微型堵塞器型压力计的设计

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1、微型堵塞器型压力计的设计 吉林农业大学发展学院学 号: 0103070110 吉林农业大学发展学院毕业设计（论文）微型堵塞器型压力计的设计学 院:电子信息工程学院专 业:测控技术与仪器 班 级:一班 姓 名:刘海龙 指导教师:吴旭云 微型堵塞器型压力计的设计摘要首先介绍了压力计的用途，并将我们设计的压力计同国内外使用较多的压力计做了性能比较；然后，概述性的介绍了压力计的工作原理；并对压力计的总线选择、电数据压缩做了概念性介绍。并且对压力计的测量部分，计算部分，时间控制部分，电源控制部分，存储器部分的原理做了详细的阐述 其次详细论述了本压力计的下位机软件各组成部分。首先，在本章开头我们给出了测井

2、数据采集部分、DS1629报警部分、数据存储部分及I2C总线部分的程序流程图，最后给出了主流程图。 再次详细论述了数据拟合回归公式的基本原理，并给出了如何用拟合好的公式计算压力，温度值。只有对采集的数据进行数据拟合回归，才能得到真实的压力、温度值。数据拟合公式中系数的选择将对温度、压力值的精确度有极大的影响。 为了提高系统的鲁棒性，我们在本压力计的硬件及软件设计上都对容错性给予了极高的重视。在本章中，阐述了软件容错的基本概念、基本原理、基本方法、以及模型设定。最后，以本压力计为例，给出了软件容错的一些实际应用。关键字 石油 压力计 温度计The miniature stops the desi

3、gn of a pressure gauge of machineAbstract firstly,it introduces the use of manomerer,and it also compares the function the manometer of our design with the most used ones both here and abroad.Second,it introduces the operational principle of manomerer in general,and it also gives us a conceptual int

4、roduction for the main line choice and data compaction.,it expatiates the the principal of detecting unit,computingtime,time control,power control ,memorizer.it discusses in particular the every part of the down machine sofetware.It firstly shows the collection of well logging data,DS1629 alarm syst

5、em,data storage and program flow picture of I2C main line,then it shows the main program flow picture.It expatiates the basic principle of data fittings regression formula,and it shows that how to use regression formula to calculate the press and tempreture.Only if we use regression formula in colle

6、ctiong date,we can get correct press and tempreture.The coefficient of data fittings regression formula will have a great influence for the precision of press and tempreture.In order to improve the robustness of the system,we pay great attention to the fault tolerance of hardware and software of thi

7、s manometer.In this Chapter,it states many aspects of of fault tolerance,such as ,basic meaning,basicprinciple,basic method,and model specification.Finally,using this manometer as an example,it shows the practical application of software fault tolerance.Keywords Petroleum Pressure gauge Thermometer目

8、 录第1章 绪论61.1 井下压力、温度测量仪的研究概况61.2本课题的方案确定和要完成的工作71.2.1 总体设计方案81.2.2 系统工作原理81.2.3传感器选择91.2.4 系统总线选择101.2.5 要完成的工作121.3本章小结12第2章 系统硬件132.1 硬件组成132.2 工作原理172.2.1压力测量部分172.2.2 温度测量部分182.2.3 电源控制部分182.2.4 存储部位192.2.5定时控制部分192.3本章小结19第3章 系统软件203.1 测井数据采集部分203.2 时钟控制部分203.3 数据存储部分233.4I2C总线部分253.4.1I2C总线的基本

9、原理253.5主程序流程图293.6 本章小结32第4章数据回归334.1 数据回归概述334.2 拟合算法推导344.3 参数应用及实验结果364.3.1求井温364.3.2求压力值364.4 本章小结37第5章软件容错385.1软件容错的定义与分类385.1.1时间容错385.1.2 信息容错395.1.3 软失效运行395.2 软件容错系统结构介绍395.2.1 N版本程序结构395.2.2 恢复模拟块法405.2.3提高软件的刚健性（robustness）415.3 应用415.3.1 防止死机415.3.2判断读出时间是否正确425.3.3判断下次报警是否能够实现425.3.4 判断

10、工作表455.4本章小结46第6章结束语47致谢48第1章 绪论 石油是一个国家的命脉，石油产业的兴衰直接影响到国家的经济。所以我国一直对油藏工程给予极高的重视。在油藏工程中的许多方面，可靠的地下油藏资料都是十分重要的：油藏工程师必须掌握大量的油藏数据资料，才能准确的分析油藏动态和预测各种开采方式下的生产趋势；菜油工程师也要了解生产井和注入井生产条件才能在油藏最佳动态情况下进行开采。这些资料大都是通过不稳定试井得到的。 不稳定试井方法，例如，压力恢复、降压、注入能力测试等等，都是油藏工程和采油工程的一个重要方面。不稳定试井方法的主要过程由两部分组成：一部分是在井底造成压力改变，另一部分是测量压

