基于MSP430的石油井下壓力測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1 引言

壓力數(shù)據(jù)在油田開采過程中是一項(xiàng)極重要的資料。而這其中的射孔工藝是關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其對高質(zhì)量打開油氣層，提高油氣井產(chǎn)能都有重要影響。射孔是打開油氣層讓地層流體流入井內(nèi)的主要完井工序。測取射孔瞬間動態(tài)壓力參數(shù)具有重要意義；確定每次射孔的施工效果；結(jié)合其他測試參數(shù)評價地質(zhì)效果：研究射孔工藝機(jī)理，為我國射孔理論水平的發(fā)展創(chuàng)造有利條件。該參數(shù)的測取也是研究油氣層特征，掌握油氣層動態(tài)。檢查地面采油工藝流程的重要手段。為此，必須借助于各種精密的壓力測量儀表。以獲得精確的壓力數(shù)據(jù)。

2 測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2．1 存儲測試原理簡介

存儲測試系統(tǒng)是用以完成存儲測試的物理系統(tǒng)，可工作在高溫、高壓、強(qiáng)沖擊振動、高過載等惡劣環(huán)境下，自動完成被測信息的實(shí)時采集與存儲記憶。它將傳感器、適配電路、數(shù)字化存儲記錄電路、通訊接口、控制指示單元和電源集成為一體，構(gòu)成一個小型化的、可安裝在被測體內(nèi)(相對)獨(dú)立丁作的測試系統(tǒng)。由于存儲測試系統(tǒng)具有體積小、功耗低、可重復(fù)使用、抗干擾性好及能適應(yīng)特殊環(huán)境等特點(diǎn)，所以對于工程測試，特別是在野外惡劣的環(huán)境下，存儲測試系統(tǒng)提供了一個很好的解決方案。

這里設(shè)計(jì)的儀器必須能夠在高溫、高壓、高沖擊的油井中安全、可靠的取得射孔壓裂數(shù)據(jù)，且能保持?jǐn)?shù)據(jù)長時間不丟失，可順利回收被測信息。因此該系統(tǒng)除需能耐高溫、高壓、高沖擊振動的電路外，還必須對其保護(hù)，防止儀器損壞。

2．2 系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

石油井下射孔壓力測試系統(tǒng)選用編程自適應(yīng)分段均勻采樣策略，即通過事先編程確定記錄過程分為若干個均勻采樣階段，每一階段的開始時間、采樣頻率、存儲點(diǎn)數(shù)是根據(jù)被測信號的變化自適應(yīng)調(diào)整的。此系統(tǒng)在單片機(jī)程序的控制下，上電延時50 s后，在觸發(fā)信號到來之前，以1 Hz的采樣頻率進(jìn)行低頻采樣A／D轉(zhuǎn)換，并將MD轉(zhuǎn)換輸出的數(shù)據(jù)存人存儲器。觸發(fā)信號到來后，開始以100 kHz的采樣頻率采樣，連續(xù)采樣滿128 K字?jǐn)?shù)據(jù)，再以500 Hz采樣，至采滿256 K字，數(shù)據(jù)停止采樣。當(dāng)電路回收后，可通過RS232接口將存儲器中的數(shù)據(jù)讀至計(jì)算機(jī)．以便后續(xù)處理。

2．3 MSP430單片機(jī)低功耗的設(shè)計(jì)

MSP430系列單片機(jī)具有獨(dú)特的時鐘系統(tǒng)設(shè)計(jì)，包括兩個不同的時鐘系統(tǒng)：基本時鐘系統(tǒng)和鎖頻環(huán)(FLL和FLL+)時鐘系統(tǒng)或數(shù)字振蕩器(DCO)時鐘系統(tǒng)。由時鐘系統(tǒng)產(chǎn)生CPU和各功能模塊所需時鐘，這些時鐘可在指令的控制下打開或關(guān)閉，從而控制總體功耗。由于系統(tǒng)運(yùn)行時所使用的功能模塊不同，即采用不同的工作模式，器件的功耗有明顯區(qū)別。系統(tǒng)具有1種活動模式(AM)和5種低功耗模式(LPM0～LPM4)。MSP430系列單片機(jī)各個模塊運(yùn)行完全獨(dú)立，定時器、輸入／輸出端口、A／D轉(zhuǎn)換、看門狗等都可在主CPU休眠的狀態(tài)下獨(dú)立運(yùn)行。當(dāng)需要主CPU工作時，任何一個模塊都可以通過中斷喚醒 CPU，從而使系統(tǒng)以最低功耗運(yùn)行。這是MSP430系列單片機(jī)最突出的優(yōu)點(diǎn)。

為充分利用CPU的低功耗性能，使其工作于突發(fā)狀態(tài)。通常情況下，根據(jù)需要使用軟件將CPU設(shè)定到某一種低功耗工作模式下，在需要時使用中斷將CPU從休眠狀態(tài)中喚醒，完成工作后又可進(jìn)入相應(yīng)休眠狀態(tài)。圖2為MSP430F1611單片機(jī)的基本配置電路。

3 狀態(tài)設(shè)計(jì)及系統(tǒng)狀態(tài)分析

3．1 狀態(tài)設(shè)計(jì)理論

狀態(tài)設(shè)計(jì)是指根據(jù)被測對象的運(yùn)動規(guī)律確定存儲測試系統(tǒng)狀態(tài)組織結(jié)構(gòu)的過程。它是實(shí)現(xiàn)功能設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是硬件設(shè)計(jì)的依據(jù)，也是建立基型存儲測試系統(tǒng)的有效手段。狀態(tài)設(shè)計(jì)可以使設(shè)計(jì)思想始終清晰地貫穿于設(shè)計(jì)和調(diào)試，不同程度地簡化原本復(fù)雜的設(shè)計(jì)過程。

3．2 系統(tǒng)的狀態(tài)分析

根據(jù)狀態(tài)分析，存儲測試系統(tǒng)完成一次有效的數(shù)據(jù)測試，大致需經(jīng)6個過程：等待狀態(tài)A0，低速采存狀態(tài)A1，高速采存狀態(tài)A2，低速采存狀態(tài)A3，信息保持狀態(tài)A4，數(shù)據(jù)讀出狀態(tài)A5。MSP430F1611通過控制ONA、ONB分別產(chǎn)生VDD= 3．6 V、VEE=3．6 V，OE、WE、CE分別為存儲器的讀、寫、片選控制信號。ONA信號為低電平時輸出VDD，為高電平時關(guān)閉。ONB為低電平時輸出VEE，為高電平時關(guān)閉。圖3為系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖，詳細(xì)分析系統(tǒng)各工作階段的電源開閉情況及低功耗模式。

等待狀態(tài)A0對系統(tǒng)進(jìn)行初始化，復(fù)位操作。其中，在I／O初始化中，設(shè)置上電外部中斷，當(dāng)ONA、ONB為OE、WE、CE為低，電源VDD、VEE關(guān)閉，初始化通用寄存器，將內(nèi)部DCO晶振8分頻，初始化定時器A，通過TA中斷延時50 s．等待電源穩(wěn)定后進(jìn)入低功耗1。