一種基于DSP的張力、深度、速度測量系統

摘 要：本系統用于油田測井過(guò)程中，對電纜所受的張力、油井的深度及電纜下井速度等參數的測量。重點(diǎn)闡述了系統結構及工作原理。同時(shí)，對測力傳感器、測深編碼器、系統硬件電路設計及軟件流程也做了介紹。該系統精度高、體積小、工作穩定。既能實(shí)時(shí)測量所測參數，又兼具“黑匣子”功能，能對數據進(jìn)行24小時(shí)以?xún)鹊挠涗?，為事故分析提供可靠的依據，具有較高的工程應用價(jià)值?？捎门c所有測負荷，測長(cháng)度，測速度的場(chǎng)合。
關(guān)鍵詞：應變傳感器，光電編碼器，DSP，CPLD，I2C總線(xiàn)

1 引言

在油田測井過(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荷。只有及時(shí)準確地掌握這些數據，才能使測井工作順利進(jìn)行，以保證測井過(guò)程安全可靠。因此，我們開(kāi)發(fā)了基于DSP的張力、深度、速度測量系統。該系統準確度高，可靠性強，處理速度快，是地面操作人員理想的監測工具。

2應變傳感器及光電編碼器

2.1 應變傳感器
電纜所受張力使應變傳感器產(chǎn)生機械變形，傳感器將機械變形轉化為電信號輸出，從而測得張力。
.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
將光電編碼器的轉軸同軸地固定在周長(cháng)已知的量輪的圓心上，當量輪轉動(dòng)時(shí)編碼器同步轉動(dòng)并輸出脈沖信號。這樣，一定的長(cháng)度便對應一定數量的脈沖信號，通過(guò)計算脈沖信號便可換算出深度值。對單位時(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(lèi)型：兩路正交的脈沖信號，通過(guò)邏輯電路可完成對光電編碼器轉動(dòng)方向的識別和對深度脈沖的輸出。

3系統結構及工作原理

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

圖1 系統硬件實(shí)現框圖

4核心硬件電路設計

4.1 TMS320VC33處理器
該芯片為T(mén)I公司推出的32位浮點(diǎn)高性能數字信號處理器。指令周期分為13ns和17ns兩種，單周期完成32位整數、40位浮點(diǎn)乘法運算。片內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；總存儲空間為 16M 32bits, 程序、數據及I/O空間均包含在其中，可根據不同的要求劃分地址空間；具有程序引導功能，系統復位后，可將程序從慢速的外部存儲器中裝載到快速的片內RAM中運行；支持IEEE Std 1149.1(JTAG)標準；0.18-µm工藝，1.8V核心電壓，3.2VI/O電壓；低功耗（200mW@150MFLOPS）。該芯片結合了浮點(diǎn)運算和定點(diǎn)運算的長(cháng)處，具有很高的運算精度和很快的運算速度，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
本系統要求對測試數據進(jìn)行24小時(shí)以?xún)鹊膶?shí)時(shí)記錄（即“黑匣子”功能），因此選用具有I2C總線(xiàn)接口的實(shí)時(shí)時(shí)鐘器件SD2001E，用以記錄測量參數、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(xiě)次數的非易失性ＳＲＡＭ；內部集成了晶振、電池及電源管理電路，在系統掉電時(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(xiàn)接口（包括實(shí)時(shí)時(shí)鐘部分和ＳＲＡＭ部分）；內置高精度晶振，精度＜ ５ppm, 即一個(gè)月內，走時(shí)誤差不超過(guò)１３秒（25C）；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器?？蓾M(mǎn)足本測量系統中24小時(shí)以?xún)葦祿涗浀囊?，記錄的內容為張力、深度、速度的測量值。該器件提供2.7-3.6V的工作電壓；超可靠性，10萬(wàn)次擦寫(xiě)次數，永久數據保存；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；地址及數據鎖存功能；2KWord 扇區擦寫(xiě)能力及32KWord塊擦寫(xiě)能力；快速擦寫(xiě)及字編程能力；兼容CMOS I/O口。
4.4　串行E2PROM ＡＴ２４Ｃ５１２
　　該芯片為６４k字節的串行E2PROM,具有I2C總線(xiàn)接口。測量數據存于其中，當系統掉電時(shí)數據不會(huì )丟失，給操作人員帶來(lái)很大的方便。該器件擦寫(xiě)次數有限，工作可中先將數據寫(xiě)入SD2001E片內的ＮＶＲＡＭ，當ＮＶＲＡＭ寫(xiě)滿(mǎn)后再將數據傳送到ＡＴ２４Ｃ５１２中，這樣可大大降低其刷新次數，從而延長(cháng)了使用壽命。
4.5 中文圖文液晶顯示模塊ＯＣＭＪ４Ｘ８Ｃ
　?。希茫停剩矗兀福脼榫哂写⒔涌谇覂炔亢兄形淖謳斓囊壕э@示模塊，具有較強的控制顯示功能；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，可方便地顯示漢字；具有16kbit的16 8點(diǎn)陣的ASCⅡ字符庫，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繪圖區域，可方便地構造圖形；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)現了友好的中文圖形及數字人機界面。
4.6 微型漢字打印機
本系統采用MP-A(D)16-8型打印機，該打印機帶有2k字節的數據緩沖區及漢字字庫，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)陣及國標一二級漢字庫；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、數學(xué)符號、專(zhuān)用符號、自選符號、點(diǎn)陣曲線(xiàn)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系統軟件設計

