胡永建1，胡寰臻2，黃衍福1

1. 中國(guó)石油集團(tuán)鉆井工程技術(shù)研究院 北京石油機(jī)械廠，北京 100083； 2.中國(guó)石油大學(xué)（北京） 地球科學(xué)學(xué)院，北京 102249

　　摘要：為了實(shí)現(xiàn)井下隨鉆壓力測(cè)量，設(shè)計(jì)出一種高可靠性壓力計(jì)。選擇了適合井下高溫、高壓環(huán)境的微控制器與壓力傳感器，同時(shí)分析了可能的器件失效風(fēng)險(xiǎn)并給出了解決方法。借助安全微控制器的“安全島”理念及設(shè)計(jì)架構(gòu)，該壓力計(jì)能夠自動(dòng)處理微控制器及壓力傳感器的軟硬件錯(cuò)誤以保證工作可靠性。該壓力計(jì)在石油鉆井領(lǐng)域中可以有效減少起鉆次數(shù)來(lái)降低鉆井成本。

　　關(guān)鍵詞：TMS570；安全微控制器；可靠性；壓力計(jì)

0引言

　　在石油鉆井中，通過(guò)隨鉆井下壓力測(cè)量可以實(shí)時(shí)得到井筒內(nèi)壓力數(shù)據(jù)，有助于實(shí)施控壓鉆井，同時(shí)可以預(yù)防井涌和井漏，是井控安全的有效手段。石油鉆井是高風(fēng)險(xiǎn)的資本密集型行業(yè)，在深井及超深井中，因故障起鉆一次往往需要數(shù)百小時(shí)，成本高昂。這要求隨鉆井下壓力計(jì)必須具備高可靠性。

　　本文設(shè)計(jì)的隨鉆井下壓力計(jì)使用了安全微控制器，充分利用其安全架構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)高可靠性井下壓力測(cè)量。

1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　隨鉆井下壓力計(jì)電氣單元的核心器件是微控制器，微控制器從壓力傳感器讀取所需原始數(shù)據(jù)，將其轉(zhuǎn)換為壓力等測(cè)量數(shù)據(jù)經(jīng)通信端口發(fā)送到地面。為保證系統(tǒng)的可靠性，需要從器件選型、架構(gòu)設(shè)計(jì)、軟硬件實(shí)現(xiàn)等方面完成綜合設(shè)計(jì)。微控制器及壓力傳感器是其中的關(guān)鍵器件。

　　微控制器選用了美國(guó)德州儀器的Hercules安全微控制器。該系列安全微控制器能夠通過(guò)硬件方式實(shí)現(xiàn)安全特性，符合業(yè)界安全性能標(biāo)準(zhǔn)，可使系統(tǒng)設(shè)計(jì)更易滿(mǎn)足ISO 26262 ASILD 和 IEC 61508 SIL3的安全標(biāo)準(zhǔn)要求。采用支持浮點(diǎn)計(jì)算的ARM CortexR4F內(nèi)核，雙CPU同步結(jié)構(gòu)提供了系統(tǒng)冗余并簡(jiǎn)化開(kāi)發(fā)過(guò)程；CPU和內(nèi)存內(nèi)置硬件自檢功能，無(wú)需軟件編程就能檢測(cè)硬件錯(cuò)誤；在CPU內(nèi)部集成了ECC邏輯以校驗(yàn)內(nèi)存和閃存；具有外設(shè)內(nèi)存的奇偶校驗(yàn)和外設(shè)IO的回讀功能［1］。德州儀器新推出的TMS570LS1114新增I2C數(shù)據(jù)接口，適合與所選壓力傳感器連接，其片上資源及功能滿(mǎn)足本設(shè)計(jì)需求。

　　圖1數(shù)字壓力計(jì)原理框圖壓力傳感器選用了美國(guó)Quartzdyne公司生產(chǎn)的DMB30110150數(shù)字壓力傳感器［2］。該壓力傳感器包含3個(gè)石英晶體探頭部件，其中壓力和溫度晶體分別對(duì)壓力與溫度敏感，而參考晶體對(duì)溫度與壓力均不敏感。如圖1所示，其數(shù)字電路包含石英晶體振蕩器（壓力、溫度及參考）、混頻器、頻率計(jì)及串口EEPROM。通過(guò)分別將壓力、溫度信號(hào)與參考信號(hào)混頻來(lái)提高頻率測(cè)量分辨率。頻率計(jì)輸出壓力、溫度兩組原始數(shù)據(jù)。用戶(hù)可調(diào)用存儲(chǔ)在EEPROM中的校準(zhǔn)系數(shù)，從原始數(shù)據(jù)計(jì)算出修正的壓力與溫度測(cè)量數(shù)據(jù)。該數(shù)字壓力傳感器供電電源為直流27~55 V，使用與NXP的I2C總線兼容的串行接口通信。

