一種基于DSP的張力、深度、速度測量系統(tǒng)

摘 要：本系統(tǒng)用于油田測井過程中，對電纜所受的張力、油井的深度及電纜下井速度等參數(shù)的測量。重點闡述了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理。同時，對測力傳感器、測深編碼器、系統(tǒng)硬件電路設(shè)計及軟件流程也做了介紹。該系統(tǒng)精度高、體積小、工作穩(wěn)定。既能實時測量所測參數(shù)，又兼具“黑匣子”功能，能對數(shù)據(jù)進行24小時以內(nèi)的記錄，為事故分析提供可靠的依據(jù)，具有較高的工程應用價值?？捎门c所有測負荷，測長度，測速度的場合。
關(guān)鍵詞：應變傳感器，光電編碼器，DSP，CPLD，I2C總線

1 引言

在油田測井過程中，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。只有及時準確地掌握這些數(shù)據(jù)，才能使測井工作順利進行，以保證測井過程安全可靠。因此，我們開發(fā)了基于DSP的張力、深度、速度測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)準確度高，可靠性強，處理速度快，是地面操作人員理想的監(jiān)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(zhuǎn)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(zhuǎn)軸同軸地固定在周長已知的量輪的圓心上，當量輪轉(zhuǎn)動時編碼器同步轉(zhuǎn)動并輸出脈沖信號。這樣，一定的長度便對應一定數(shù)量的脈沖信號，通過計算脈沖信號便可換算出深度值。對單位時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
.脈沖類型：兩路正交的脈沖信號，通過邏輯電路可完成對光電編碼器轉(zhuǎn)動方向的識別和對深度脈沖的輸出。

3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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行放大，然后送入A/D轉(zhuǎn)換器進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成處二進制序列后送入DSP處理。為保證A/D轉(zhuǎn)換的可靠性，采用V/F器件LM331實現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換，將電壓信號轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動方向。另一路為計數(shù)脈沖，用于完成深度參數(shù)的換算。兩路脈沖均輸入到DSP。見圖1。

圖1 系統(tǒng)硬件實現(xiàn)框圖

4核心硬件電路設(shè)計

4.1 TMS320VC33處理器
該芯片為TI公司推出的32位浮點高性能數(shù)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(shù)、40位浮點乘法運算。片內(nèi)34K 32bitSRAM,分為2個16K和2個2K 的塊，塊上集成一個DMA通道，一個同步串口，兩個32bit的定時器；總存儲空間為 16M 32bits, 程序、數(shù)據(jù)及I/O空間均包含在其中，可根據(jù)不同的要求劃分地址空間；具有程序引導功能，系統(tǒng)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(nèi)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(jié)合了浮點運算和定點運算的長處，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合。
4.2 高精度實時時鐘/日歷SD2001E
本系統(tǒng)要求對測試數(shù)據(jù)進行24小時以內(nèi)的實時記錄（即“黑匣子”功能），因此選用具有I2C總線接口的實時時鐘器件SD2001E，用以記錄測量參數(shù)、操作人員的姓名及具體操作時間（年、月、日、時），作為問題分析的資料。該器件可提供３２k bits及１００億次擦寫次數(shù)的非易失性ＳＲＡＭ；內(nèi)部集成了晶振、電池及電源管理電路，在系統(tǒng)掉電時能保證該芯片正常工作，時鐘走時時間為１０年以上；I2C總線接口（包括實時時鐘部分和ＳＲＡＭ部分）；內(nèi)置高精度晶振，精度＜ ５ppm, 即一個月內(nèi)，走時誤差不超過１３秒（25C）；年、月、日、星期、時、分、秒的ＢＣＤ碼輸入／輸出；自動日歷到２０９９年（包括閏年自動換算功能）。
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。可滿足本測量系統(tǒng)中24小時以內(nèi)數(shù)據(jù)記錄的要求，記錄的內(nèi)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，10萬次擦寫次數(shù)，永久數(shù)據(jù)保存；低功耗，有效電流9mA，備用電流3µA，自動低功耗模式3µA；70ns及90ns的快速讀取時間；地址及數(shù)據(jù)鎖存功能；2KWord 扇區(qū)擦寫能力及32KWord塊擦寫能力；快速擦寫及字編程能力；兼容CMOS I/O口。
4.4　串行E2PROM ＡＴ２４Ｃ５１２
　　該芯片為６４k字節(jié)的串行E2PROM,具有I2C總線接口。測量數(shù)據(jù)存于其中，當系統(tǒng)掉電時數(shù)據(jù)不會丟失，給操作人員帶來很大的方便。該器件擦寫次數(shù)有限，工作可中先將數(shù)據(jù)寫入SD2001E片內(nèi)的ＮＶＲＡＭ，當ＮＶＲＡＭ寫滿后再將數(shù)據(jù)傳送到ＡＴ２４Ｃ５１２中，這樣可大大降低其刷新次數(shù)，從而延長了使用壽命。
4.5 中文圖文液晶顯示模塊ＯＣＭＪ４Ｘ８Ｃ
　　ＯＣＭＪ４Ｘ８Ｃ為具有串／并接口且內(nèi)部含有中文字庫的液晶顯示模塊，具有較強的控制顯示功能；液晶顯示點陣為128 64，可顯示4行，每行8個漢字；具有2Mbits的中文字型CGROM，該字型ROM中含有8192個16 16點陣中文字型庫，可方便地顯示漢字；具有16kbit的16 8點陣的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64 256點的GDRM繪圖區(qū)域，可方便地構(gòu)造圖形；提供了4組16 16點陣的造字空間，可方便地造文字；能實現(xiàn)漢字、ASCⅡ碼 、點陣圖形、自選字形的同屏顯示。
通過采用此液晶顯示模塊，實現(xiàn)了友好的中文圖形及數(shù)字人機界面。
4.6 微型漢字打印機
本系統(tǒng)采用MP-A(D)16-8型打印機，該打印機帶有2k字節(jié)的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)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點陣與12 12點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(shù)學符號、專用符號、自選符號、點陣曲線及條碼等；能同行打印16 16、12 12、8 16、16 8、8 8、6 12點陣漢字或5 7、6 8、8 12、8 16點陣ASCⅡ字符。