11、力改变随时间的变化。通过测量得到的压力值，可以用来估算出岩石、流体和井的特性参数，其有助于用来分析、改进和预测油藏动态。从不稳定试井获得的实验资料包括井筒体积，地层压力，渗透率，孔隙度，储量和其它有关数据。从中可以看到，这种方法的关键的技术资料就是测量得到的精确的压力值。以前，不稳定试井方法受到许多限制，其中最重要的一方面就是缺少精确的压力数据，而无法进行确切的分析。1.1 井下压力、温度测量仪的研究概况 目前，国外的井下测压技术发展的十分迅速，主要测量仪器为存储式电子压力计。其大多有着压力量程大、精度高、存储量大、采样速度快等优点，而国内的井下测压技术还不十分先进。国内外常见的压力测量仪的性

12、能指标可参照下表1.1. 但由于此类传统压力计大多有着直径宽，体积大等诸多不利因素，造成现场测试困难，费用高、成本高，因而急需一种直径小、精度高、工作时间长的新型压力计。目前此类小直径压力计在国外已经问世，但是价格昂贵，而且井下工作时间较短；国内同类产品较少，而且在测量精度、功耗、存储容量方面不尽人意。我们的微型堵塞器型压力计就是在这种形势下研制出来的新型产品。这套仪器配套于偏心配水器，测试工艺完全依照分层配水及测试工艺进行。因而极利于注水井的压力温度测试，简化了工艺，节约了人力、财力。 生产 厂家 斯坦微电子研究所 北京金时石石油测试技术有限公司北京双福星科技有限公 司大庆大名新技术开发公司

13、大庆市仪星有限公司压力量程（Mpa）050030045030030压力分辨率（%FS）0.050.010.050.050.01压力精度（%FS）0.50.50.40.50.5温度量程（）-10+125-40+120-20+1200+80-30+120温度精度（）0.50.5110.5温度分辨率（）0.10.10.50.50.1存储容量（点）300012000160001360014272井下工作时间（天）90180120180150 表1.1 国内外常见大直径压力测量仪性能指标参照表 由上可见：一般压力计，其精度只能达到千分之一左右；而且一般只能耐到120度高温，我们知道随着井的深度增加，井下

14、的温度也在增加，所以这种耐温度就限制了被测井的深度；一般的测压计的容量也不是很大，只能达到25万组数据，更有甚者只有几千组，因为井下数据的数量越多对被测井的特性分析也就月充分；存储量不大，也就意味着不会掌握很多的井下压力数据，很大的限制了不稳定试井的使用范围；而且，大多数压力计的温度测量不精确，现在国际通用的压力计都要求精确的温度测量，这是因为被测井下压力同当时的井下温度有关，测得的压力数据要根据以温度拟合成的数据为系数的方程来得到正确的压力真值，如果温度值不准，则压力值也不会准确。而且，温度本事对于试井也有着极大的意义。1.2 本课题的方案确定和要完成的工作 对本课题所提出的技术指标有如下几

15、项：压力量程： 075Mpa压力精度： 0.05%FS压力分辨率： 0.001%FS温度量程： -30+125度温度精度： 0.1度温度分辨率： 0.05度 最大存储容量： 80000点 井下工作时间： 半年以上 外径： 15mm 长度： 200mm 从以上指标比较来看，我们所设计的这台高精度压力计同国内外同类产品相比有着以下几方面优点：1） 压力精度高。2） 温度量程宽，这意味着可以用来测量更深的井，增大了使用范围。3） 存储量大，也就是说利用这台仪器一次可以测量取得更多的数据。4） 体积小，克服了传统大直径压力计存在的弊端，给现场的使用带来了方便，节省了人力财力。 本次设计的堵塞器型压力计

16、的大多数指标都已经赶上或者超过国际水平。1.2.1 总体设计方案 井下存储式压力计不需要传输电缆，利用电池供电。因为是在井下几千米进行测量，没有办法利用地面电源对压力计供电，只能采用电池供电。这就要求硬件部分要有着低功耗的特点，否则仪器无法在地下工作十几个月。为了延长仪器的一次下井时间，应该在采用同类小功耗元件的前提下尽可能的减少元件个数，并且还应该寻找进一步省电的方法。 整个仪器将工作在几千米的地下，必须可耐125的高温。这要求系统的元器件要有耐高温的特性。一般民用元件耐温在0+70之间，根本无法满足设计要求，其实工业级的元件也只能耐温在-40+80之间，所以要达到指标要求，必须采用军品元件

17、并进行高温筛选以得到耐高温元件。本次设计中所用到的器件均选用功耗低的军品元件。 为了达到大容量的存储空间，我们可以采用单片大容量存储器或多片小容量存储器。因为存储器也必须耐高温，所以如果采用前者则价格极其昂贵，如果采用后者则难免要增大功耗，影响井下的工作时间。但无论采用哪种方式，适当的采用一些数据压缩算法都是应该的。对于数据压缩，应该注意的事项是，压缩时间应该不大，以免影响数据的采集。1.2.2 系统工作原理 压力计进行工作参数设定以及在测量完毕后进行数据回放时，地面系统框图如下所示： 打印机 堵塞器压力计打印机线PC 机专用通信线 图 1.1 在工作前，需要通过专用通讯线，用随机配制的系统软