5.1 主流程介紹
程序流程見(jiàn)圖2，本流程為系統的主流程。程序由匯編語(yǔ)言編程，采用模塊化程序設計，調用某一模塊時(shí)執行其相應的功能，便于修改和維護。設置兩個(gè)檢測單元，主循環(huán)中檢測此單元的內容是否發(fā)生變化，若有變化，說(shuō)明系統有異常，重新進(jìn)行初始化設置。軟件中，采用冗余技術(shù)及看門(mén)狗技術(shù)，確保程序正確執行。外部中斷1完成鍵盤(pán)管理任務(wù)，當有鍵按下時(shí)，申請外部中斷1中斷，執行鍵盤(pán)監控程序；深度脈沖經(jīng)整形后輸入到外部中斷0，進(jìn)行脈沖記數。此時(shí)，由I/O口判斷辨向脈沖的電平。規定低電平時(shí)編碼器為正轉，高電平時(shí)編碼器為反轉。正轉時(shí)執行加法程序，反轉時(shí)執行減法程序。張力信號經(jīng)V/F變換后，轉換為頻率信號送入計數器1，完成張力信號的計算。定時(shí)器0產(chǎn)生系統的時(shí)鐘信號 ，設定其為最高中斷優(yōu)先級。

圖2 軟件實(shí)現主流程

圖3 鍵盤(pán)管理流程1

圖4 鍵盤(pán)管理流程2

圖5 鍵盤(pán)管理流程3

圖6 鍵盤(pán)管理流程4

5.2 鍵盤(pán)監控流程介紹

圖3～圖7為系統鍵盤(pán)管理流程圖，鍵盤(pán)管理芯片為8279，由外部中斷1完成鍵盤(pán)操作程序。該系統共有16個(gè)鍵，6個(gè)功能鍵，10 個(gè)數字鍵。其中，每個(gè)功能鍵均為雙功能復合鍵，各鍵分別為：K1/K2；角度/打印、記錄模式；張力報警/張力增量報警；深度報警/即時(shí)深度；當量/速度報警；清零/恢復。K1/K2鍵為系統的入口鍵，只有先按此鍵，才能進(jìn)入鍵盤(pán)操作，其鍵值為28H，由標志位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，系統初始化時(shí)標志位K清零。 K1模式為上檔鍵功能，對應角度、張力報警、深度報警、當量及清零，鍵值分別為29H、30H、31H、38H及39H。K2模式為下檔鍵功能，對應打印及記錄模式、張力增量報警、即時(shí)深度、速度報警及恢復, 鍵值分別為39H、40H、41H、48H及49H。反復按壓K1/K2鍵，鍵盤(pán)功能在K1模式及K2模式之間來(lái)回切換。數字鍵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(pán)中斷程序流程見(jiàn)圖3～圖7。

圖7 鍵盤(pán)管理流程5
5.3 深度脈沖采樣及張力信號采樣流程介紹
由編碼器產(chǎn)生的兩路正交脈沖信號經(jīng)CPLD處理后產(chǎn)生辨向脈沖及計數脈沖，分別輸入到TMS320VC33處理器的I/O口和外部中斷0，完成對編碼器旋轉方向的判別和對深度脈沖的累計，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。記數器1記錄由張力模擬信號經(jīng)A/D轉換后產(chǎn)生的數字信號。定時(shí)器0的初始值對應的時(shí)間為A/D轉換器的采樣時(shí)間，該定時(shí)器啟動(dòng)后做減計數，減為0后產(chǎn)生中斷信號。系統轉入中斷服務(wù)子程序，定時(shí)器0重新賦予初值，讀取記數器1的數值到數據緩沖區，見(jiàn)圖9。

圖9 定時(shí)器T0中斷服務(wù)程序

6結束語(yǔ)

該測量系統經(jīng)過(guò)多次現場(chǎng)使用，測量準確、工作穩定。能可靠地記錄下24小時(shí)以?xún)鹊膶?shí)時(shí)測量數據，順利實(shí)現“黑匣子”功能，為用戶(hù)查找事故原因提供了可靠依據，受到用戶(hù)的好評。

參考文獻
[1]蘇濤主編，《DSP使用技術(shù)》，西安電子科技大學(xué)出版社
[2]曾繁泰主編，《VHDL程序設計》， 清華大學(xué)出版社
[3]宋萬(wàn)杰主編，《CPLD技術(shù)及其應用》，西安電子科技大學(xué)出版社
[4]楊振江主編，《A/D、D/A轉換器接口技術(shù)實(shí)用線(xiàn)路》，西安電子科技大學(xué)出版社