　　安全微控制器通過(guò)I2C接口與數(shù)字壓力傳感器相連，不僅可以讀取溫度與壓力的原始數(shù)據(jù)，也可以讀取存儲(chǔ)在串口EEPROM中的校準(zhǔn)系數(shù)。TMS570LS1114安全微控制器的I2C多主機(jī)通信模塊兼容I2C總線規(guī)范V21。數(shù)字壓力傳感器為7位尋址方式，通信速率為100 kb/s。

2高可靠性設(shè)計(jì)

　　2.1微控制器安全策略

　　TMS570系列安全微控制器采用了被稱(chēng)為“安全島”的通用安全架構(gòu)理念，以此分配硬件與軟件診斷，實(shí)現(xiàn)安全管理與應(yīng)用成本之間的平衡［3］。“安全島”方法將微控制器組件分為內(nèi)核組件與其他組件：內(nèi)核組件是所有微控制器操作所必須的邏輯電路，運(yùn)行硬件診斷安全機(jī)制；其他組件包含外設(shè)等部件，運(yùn)行軟件診斷安全機(jī)制。一旦微控制器診斷檢測(cè)到某個(gè)錯(cuò)誤時(shí)，微控制器的外設(shè)錯(cuò)誤信號(hào)模塊（Error Signaling Module, ESM）將該錯(cuò)誤傳遞給其他組件或軟件，開(kāi)發(fā)人員確定如何響應(yīng)錯(cuò)誤。

　　“安全島”方法將微控制器的各種錯(cuò)誤狀況按嚴(yán)重性分為3組。如圖2所示，錯(cuò)誤組1（如外設(shè)隨機(jī)存儲(chǔ)器奇偶校驗(yàn)錯(cuò)誤）的嚴(yán)重程度最低，對(duì)來(lái)自硬件診斷錯(cuò)誤組1的錯(cuò)誤通道信號(hào)，用戶(hù)可以選擇是否使能中斷并確定中斷優(yōu)先級(jí)，也可以選擇是否使能微控制器的ERROR引腳信號(hào)輸出（低電平有效）；錯(cuò)誤組2（如地址總線奇偶校驗(yàn)錯(cuò)誤）的錯(cuò)誤會(huì)產(chǎn)生不可屏蔽的高優(yōu)先級(jí)中斷，同時(shí)產(chǎn)生ERROR引腳信號(hào)輸出；因?yàn)殄e(cuò)誤組3（如互聯(lián)總線錯(cuò)誤）的大多數(shù)錯(cuò)誤會(huì)導(dǎo)致CPU直接退出，所以?xún)H產(chǎn)生ERROR引腳信號(hào)輸出而不產(chǎn)生中斷。為了方便外設(shè)響應(yīng)，需要ERROR引腳在輸出有效信號(hào)時(shí)能夠保持一段時(shí)間，該低電平保持時(shí)間可以自行設(shè)定。

　　2.2出錯(cuò)風(fēng)險(xiǎn)分析

　　井下壓力計(jì)出錯(cuò)風(fēng)險(xiǎn)來(lái)自電源、微控制器及傳感器等部件。安全微控制器的硬件錯(cuò)誤可以通過(guò)上述“安全島”方法來(lái)處理，這里分析傳感器及其通信接口的出錯(cuò)風(fēng)險(xiǎn)。

　　所選數(shù)字壓力傳感器的傳感器件為石英晶體。晶體表面的污染物或晶格不完美會(huì)使其阻抗上升，從而需要更高的驅(qū)動(dòng)電平才能起振，即石英晶體振蕩器在加電時(shí)不一定起振。Quartzdyne的數(shù)字壓力傳感器使用了一種啟動(dòng)輔助電路來(lái)改善這種失效情況，即在上電的短時(shí)間內(nèi)使用較高的驅(qū)動(dòng)電壓，之后再恢復(fù)正常電壓。即便在這種情況下，依然不能保證完全有效，解決的唯一辦法是對(duì)其斷電后重新加電。

　　安全微控制器I2C多主機(jī)通信模塊的控制及狀態(tài)寄存器數(shù)值可能因?yàn)楦蓴_或錯(cuò)誤操作而改變，需要在每次操作前或定期回讀，如發(fā)現(xiàn)出錯(cuò)則重新寫(xiě)入。

