成像測井中基于A(yíng)RM LPC1788顯示系統的設計

石油行業(yè)中的測井技術(shù)是一種井下油氣勘探方法，用于發(fā)現油氣藏，評估油氣儲量及其產(chǎn)量。從1927年發(fā)展至今已經(jīng)出現第五代測井系統，即成像測井系統。成像測井系統通過(guò)成像井下儀傳感器陣列掃描或旋轉掃描測量，沿井眼縱向、周向或徑向采集地層信息，經(jīng)測井電纜傳輸到井上成像測井地面系統，使用圖象處理技術(shù)得到井壁的二維圖象或井眼周?chē)骋惶綔y深度以?xún)鹊娜S圖象。這比以往測井系統的曲線(xiàn)表示方法更精確、更直觀(guān)、更方便。

第四代數控測井地面系統以L(fǎng)ED指示燈、數碼管等作為顯示器件，存在顯示信息量小，擴展不靈活，電路復雜等諸多缺點(diǎn)。本設計以控制能力突出，外設接口豐富，運算速度快的ARM芯片LPC1788作為控制、數據處理核心，使用了位于A(yíng)HB總線(xiàn)上能進(jìn)行快速訪(fǎng)問(wèn)的多個(gè)GPIO口以擴展定制的寬溫液晶屏，對各種信息的顯示明確、清晰、實(shí)時(shí)、穩定可靠，并能在惡劣的環(huán)境中正常工作。

1 NXP LPC1788 ARM處理器簡(jiǎn)介

LPC1788是恩智浦公司新推出的一款基于ARM Cortex-M3的微控制器，用于處理要求高集成度和低功耗的嵌入式應用。本系統選用此芯片作為主控芯片是由于它具備以下突出特點(diǎn)：

1）LPC1788是下一代內核Cortex—M3架構，在相同的時(shí)鐘速率下能提供比ARM7更高的性能，頻率可以高達120 MHz.

2）多達165個(gè)可配置上拉/下拉電阻、開(kāi)漏模式的通用I/O管腳，控制能力強大。

3）一個(gè)以太網(wǎng)MAC帶MII/RMII，便于數據的傳輸。5個(gè)UART，帶小數波特率發(fā)生功能，支持RS-485/EIA-485.

4）12位模數轉換器（ADC），可在8只管腳之間實(shí)現多路輸入，轉換速率高達400 kHz，并具有多個(gè)結果寄存器。12位ADC可以與GPDMA控制器一起使用。

5）LPC1788的管腳引出線(xiàn)可與LPC24xx和LPC23xx保持管腳功能兼容，方便系統的升級。

2 ARM顯示系統組成

圖1是ARM顯示系統工作原理示意圖。ARM LPC1788是整個(gè)系統的核心，它主要有以下幾個(gè)方面的功能：一方面負責收發(fā)網(wǎng)絡(luò )和串口上的數據，另一方面用內置AD采集直流交流供電回路上的電壓電流信號，并控制液晶屏顯示相關(guān)信息。

圖2是實(shí)際電路圖截選。

ARM LPC1788、晶振電路、供電電源、復位電路、驅動(dòng)電路和其他外圍電路封裝成一個(gè)小模塊LPC1788 MODULE，通用化，以方便系統共用。程序調試和下載使用JTAG口。D2為MC1413，負責控制繼電器的通斷。XS10：RJ45接網(wǎng)線(xiàn)，和上位機進(jìn)行數據交換。XS8為液晶屏接口，分別把數據線(xiàn)D0-D7，地址線(xiàn)A0-A1，控制線(xiàn)CS0、WR、RD接到液晶屏相應端口上去。ARM模塊管腳70-73是LPC1788內部AD收入，采集模擬信號。串口為49、50兩管腳，與單片機C8051F040轉發(fā)數據。

2.1顯示部分

電路成像測井地面系統在野外環(huán)境工作，條件比較惡劣，要求高溫和低溫情況下都能正常地使用。為了達到這點(diǎn)，本系統選用了寬溫型芯片（達到-40～85℃的指標）及寬溫型液晶顯示屏?；驹砣鐖D3所示。

LPC1788 P3口、P4口出來(lái)的地址信號、片選信號、讀寫(xiě)信號和數據信號，經(jīng)三態(tài)輸出到16位總線(xiàn)收發(fā)器SN74LVC16245并經(jīng)驅動(dòng)連接到液晶屏控制電路上的CPLD進(jìn)行邏輯控制，并和其相應的存儲器進(jìn)行數據交換。同時(shí)，DC/DC電壓變化器供給液晶屏所需各種電壓，背光供電電路給液晶屏背光燈供電。邏輯控制部分加入緩沖技術(shù)，可以讓寫(xiě)入與顯示同時(shí)進(jìn)行，避免雪花現象，實(shí)現高速刷新。