18、件进行压力计的初始化，设置各项工作参数（时间表和工作表）。使用时，系统便在CPU的控制下，按照预先设置的工作表进行定时采样，并将采集到的压力、温度数据保存在存储器中。然后压力计电路进入低功耗状态，此时消耗电流只有6uA，等待下一次采样开始。压力计的工作原理框图如图1.2所示。当存满数据存储器时，系统只进行采集，但不再对采集到的数据进行存储。仪器工作结束后，重新接上专用通讯线，在上位机上运行随机配制的系统软件对数据进行回放，并可以根据需要进行数据存储、显示、绘图等操作。 温度传感器 单元压力传感器 单元CPU 数据放大转换单元 时钟单元 电源单元 数据储存 单元 图 1.21.2.3传感器选择

19、由前述可知：有待测量的物理量有温度、压力两种。温度、压力传感器一般可以分成两类：模拟传感器、石英晶体传感器。1） 模拟传感器：普通国产压力模拟传感器的压力精度一般为0.5%0.8%，温度模拟传感器的精度为0.10.5.可见要想提高测量精度，就必须选择精度高的压力传感器。此外模拟传感器的体积很小，因此符合本次小直径压力计的设计目的。2） 石英晶体传感器：石英晶体传感器的相对精度很高，压力计石英晶体分辨率可达到0.02%，精度可达到0.05%；温度石英晶体传感器分辨率可到达0.005，精度可达到0.01.但是石英晶体传感器的体积相对很大，鉴于本次设计的要求，最终选择体积小，精度较高的模拟传感器。通

20、过对众多厂家的压力传感器的比较选择，我们最终选择瑞典KELLER公司的压阻式压力传感器。KELLER公司作为欧洲著名的压阻式传感器生产厂家，其产品具有体积小，重量轻，精度高，灵敏度高、稳定性好、一体化结构等特点。本次选用精度为0.05%的KELLR-1型压力传感器。为了测量并下温度，并考虑到系统小型化，这里选用带有时钟功能的温度传感器DS1629，其在-30+125的温度范围内，其测量精度高达0.3，满足了本次设计要求。1.2.4 系统总线选择 90年代，单片机（MCUMicro controller Unit）及其外围器件技术有了惊人的发展，新一代单片机的出现，使人们可以按对象需要选择合适的

21、单片机；单片机的内外串行总线大大地简化了单机、多机与网络系统的硬件结构。可以说，新一代单片机技术的显著特点之一就是串行总线的推出。在没有专门的串行扩展总线时，只能通过并行总线扩展外围器件。而由于并行总线扩展时连线过多，外围器件工作方式各异，外围器件与数据存储器混合编址等，都给单片机系统设计带来较大困难。现在退出芯片间的串行数据传输技术，其设置了芯片间的串行传输接口或串行总线，起到了简化系统结构，提高系统可靠性的作用。新一代单片机中，除了必须的储存器扩展要用到并行接口之外，其他外围器件都可以通过串行方法进行扩展。由此，我们可以得到新一代单片机并行总线、串行总线扩展的优选模式如图1.3所示： 芯片

22、间串行接口与串行总线分类： 目前单片机应用系统中常用的串行扩展总线主要有MOTOROLA公司的串行外围接口SPI（Seral Peripheral Interface）、NS公司的MICROWIRE/PLUS串行同步双工通讯口和Philips公司I2C BUS(Inter IC BUS),下面介绍一下它们的特性：a） 串行外围接口SPI LED驱动 LED显示 P2.0 单 P0.0片SCLSDA机锁存器EPROM时钟I/O 口RAMA/D,D/A数据存储器程序存储器I/O口键盘8并行扩展8串行扩展I2C总线 图1.3 并行总线、串行总线扩展的优选模式 SPI是一种三线同步接口，其通过串行数据

23、线（MISO、MOSI）和串行时钟（SCK）实现芯片间的数据传送。图1.4为SPI串行扩展电路。 SK MOSI SPI MISO CSI主机端 CS2 CS3SK SPISI 从机SOCSSK SPISI 从机SOCSSK SPISI 从机SOCS 图1.4 单主机SPI串行扩展电路 从图1.4可以看出从机的选通是依靠每个人从器件的CS引脚的选通信号，因而数据送软件十分简单，省去了从器件的地址选择，但在扩展器件较多时，连线不会简洁。而且，其采用硬件片选，难免会占用I/O口线，使得口线使用紧张。在口线数目一定的情况下，从器件的数量会得到限制（与后面的I2C总线技术比较）；反之，如果要增大从器件

