì)應(yīng)打印及記錄模式、張力增量報(bào)警、即時(shí)深度、速度報(bào)警及恢復(fù), 鍵值分別為39H、40H、41H、48H及49H。反復(fù)按壓K1/K2鍵，鍵盤功能在K1模式及K2模式之間來(lái)回切換。數(shù)字鍵1、2、3、4、5、6、7、8、9及0的鍵值分別為01H、09H、11H、19H、21H、00H、08H、10H、18H及20H。鍵盤中斷程序流程見(jiàn)圖3～圖7。


圖7 鍵盤管理流程5
5.3 深度脈沖采樣及張力信號(hào)采樣流程介紹
由編碼器產(chǎn)生的兩路正交脈沖信號(hào)經(jīng)CPLD處理后產(chǎn)生辨向脈沖及計(jì)數(shù)脈沖，分別輸入到TMS320VC33處理器的I/O口和外部中斷0，完成對(duì)編碼器旋轉(zhuǎn)方向的判別和對(duì)深度脈沖的累計(jì)，見(jiàn)圖8。

圖8 外部中斷0中斷服務(wù)程序流程
定時(shí)器0作為系統(tǒng)的公共時(shí)鐘，產(chǎn)生張力A/D時(shí)鐘及速度采樣時(shí)鐘。記數(shù)器1記錄由張力模擬信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后產(chǎn)生的數(shù)字信號(hào)。定時(shí)器0的初始值對(duì)應(yīng)的時(shí)間為A/D轉(zhuǎn)換器的采樣時(shí)間，該定時(shí)器啟動(dòng)后做減計(jì)數(shù)，減為0后產(chǎn)生中斷信號(hào)。系統(tǒng)轉(zhuǎn)入中斷服務(wù)子程序，定時(shí)器0重新賦予初值，讀取記數(shù)器1的數(shù)值到數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，見(jiàn)圖9。

圖9 定時(shí)器T0 中斷服務(wù)程序

6 結(jié)束語(yǔ)

該測(cè)量系統(tǒng)經(jīng)過(guò)多次現(xiàn)場(chǎng)使用，測(cè)量準(zhǔn)確、工作穩(wěn)定。能可靠地記錄下24小時(shí)以內(nèi)的實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)，順利實(shí)現(xiàn)“黑匣子”功能，為用戶查找事故原因提供了可靠依據(jù)，受到用戶的好評(píng)。

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