　　2.3系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　圖3是高可靠性設(shè)計(jì)相關(guān)部分的硬件連接示意圖。

　　如圖3所示，安全微控制器的一個(gè)通用IO引腳配置為輸出，與同步降壓控制器的EN使能引腳相連，控制數(shù)字壓力傳感器的供電。ERROR引腳與冷啟動(dòng)復(fù)位PORRST引腳相連，使用上拉電阻與IO供電電源相連，電容即用于濾波，也用于延遲上電復(fù)位。一旦發(fā)生硬件診斷錯(cuò)誤或其他錯(cuò)誤，ERROR引腳輸出低電平，使PORRST引腳拉低，微控制器進(jìn)入冷啟動(dòng)，嘗試修復(fù)錯(cuò)誤。

　　表1列出了錯(cuò)誤原因及相應(yīng)初始化動(dòng)作。表1錯(cuò)誤原因及初始化動(dòng)作錯(cuò)誤原因初始化動(dòng)作石英晶體不起振數(shù)字壓力傳感器斷電再上電安全微控制器硬件診斷錯(cuò)誤常規(guī)初始化I2C控制及狀態(tài)寄存器回讀錯(cuò)誤I2C多主機(jī)通信模塊初始化數(shù)字壓力傳感器冗余讀取錯(cuò)誤視情況而定

　　由于實(shí)時(shí)性要求不高，在初始化過(guò)程中，這些動(dòng)作逐一進(jìn)行。壓力數(shù)據(jù)讀取錯(cuò)誤時(shí)可使用冗余讀取的三選二策略判定結(jié)果，無(wú)需初始化。僅當(dāng)多次讀取出錯(cuò)才需冷啟動(dòng)，只需向安全微控制器的ESM錯(cuò)誤鍵值寄存器（ESM Error Key Register, ESMEKR）寫(xiě)入0x05即可使ERROR引腳輸出低電平。其他錯(cuò)誤一般不需要冷啟動(dòng)來(lái)處理。

3初始化及驅(qū)動(dòng)代碼生成

　　為了縮短產(chǎn)品研發(fā)時(shí)間，德州儀器提供了基于圖形用戶(hù)界面的硬件抽象層代碼生成器HALCoGen開(kāi)發(fā)工具，可生成初始化、配置及驅(qū)動(dòng)代碼 ［4］。

　　新建項(xiàng)目并選擇TMS570LS1114及開(kāi)發(fā)工具，即可開(kāi)始配置。以I2C多主機(jī)通信模塊為例，在“Driver Enable” 標(biāo)簽頁(yè)中勾選“Enable I2C driver”使能該模塊。在“I2C”標(biāo)簽頁(yè)可以配置模塊，如圖4所示。

　　生成代碼包含頭文件i2ch及代碼文件i2cc。包含初始化函數(shù)i2cInit、速率設(shè)定函數(shù)i2cSetBaudrate、發(fā)送字節(jié)函數(shù)i2cSendByte等。具體實(shí)現(xiàn)可參考相關(guān)文檔［5］。

4結(jié)論

　　本文設(shè)計(jì)的基于TMS570的高可靠性隨鉆井下壓力計(jì)能夠自動(dòng)嘗試消除數(shù)字壓力傳感器的石英晶體起振故障，也可以自動(dòng)處理其他硬件及軟件錯(cuò)誤，具有較高可靠性。通過(guò)降低數(shù)據(jù)采集故障率可以減少起鉆次數(shù)，能夠節(jié)省時(shí)間和人力物力，具有較高的經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)

　　［1］ TEXAS INSTRUMENTS. TMS570LS1114 16 and 32bit RISC Flash microcontroller (SPNS188B) ［Z］. 2015.

　　［2］ QUARTZDYNE, Inc. Operating manual for digital pressure transducer (DigitalTransProg201206) ［Z］. 2012.

　　［3］ TEXAS INSTRUMENTS. Safety Manual for TMS570LS12x and 11x HerculesTM ARMbased safety critical microcontrollers user’s guide (SPNU550A) ［Z］. 2014.

　　［4］ TEXAS INSTRUMENTS. HALCoGen TMS570LS31x help 040500 ［N］. 2015.

　　［5］ 楊帆.基于I2C接口EEPROM讀寫(xiě)控制器設(shè)計(jì)［J］.微型機(jī)與應(yīng)用,2015,34(10):2224.