24、数目，无疑增加额外的I/O口扩展器件，又增大了系统的功耗 b）串行通讯接口MICROWIRE/PLUSSI为串行数据输入；SO为串行数据输出；SK为串行移位时钟。图1.5为MICROWIRE/PLUS接口串行扩展图。 COP800 HPC 系列 单片机 主机 SI SO SK CSEPPROMDO DICLK CS A/DDO DICLKCOP800 HPC 系列 单片机 主机SOSISK 图1.5 MICROWIRE/PLUS接口串行扩展图 从图1.5可以看到MICROWIRE/PLUS的优点同SPI相同，但同样没有能够避免SPI总线的缺点。 C） I2C串行扩展总线 I2C与SPI、MIC

25、ROWIRE/PLUS接口不同，它以两根连线实现了完善的全双工同步数据传送。I2C总线采用了器件地址的硬件设置方法，通过软件寻址完全避免了器件的片选线寻址方法，从而使硬件系统具有最简而灵活的扩展方法。按照I2C总线规范，总线传输中的所有状态都生成相对应的状态码，系统中的主机能够依照这些状态码自动的进行总线管理，用户只要在程序中装入这些标准处理模块，根据数据操作要求完成I2C总线的初始化，启动I2C总线就能自动完成规定的数据传送操作。图1.6为I2C总线应用系统的典型结构。处理器件外围器件 单片机 或微处 理器 单片机 或微处 理器 外围接口模块 I2C总线驱动器 远程I2C系统 图1.6 为I

26、2C总线应用系统的典型结构 为减少功耗，我们应该尽量减少元器件的数量。因此，我们在系统中采用新一代单片机总线技术串行总线。综上所述，我们采用I2C串行总线技术。1.2.5 要完成的工作 本次设计的主要工作有结合工艺进行系统硬件设计、系统软件设计、标定试验、现场下井试验、试验数据回放分析等。由于压力传感器的输出信号受到环境温度的影响，因此在压力计投入使用之前要进行标定试验。标定中心采用加拿大先锋石油技术装备有限公司提供的全自动标定系统。整套系统采用对比法进行标定，完全使用计算机远程控制。精度高，操作简单，标定范围大，效率高。1.3本章小结在本章中，首先介绍压力计的用途，并将我们设计的压力计同国内

27、外使用较多的压力计做了性能比较；然后，概述性的介绍了压力计的工作原理；并对压力计的总线选择、数据压缩做了概念性介绍。在以后的各章里，本论文将在此基础上，就系统硬件，系统软件，系统容错，数据压缩，数据回归各方面做进一步讨论。第2章 系统硬件 上一章，对本论文将要阐述的个部分做了概述性的介绍。在本章中，我们将详细介绍压力计的硬件组成及功能实现。2.1 硬件组成 这套系统的硬件基本有以下几部分组成：1）测量；2）计算：3）存储：4）电源；5）时钟；6）系统监控。其中测量部分由传感器以及A/D转换器组成；计算部分有单片机构成；存储部分由24C1024组成；电源控制采用MAX619集成芯片；时钟用DS1

28、629；系统监控用MAX6315。各部分芯片简介如下：1） 压力采样环节：压力传感器采用瑞典KELLER公司的压阻式压力传感器，其输出为与压力成比例关系的电压信号，因此需要加上A/D转换环节。为了提高测量精度，这里选用美国Analog推出的具有24位精度的转换器AD7710。AD7710为美国Analog Devices推出的性能优越，高分辨率的A/D转换集成电路。它具有两路差模输入，1128八档程控增益放大器，程控低通滤波器等特点，能完成24位A/D转换，转换频率为101000赫兹。AD7710是低频测量应用中的一个完整模拟的前端，能直径接受低频信号，并以串行数字方式输出，用转换技术实现24

29、位无误码性能，而且具有片内基准电压，SO24封装，工作温度可达到125.2） 温度采样及系统时钟：为了节约设计空间，这里采用集温度传感器与实时时钟于一体的高性能芯片DS1629.DS1629是美国DALL公司最新推出的带有二线制串行接口（I2C）的时钟数字化温度计，测量精度为0.3，测温度范围是-55125，并且具有可编程、宽电压、低功耗等特性，特别适合于电池供电系统中。 DS1629内部集成了时钟及温度监控。数据传输采用I2C总线技术。其工作电压范围广。时钟/日历单元提供秒、分、小时、星期、天、月、年单元。每月天数随月份不同自动调整，且可以根据闰年调整。DS1629提供12或24小时模式，在

30、12小时模式下提供AM/PM位。无论是测量温度超过设置温度，或是当前时间达到设定的报警时间，DS1629的开环报警输出端都可以发出报警信号。使用者可以设定报警情况（只有时间、只有温度、或是不报警）。为存储系统数据或是时间温度数据。DS1629提供了32字节的SRAM，因为其不限制读写次数，我们将浮动工作表存在其中。 DS1629特点： 时钟可以自动调节2100年以前的时间；用户设定时间或稳定报警；内含32字节SRAM；I2C总线数据输出；宽供电范围：（2.2V5.5V）：8脚SOIC封装。其引脚如图2.1所示。 引脚功能如下： SDA、SCL：I2C总线数据线及地址线 ALRM： 温度、时间报