5系統(tǒng)軟件設(shè)計

5.1 主流程介紹
程序流程見圖2，本流程為系統(tǒng)的主流程。程序由匯編語言編程，采用模塊化程序設(shè)計，調(diào)用某一模塊時執(zhí)行其相應的功能，便于修改和維護。設(shè)置兩個檢測單元，主循環(huán)中檢測此單元的內(nèi)容是否發(fā)生變化，若有變化，說明系統(tǒng)有異常，重新進行初始化設(shè)置。軟件中，采用冗余技術(shù)及看門狗技術(shù)，確保程序正確執(zhí)行。外部中斷1完成鍵盤管理任務(wù)，當有鍵按下時，申請外部中斷1中斷，執(zhí)行鍵盤監(jiān)控程序；深度脈沖經(jīng)整形后輸入到外部中斷0，進行脈沖記數(shù)。此時，由I/O口判斷辨向脈沖的電平。規(guī)定低電平時編碼器為正轉(zhuǎn)，高電平時編碼器為反轉(zhuǎn)。正轉(zhuǎn)時執(zhí)行加法程序，反轉(zhuǎn)時執(zhí)行減法程序。張力信號經(jīng)V/F變換后，轉(zhuǎn)換為頻率信號送入計數(shù)器1，完成張力信號的計算。定時器0產(chǎn)生系統(tǒng)的時鐘信號 ，設(shè)定其為最高中斷優(yōu)先級。

圖2 軟件實現(xiàn)主流程

圖3 鍵盤管理流程1

圖4 鍵盤管理流程2

圖5 鍵盤管理流程3

圖6 鍵盤管理流程4

5.2 鍵盤監(jiān)控流程介紹

圖3～圖7為系統(tǒng)鍵盤管理流程圖，鍵盤管理芯片為8279，由外部中斷1完成鍵盤操作程序。該系統(tǒng)共有16個鍵，6個功能鍵，10 個數(shù)字鍵。其中，每個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/即時深度；當量/速度報警；清零/恢復。K1/K2鍵為系統(tǒng)的入口鍵，只有先按此鍵，才能進入鍵盤操作，其鍵值為28H，由標志位K的值來判斷是上檔鍵功能還是下檔鍵功能。位K為1時為上檔鍵功能，位K為0時為下檔鍵功能，系統(tǒng)初始化時標志位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，鍵盤功能在K1模式及K2模式之間來回切換。數(shù)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。鍵盤中斷程序流程見圖3～圖7。

圖7 鍵盤管理流程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(shù)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(zhuǎn)方向的判別和對深度脈沖的累計，見圖8。

圖8 外部中斷0中斷服務(wù)程序流程
定時器0作為系統(tǒng)的公共時鐘，產(chǎn)生張力A/D時鐘及速度采樣時鐘。記數(shù)器1記錄由張力模擬信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后產(chǎn)生的數(shù)字信號。定時器0的初始值對應的時間為A/D轉(zhuǎn)換器的采樣時間，該定時器啟動后做減計數(shù)，減為0后產(chǎn)生中斷信號。系統(tǒng)轉(zhuǎn)入中斷服務(wù)子程序，定時器0重新賦予初值，讀取記數(shù)器1的數(shù)值到數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，見圖9。

圖9 定時器T0中斷服務(wù)程序

6結(jié)束語

該測量系統(tǒng)經(jīng)過多次現(xiàn)場使用，測量準確、工作穩(wěn)定。能可靠地記錄下24小時以內(nèi)的實時測量數(shù)據(jù)，順利實現(xiàn)“黑匣子”功能，為用戶查找事故原因提供了可靠依據(jù)，受到用戶的好評。

參考文獻
[1]蘇濤主編，《DSP使用技術(shù)》，西安電子科技大學出版社
[2]曾繁泰主編，《VHDL程序設(shè)計》， 清華大學出版社
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