此液晶屏為點(diǎn)陣型液晶屏，由480x272個(gè)顯示單元組成，顯示字符相對復雜。每一個(gè)漢字都可以認為是由許多個(gè)點(diǎn)組成點(diǎn)陣所構成的。此屏每8列對應一個(gè)字節的8位，即每行由60字節共60x8=480個(gè)點(diǎn)組成，屏上272x60個(gè)顯示單元與顯示存儲器區16 320字節對應，每一字節的內容和顯示屏上相應位置的亮暗對應。當一行的字節寫(xiě)滿(mǎn)刷新屏幕后，自動(dòng)跳轉到下一行寫(xiě)新的字節，如此，寫(xiě)滿(mǎn)整屏。本設計每一個(gè)字符由20x16點(diǎn)陣組成，共需要40字節才能寫(xiě)完一個(gè)字。

控制液晶屏方式為并行總線(xiàn)控制（片選信號/CS、讀信號/RD、寫(xiě)信號/WR、數據總線(xiàn)D[7：0]、地址總線(xiàn)A[1：0]）。既可以像普通存儲器一樣使用EMC方式控制，所有操作均對寄存器進(jìn)行讀寫(xiě)；也可以用GPIO方式控制，嚴格按照時(shí)序控制相應端口置高低電平。液晶屏需要四個(gè)寄存器，列地址寄存器（X）、行地址寄存器（Y）、狀態(tài)寄存器（CME））和數據寄存器（DAT）。每個(gè)寄存器的位寬是8bit，而行（列）寄存器地址取值范圍均超過(guò)255，需占9bit，所以行（列）地址寄存器必須連續寫(xiě)兩次，第一次寫(xiě)低8位，第二次寫(xiě)高位地址。在此期間，不可以對其他三個(gè)寄存器做任何操作。在單點(diǎn)寫(xiě)時(shí)，控制寄存器寫(xiě)0就可以。顯示數據通過(guò)數據寄存器寫(xiě)入和讀出，每次讀寫(xiě)操作后地址自動(dòng)沿X方向加一。

讀寫(xiě)時(shí)，先指定行列地址。然后從此點(diǎn)開(kāi)始進(jìn)行連續讀寫(xiě)，無(wú)須重新設置行列地址。在顯示數據每次寫(xiě)操作后，列地址自動(dòng)加1.當地址加到行尾時(shí)，地址將跳到下一行的行首。當寫(xiě)一個(gè)新行時(shí)，需重新設置行列地址。

2.2數據收發(fā)電路

本設計共有兩種數據收發(fā)總線(xiàn)：

1）以太網(wǎng)。以太網(wǎng)因應用廣泛，技術(shù)成熟，具有獨立性和靈活性的優(yōu)點(diǎn)，適用于本系統結構化綜合布線(xiàn)格局，且便于和計算機交換數據。故成像測井地面系統各分系統之間連接使用以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )總線(xiàn)。ARM LPC1788 MAC通過(guò)RMII接口與PHY芯片IAN8720連接，主要負責接收當前系統的控制令、上傳采集到的數據和系統工作狀態(tài)。

2）串口。串口通信原理簡(jiǎn)單，穩定可靠，主要作為數據通路的轉發(fā)器，轉發(fā)控制命令。其主要控制兩路DAC提供基準電壓，調節整個(gè)電路狀態(tài)以便于A(yíng)D采集。

2.3 AD采樣電路

LPC1788內含8通道12位逐次逼近式模數轉換器，轉化速度高達400 kHz，并可高速采集多路模擬信號。逐次逼近式模數轉換器由一個(gè)比較器和D/A轉換器通過(guò)逐次比較邏輯構成，從MSB開(kāi)始，順序地對每一位將輸入電壓與內置D/A轉換器輸出進(jìn)行比較，經(jīng)n次比較而輸出數字值。前級電路對原始信號進(jìn)行檢波、放大、電流電壓轉換、濾波等預處理以滿(mǎn)足AD的測量要求。

3軟件設計

ARM LPC1788上電后自動(dòng)進(jìn)行初始化操作。首先，程序初始化設置系統時(shí)鐘，分頻晶振頻率；設置外設功率寄存器PCONP，使能以太網(wǎng)、串口及GPIO自身和IOCON等外設寄存器，禁止其他外設功能以節省功耗；設置I/O配置寄存器IOCON，控制器件需要使用管腳的功能；設置GPIO端口方向寄存器FIOxDIR、端口屏蔽寄存器FIOxMASK、端口輸出設置寄存器FIOxSET、端口輸出清零寄存器FIOxCLR、端口管腳值寄存器FIOxPIN等。其次，對液晶屏清屏，配置液晶屏底色及字體顏色；設置8點(diǎn)寫(xiě)模式，提高顯示速度，并顯示恒定不變的信息。然后，控制輸出基準電平以調整電路狀態(tài)以便能采集到穩定正確的模擬信號。當接收命令和初始化完成后，LPC1788網(wǎng)絡(luò )口等待接收上位機命令，判斷刷新標志是否有效：有效則清除刷新標志，并依次進(jìn)行數據采集、顯示數據、給上位機上傳采集到的數據等操作；無(wú)效則接收并處理新命令。程序流程圖如圖4所示。