31、警输出端 X1、X2：32.768HZ晶振输入端及反端 OSC： 晶振输出端 图2.1 DS1629封装图 3） 系统CPU采用Philips公司推出的新型单片机P87LPC769.其采用CHMOS工艺，采用SO-20表贴封装，具有低功耗的特点。而且，P87LPC769为军品元器件，其可以耐高温度到125.经过筛选可以耐到150 4）我们采用24C1024作为存储器件，24C1024是一种新型I2C总线存储器件，其内有125K*8位电可擦除PROM，其可工作电压范围广（1.8V5.5V）。可用于低功耗通讯及数据存储，它具有页写功能，一次页写最大字节数可达256字节，在读取数据方面，其可以按字节

32、读也可以采用连续读的方式。地址总线允许最多外挂2骗24C1024在同一总线上，这样最大可达到2M位的地址空间。本机选用24C256的主要原因是其低功耗和小体积。 24C1024主要特点如下： 低功耗CMOS技术：串行内部总线（兼容I2C）；256字节页写功能；硬件写保护；10万次擦写；电压保护大于4000V；数据可保持200年；有PDIC以及SOIC两种封装；为耐高温，在本应用系统中采用24C1024，其可工作在-40+125之间，典型工作电流在写数据时为：3Ma,读数据时：400mA，静态电流：1uA。 引脚功能如下：AO：片选地址SDA：串行数据总线SCL: 串行地址总线WP： 写保护端当

33、WP端为高电平时，24C1024只允许读操作，当其为低电平或悬空时，24C1024允许读写操作。具体24C1024的读写操作见第三章 。图2.2 24C1024封装图 5）由于系统在井下工作时间一节3.6V的高能电池供电，而整个系统需要+5V的供电电源，因此需要直流变换器升压至5V。这里选用MAXIM公司推出的直流变换器MAX619。MAXIM公司研制的可调节5V充电泵直流变换器MAX619，由2节电池（23.6V）输入，就可转换成5V4%的电压输出。并且它的外围元件极少，在0.1平方英寸的印制板上，即可把整个的MAX619及外围元件装下。外围元件只有2个充电电容、2个输入输出电容。变换器自身

34、最大耗电为150uA，带有可关断功能。逻辑控制负载开路时，耗电最大只有1uA。有双列直插（DIP28P）和SO软封装形式，能适应各种需直流变换的场合。 MAX619输入23.6V（2节电池）电压，可提供5V输出。内部充电泵和外部滤波电容保证5V的输出。当输出电势有下降趋势时，充电泵受脉动控制，使电压保持在5V4%范围内。当ON/OFF为逻辑高电平时，MAX619就处于输出关断状态，充电泵开关停止工作，输出为0V。共50页 第50页 MAX619输入23.6V（2节电池）电压，可提供5V输出。内部充电泵和外部滤波电容保证5V的输出。当输出电势有下降趋势时，充电泵受脉动控制，使电压保持在5V4%范

35、围内。当ON/OFF为逻辑高电平时，MAX619就处于输出关断状态，充电泵开关停止工作，输出为0V。MAX61典型应用电路如图2.3所示。 图2.3 MAX619典型应用电路 充电电容C1和C2的参数选择：C1和C2充电泵电容是关键元件，它的电容值保证输出电压和输出电流的稳定。其值应在0.22uF到1.0uF选择。大容量的电容（达50uF）也可用，但是，大容量电容使用后，输出电压的纹波将增加。所以，选择电容值不宜太小和太大，而且，应选用陶瓷和钽电容。设计时选择0.22U的陶瓷电容。2.2 工作原理 本系统为存储式压力计，其采用断电工作方式：即依照工作表（时间表）在特定时间进行数据采集、处理、存

36、储，而在其它时间却处于断电状态（只有时钟工作）。这这种方式下，使得应用系统处于省电状态，又使得采样数据不至过多，以免系统存储不下。2.2.1压力测量部分 第一章中已经介绍过，压力传感器采用KELLR-1型压阻式传感器，其量程为0-100Mpa，输出为0-600mV。的电压信号，有AD7710进行A/D转换后，变为数字最后进入CPU进行存储等处理。压力测量的原理如如下： AD7710引脚排列及外围电路如图2.4所示。（1）脚SCL K：串行时钟脉冲。当MODE为高电平时，则SCLK引脚输出串行时钟脉冲，器件状态为内时钟模式；当MODE为低电平时，则为外时钟模式，SCLK为输入端。（2）脚XIN：

