??? 摘? 要: 介紹了井下" title="井下">井下數據采集" title="數據采集">數據采集與傳輸系統" title="傳輸系統">傳輸系統的結構和工作原理,該系統采用先進的CPLD器件isPLSI1016實現了其中的接口電路,解決了井下數據采集與傳輸系統的高速度、低功耗和小尺寸等關鍵問題。?
??? 關鍵詞: 數據采集與傳輸? 復雜可編程邏輯器件? 高速度? 低功耗? 小尺寸?
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??? 隨著石油工業的不斷發展,測井技術越來越顯示出其重要作用。超聲波測井作為測井的一種重要方法得到了廣泛的應用。由于測井儀器,特別是井下儀器工作環境的特殊性,使得對其研究和開發也具有特殊的要求。油井下的溫度、壓力一般遠遠高于地面,而且油井的直徑很小,因此對井下儀器的尺寸要求十分嚴格,一般來說印刷電路板的寬度不能超過4.5cm。體積達不到要求再好的儀器也無法在實際中應用。?
??? 本系統采用雙CPU和雙端口RAM,尤其是采用先進的PLD器件及1553總線技術很好地解決了井下高速數據采集與傳輸系統的可靠性、低功耗和小尺寸等問題。?
1 系統結構簡介?
??? 本系統采用兩片AT89C52單片機分別作為主、從CPU;采用AD公司的高速A/D芯片AD7821進行井下溫度、壓力和幅值等參數的實時數據采集;選用兩片美國Lattice公司的CPLD芯片isPLSI1016實現數字信號" title="數字信號">數字信號采集處理接口電路和數據傳輸中的串并行轉換接口電路;然后通過雙口RAM(IDT7132)來傳輸數據。系統結構如圖1所示。?
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2 系統工作原理與實現?
??? 在圖1中,主CPU及其相關模塊主要完成超聲波發生器的控制、工作模式切換和數據采集等功能;從CPU主要完成主CPU所采集信號的上傳" title="上傳">上傳和地面命令字的下傳及命令解釋,還包括一些監控功能。主CPU對超聲波發射裝置進行控制,采集回波信號。由于回波信號的尖峰時刻非常窄,一般不超過1.0μs,所以對A/D的采樣時間要求在ns級。本系統采用AD公司高速A/D芯片AD7821進行采集。數字信號部分,在啟動超聲波發生裝置的同時產生時延控制信號,以便對回波信號的時間間隔進行計數,進一步測出井下的剩余壁厚等距離參數。所有采集的信號按一定格式存在雙口RAM(IDT7132)內,以備從CPU調用和上傳。?
2.1 數據采集的實現?
2.1.1 數字信號的采集?
?? ?系統所需采集的數字信號的頻率相差非常大。其中γ信號的頻率在幾赫茲到幾百赫茲之間。此信號直接進入單片機,用單片機的計數器進行計數,計算后得到頻率。而超聲波返回的時間間隔只有幾微秒,而且是定時產生,每次只出現一個。這樣只能測量其周期。系統直接采用12MHz晶振信號的四分頻作為測量周期的計數脈沖。除γ信號外的所有數字信號的采集模塊完全集成在一片Lattice公司的isPLSI1016內。這樣不僅大大提高了系統的集成度,滿足了系統尺寸的特殊要求,而且增強了系統的可靠性和靈活性,方便系統的升級和調整。isPLSI1016的內部設計框圖如圖2所示。?
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2.1.2 模擬信號的采集?
??? 對于回波的尖峰值,每次啟動超聲波發射器后采集一次;而對溫度、壓力等監控信號,每當7.14Hz的信號對單片機中斷后才進行采集。7.14Hz的信號由外部提供。由于對精度要求不高,這里采用8位的轉換精度。?
2.2 數據的存儲與傳輸?
??? 井下的數據采集頻率接近2kHz,數據量非常大,不可能被完全存儲下來。而且井上所需要的也不是全部數據,當發出數據上傳命令后的前一個周期的數據為所要求的數據。這個周期信號即為上面提到的由外部提供的頻率為7.14Hz的控制信號。因此在數據存儲時,把RAM分成兩塊,0000～0fff為第一塊,1000～1fff為第二塊。主CPU對兩塊存儲區進行交替存儲。?
??? 7.14Hz信號接到中斷0口上,并采用邊沿觸發方式。每次中斷后,主CPU將改變各種相關參數。例如改變存儲數據的RAM初始地址,即上一次是第一塊則這一次為第二塊,反之亦然。同時對P1.3口取非,即通知從CPU,主CPU正在寫那一塊RAM,以避免從CPU讀取數據時發生讀寫沖突。?
??? 系統采用雙口RAM作為CPU之間傳遞數據的中介,其結構圖如圖3所示。由于雙口RAM的高速存取,使大量數據能夠及時地傳輸。
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2.3 命令下達與數據上傳?
??? 當從CPU接收到地面下傳的命令之后,進行解釋并通知主CPU。考慮到信號傳輸的可靠性,井下與地面之間的通信使用1553總線協議。1553總線的傳輸速率能達到1MHz以上。曼切斯特編碼作為信道編碼,提高信號傳輸的抗干擾能力。為方便實現曼切斯特編碼以及總線接口,系統采用了專用曼切斯特編碼/解碼芯片HD-6408。HD-6408與CPU的接口用一片Lattice1016來完成。1016主要完成數據的串并行轉換,以及6408編碼/解碼所需的外部時序。1016直接掛在從CPU的并行總線上,從CPU通過對外部數據存儲空間的讀寫來完成命令字的接收和數據的上傳。?
3 實驗結果與分析?
??? 圖4是ispEXPERT SYSTEM的仿真波形圖。仿真測出的剩余壁厚為0xbb即187,與預計的結果一致。在系統傳輸可靠性測試中,誤碼率在10-9以下,由于井下條件惡劣,實際應用中會略高。?
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??? 該系統在與超聲波發生器和上位機組合調試中,性能明顯優于原來的分離邏輯電路系統。系統采集的參數增多,靈活性增強,可根據用戶的要求增加或省去部分功能,以節約成本。?
參考文獻?
1 董傳岱,于云華. 數字電路與邏輯基礎.東營:石油大學出版社,2001?
2 劉潤華,于云華. 現代電子系統設計.東營:石油大學出版社,1998?
3 楊東凱,韋克平. CPLD在測井電纜通訊系統中的應用.電子技術應用, 1998;24(7)?
4 張奇志.雙端口RAM在單片機系統中的應用.現代電子技術, 2000(7)