37、器件的主时钟信号。如主时钟信号为CMOS兼容时钟，则直接从该引脚馈入。（3）脚XOU:T器件的主时钟信号。主时钟为石英晶体时，石英晶体联接在XIN和XOU T之间。（4）脚AO：地址输入。低电平时，对控制寄存器进行读和写，高电平时，进行数据寄存器和校准寄存器的存取。（5）脚SYNC：逻辑输入，低电平有效（6）脚MODE：模式选择，逻辑输入，高电平时，为内时钟模式；低电平时，为外时钟模式。（7）脚AINI（+）：通道1的正模拟输入。图2.4 压力测量原理图（8）脚AIN1（-）：通道1的负模拟输入。（9）脚AIN2（+）：通道2的正模拟输入。（10）脚AIN2(-)：通道2的负模拟输入。（11）

38、脚VSS：负模拟电源。典型值为0-5V。单电源工作时，该端与地（A GND）短接。（12）脚AVDD：正模拟电源，使用范围+5+10。（13）脚VBIAS：偏置电压输入。（14）脚REF IN（-）：负的参考电压输入端。（15）脚REF IN（+）：正的参考电压输入端。（16）脚REF OUT：内部2.5V参考电压输出端。（17）脚IOU T：补偿电流输出端。它能提供20uA的恒定电流，能与外部的热敏电阻连接，进行冷端补偿。（18）脚AGND：模拟地。（19）TFS：发送帧同步，低电平有效。在脉冲下降沿后串行数据有效。（20）脚RFS：接收帧同步发送帧同步，低电平有效。（21）脚DRD Y：逻

39、辑输出，低电平有效，下降沿触发。（22）脚SDATA：串行数据。（23）脚DVDD：数字电源，+5V。DVDD电压不能低于4.75V，否则AD7710不能正常工作。另外DVDD必须小于或等于AVDD。（24）脚DGND：数字地。 AD7710以一定的速率对压力差模输入信号（0600mV）进行连续采样，采样速率由主时钟f CLKIN决定。采样信号经PGA放大后，使其输出电平满足电荷平衡（）ADC的要求，尔后转换成数字脉冲序列。该序列经数字滤波器处理后以滤波器一阶陷波频率确定的速率更新21位的输出寄存器，寄存器中的数据可从双向串行口采用同步内时钟或同步外时钟方式随机读取，或者以输出寄存器更新速率周

40、期地读取。AD7710的读写时序如图2.5所示。图2.5 外部时钟模式读写AD7710时序 AD7710内部具有自校准、系统校准和背景校准等功能。自校准能消除芯片本身的零点误差和增益误差，系统校准能消除输入通道的失调和增益误差，背景校准能消除温度漂移、电源波动和时间漂移的误差。这些校准均由微控制器的软件来实现。A/D转换器的基本思想是基于过采样技术把更多的量化噪声压缩到基本频带外边的高频区，并由数字滤波器滤掉带外噪声。因此，过采样A/D转换技术有三个主要优点： 采用一位编码技术，故模拟电路少； ADC前面抗混（模拟低通）滤波器设计容易； 提高信噪比。本次设计中AD7710的转换速度设为10HZ

41、，通过实验得知，其有效精度高达20位，满足了设计的要求。2.2.2 温度测量部分 系统测温传感器采用数字温度传感器DS1629。在-55125测温范围内，其测量精度为2，然而采取扩展读后，其测量井度可达到3.DS1629的温度转换方式有两种：连续转换与单词转换。DS1629出厂时设定为一上电即开始连续测量温度，即连续转换方式。这一操作类似后台工作，主控CPU可连续读取温度寄存器，而不会影响稳定的测量与转换。由于DS1629的温度测量转换速度很快，而且在连续稳定转换模式下DS1629的功耗增加，如果让其在整个压力计的采样时间内连续稳定转换，则必然增加系统的功耗。因此程序设计时，让其一上电就处于单

42、次转换模式，那么DS1629在一次温度转换完毕后，回到待机模式，这就降低了整机的功耗。 DS1629芯片提供I2C协议接口，与CPU之间接口简单方便。CPU通过命令AAH、A8H、A9H分别读取温度寄存器（TEMP_READ）、计数寄存器（COUNT_REMAIN）、斜率寄存器（COUNT_PER_C）,然后通过下式的计算以提高转换精度。 T=TEMP_READ-0.25+式（2-1） 实验证明，选取DS1629进行测温并通过扩展读的方法，温度精度达到了0.3，满足设计指标。2.2.3 电源控制部分 由单节电池，升压片MAX619，模拟转换开关MAX4624以及电源监控芯片MAX6315构成的

43、电源部分，起到了对电源的开关控制。本系统采用了在井下工作时无法从井上得到电能，只能采用电池供电。为了能够长时间井下采集要求，要求系统功耗要小。为了达到低功耗目的，我们除了选用低功耗的元器件，整个系统采用了断电工作方式。在此方式下，MAX619只在工作表所指定的时间点为仪器供电，其余时间只为定时器供电，其余元器件处于断电方式。由上述可知，本系统要有两种供电：一路为定时器及其相关元件供电：另一路为采样、计算、存储环节供电。电源控制电路见下图所示。图2.6 电源控制电路图如图2.6所示，系统第一次上电时（接上电池），MAX6315产生100ms的复位，RST引脚变化低电平（维持100ms），因此模拟

44、开关MAX4624的控制脚INI为低电平，此时COM1与NC1接通，升压片MAX619接通电源，其输出V2为5V，V1=1.3V。其中V2给系统供电，V1给时钟DS1629供电。系统工作后，让CPU的P1.2引脚（为开漏输出）为低电平，因此系统处于常供电状态。待采样结束后，让CPU置P1.2为高电平，因此MAX4624的控制脚IN1变为高电平。此时COM1与NO1接通，NC1与电源切断，MAX619的输出电压为V2=0V，系统停止工作。但此时V1=2.7V左右，因此时钟时刻有电，保证了时间的准确性。下次采样时刻到达后，时钟芯片DS1629发出报警信号，即ALARM引脚产生下降沿，因此复位芯片的

45、手动复位端MR有效，MAX6315产生复位，RST脚变为低电平，从而升压片产生输出电压，系统循环工作。2.2.4 存储部位 本仪器采用24C1024作为存储元件。24C1024采用I2C总线技术，含禁止写入脚（WP）。系统要求存储容量在1M位，所以共用1片24C1024。存储器分成两部分：一部分为测量数据存储区；另一部分为控制数据存储区。为防止数据出错，测量数据存储区要求一次只有一片可以写入。通过对LPC769的P1.6P1.7编码，可以实现此要求。对于另一部分控制数据区，又可以分为两部分：浮动工作表部分；固定工作表部分。浮动工作表部分在数据采集时被下位机改写。固定工作表部分存储的是上位机传下

46、来的固定工作表，只有与上位机通讯时，才允许下位机改写里面的内容。硬件电路见附图部分。2.2.5 定时控制部分 此部分有DS1629以及MAX6315组成。DS1629同样为I2C总线元件，其SDA、SCL线连接LPC769的P1.6、P1.7.LPC736通过P1.6、P1.7将控制字、报警时间以及浮动工作表分别写入DS1629的控制单元、报警时间寄存器及片内RAM。当当前时间与报警时间相同时，DS1629发出报警：ALARM脚发出低电平。此电平将一直维持到再次对DS1629的时间寄存器或报警时间寄存器进行读写操作后，ALARM端才恢复常态（DS1629的ALARM端常态电平状态及报警电平状态

47、可由控制字设置）。ALARM脚发出低电平后，复位芯片产生手动复位，升压片MAX619上电，输出+5V电源。系统开始工作。硬件电路见附图部分。2.3 本章小结 在介绍了一些常用的器件后，本章就针对压力计的测量部分，计算部分，时间控制部分，电源控制部分，存储器部分的原理做了详细的阐述。 第3章 系统软件在本章中，将详细的阐述压力计应用系统的软件流程。首先，就I2C总线的应用，给出了基本时序；然后是存储单元软件实现；其次是测量软件实现；再次叙述了对DS1629的一系列操作；最后给出了压力计程序的主流程框图。3.1 测井数据采集部分 测井数据包括井底压力和温度，程序中先测量压力然后测量温度，再按照一定

48、的格式存储起来。气压力稳定采样子程序流程图如下：组成AD7710控制字初始化AD7710组成DS1629控制字初始化DS1629读取AD7710采样值存入55H，56H，57H单元读取DS1629温度值按个格式存入1024存入58H,59H,5AH单元返回开始 图3.1 数据采集流程图 3.2 时钟控制部分 这部分主要详述了对DS1629的一系列操作，其中包括DS1629的初始化、以及对DS1629时间寄存器的读写、浮动工作表的读写操作。A DS1629初始化发地址、写控制字有应答有应答有应答发写控制字命令发控制字 否 否 否是是是发起始信号发停止信号、返回 图3.2 DS1629初始化流程图

49、B、读时间发地址、写控制字发非应答及停止信号发应答、地址加一发控制字重发起始信号发地址、读控制字发读时间控制字发地址、写控制字去时间错误处理程序读入一字节有应答有应答有应答有应答有应答AA读出时间正确返回发起始信号NNNNNYYYYYYN 图3.2.1 读时间流程图 C 写时间读出报警时间利用报警时间极快间隔组成下次报警时间利用报警时间极快间隔组成下次报警时间发启动信号写入一字节发写时间控制字发地址、写控制字地址加一有应答有应答有应答有应答返回NNNYYYYN 图3.2. 写时间流程图3.3 数据存储部分 这部分主要将讲述一下整个应用系统对存储器部件24C1024的读写操作，其中应用注意的是对

50、24C1024的片段、页写功能。A、 读24C1024保护现场回复现场并返回回复现场并返回回复现场并返回回复现场并返回回复现场并返回回复现场并返回回复现场并返回回复现场并返回回复现场并返回回复现场并返回有应答位有应答位有应答位否否是是 是否 图3.3 读24C1024流程图 B、写24C1024保护现场组成地址发送起始信号发送地址写入一个字节发送停止位待写单元地址加1024地址加 1发送停止位、返回置WP脚并返回1024地址加 1发送停止信号写入一字节读写页状态字有应答位为页写数据写完有应答位换页？也写模式1BB否否是是是是否否否是否是 图3.3 写24CP1024流程图3.4 I2C总线部分

51、3.4.1 I2C总线的基本原理 I2C总线的时钟线SCL和数据线SDA都是双向传输线。总线设备用时SDA和SCL都必须保持高电平状态，只有关闭I2C总线时才使SCL钳位在低电平。在I2C总线上每传输一位数据都有一个时钟脉冲相对应，其逻辑“0”和“1”的信号电平取决于该节点的正端电源VDD的电压。A） 总线数据有效性I2C总线数据传输时，在时钟线高电平期间数据线上必须保持稳定的逻辑电平状态，高电平为数据1，低电平为数据为0.只有在时钟线为低电平时，才允许数据线上的电平状态变化。如图3.2所示。SDSCL数据线保持稳定数据有效允许数据变化 图3.4 I2C总线上的数据传输B） 数据传输的起始与停

52、止I2C总线数据传送时有两种时序状态呗分别定义为起始信号和终止信号，如图3.3所示。起始信号：在时钟线保持高电平期间，数据线上出现由低到高的电平变化时启动I2C总线，为I2C总线的起始信号。 SDSCLSP 图3.4.1 I2C总线上的起始信号和终止信号 终止信号：在时钟线保持高电平期间，数据线上出现由高到低的电平变化时停止I2C总线，为I2C总线的停止信号。 起始信号与终止信号都是由主要控制器产生。C）数据传送 I2C总线上传送的每一个字节均为8位，但每启动一次I2C总线，其后的数据传输字节是没有限制的。每传输一个字节后都必须跟随一个应答位，并且首先发送的数据位为最高位，全部数据传送结束后主

53、控制器发送终止信号。如图3.3所示D）应答信号 由上图可知，I2C总线数据传送时，每传送一个字节数据后都必须有应答信号，与应答信号相对应得时钟由主控器产生，然后，发送器必须在这一位上释放数据线，使其处于高电平状态，以便接收器在这一位上发送出应答信号，如图3.4所示。接收器数据线主控器时钟289应答非应答1 图3.4.2 为I2C总线上的应答信号 应答信号在第9个时钟位上出现，接收器输出低电平为应答信号（A），输出高电平为非应答信号（A）。 当主控器接收数据时，接收到最后一个数据字节后，必须给被控发送器送一个非应答信号，是被控发送器释放数据线，以便主控制发送停止信号，从而终止数据传送。8 E）

54、传送格式 I2C总线数据传送时必须遵守规定的数据传送格式，图3.5为一次完整的数据传送格式。SDASCLS891789P起始结束地址17读/写应答数据应答 图3.4.3 I2C总线的一次完整的数据传送 按照总线的规定，起始信号表明一次数据传送的开始，其后为寻址字节，寻址字节由高7位地址和最低1位方向位组成，方向位表明控制器与被控制器数据传送方向，方向位为“0”时表示控制器对被控制器的写操作，为1时表明是读操作。在寻址字节是按指定读、写操作的数据字节与应答位。在数据传送完成后控制器必须发送停止信号。F) 寻址约定 为了消除I2C总线系统总控制器与被控制器的地址选择线，最大限度化总线连接线，I2C

55、总线采用了独特的寻址约定，规定了起始信号的第一个字节为寻址字节，用来寻址被控制器件，并规定数据的传送方式。 寻址字节的位定义如下：在I2C总线标准规约中，寻址字节由被控器的7位地址位和一位方向位组成。 控制器发送起始信号后，立即发送寻址字节，这时，总线上的所有器件都将寻址字节中的7位地址与自己器件地址相比较。如果两者相同，则该器件认为被控制器寻址，并根据读、写位确定是发送字节还是接收字节。I2C总线系统中，非单片机类型的外围器件地址完全有器件类型与引脚电平给定，即器件的7位地址有器件编号地址和引脚地址组成，如本系统用到的24LC256其器件编号地址为1010， 引脚地址为A2、A1、A0。如果

56、在I2C总线系统中24LC256地址脚A2、A1、A0皆接地，则该器件的寻址字节为SLAW=A0H，SLAR=A1H。G） I2C总线数据传送的模拟I2C总线为单片机应用系统设计提供了一种完备的集成电路间的串行总线扩展技术，大大地简化了应用系统的硬件设计，为实现应用系统的模拟化设计创造了极为有利的条件。为了能够使总线自动的处理各种其上出现的状态，其要求是用专门的I2C总线CPU。但是，在绝大多数单片机应用系中依保持为单主结构系统（即只存在单片对I2C总线器件节点的读、写操作），这样I2C总线数据的传送状态由简单的多，没有总线的竞争与同步。因此，控制器可以采用不带I2C接口的单片机，如8031、8098等，利用这些单片机的普通I/O来实现I