基于单片机W77IE58的数据采集系统设计

陈光建杨佐新罗学东罗建强吴长润张金海顾秀红

(1.中国石油集团测井有限公司装备与销售分公司 陕西西安)(2.中国石油集团测井有限公司华北事业部 河北任丘) (3.中国石油渤海钻探国际工程公司 天津)

基于单片机W77IE58的数据采集系统设计

陈光建1杨佐新1罗学东1罗建强1吴长润2张金海3顾秀红2

(1.中国石油集团测井有限公司装备与销售分公司 陕西西安)(2.中国石油集团测井有限公司华北事业部 河北任丘) (3.中国石油渤海钻探国际工程公司 天津)

采用单片机W77IE58和2个模数转换芯片MAX197组成的多通道数据采集系统,通过CTGC5301遥传短节、电缆通讯,实现了DTB三总线与EILog地面测井系统之间的数据交换。一次下井,快速、准确、取全集成化常规测井9条曲线。用DTB总线联结井下仪器与遥传短节之间的通讯,使得能挂接在DTB总线上的下井仪器,均可与电缆遥测短节组合,大大提高了整个系统的通用性,使EILog测井系统具有较好的开发扩展功能。

EILog测井系统;DTB;W77IE58

0 引 言

EILog(Express and Image Logging System)测井系统是中国石油测井有限公司研制的具有完全知识产权,填补了国内成像测井空白,达到国际先进水平的快速成像测井装备。

采用单片机W77IE58和2个MAX197组成的多通道数据采集,能够同时采集连斜模拟量(6路传感器)、电极系(3路)、微电极(2路)以及X-Y井径(2路)等信号,极大的提高了测井效率。DTB总线的引入则解决了数据高速传输以及仪器通用性的瓶颈。模数转换芯片MAX197是Maxim公司推出的具有12位测量精度的高速A/D转换芯片,只需单一电源供电,且转换时间很短(6 ms),具有8路输入通道,还提供了标准的并行接口——8位三态数据I/O口,可以和大部分单片机接口直接通讯,使用十分方便。增强型51系列单片机W77IE58可与标准的8052兼容,它内含4个8位I/O口、3个16位计数器和全双工串行通信接口。由于W77IE58对处理器内核进行了重新设计,因而其性能较之于标准的8052有了很大提高。

1 DTB总线接口电路设计

单片机循环采集的传感器量值经过软件滤波,将结果存放到缓冲区中,如图1所示。上位机每80 ms通过DTB总线发送一个读取数据的信号(GO信号),经过电路转换为单片机中断信号,单片机调用中断子程序将数据通过DTB总线发送至遥传短节。

图1 总体原理

DTB是同轴电缆,它的作用是在遥传短节与总线相连的仪器之间传送数据。这3根线是DSIGNAL线、UCLK线和UDATA/GO线。其中DSIGNAL线用来向井下发送命令,UDATA/GO为双向信号,井下仪器通过此线将向上数据送往遥传短节,而遥传短节向下送GO脉冲(或称准备脉冲)到井下仪器。GO脉冲使井下所有的仪器复位并通知井下仪为传送新的数据做好准备。每组UDATA/GO信号包括一个向下宽度20 μs、幅度+3.6 V的GO信号和一串向上的UDATA信号,UDATA信号由+1.2 V代表逻辑1,0 V代表逻辑0,并与100 kbit/s的UCLK时钟信号同步,UDATA信号在GO脉冲后至少320μs;UDATA信号包含了该仪器所有的上传信息。UCLK时钟为遥传短节发出的向下的同步时钟[1]。

DTB总线与单片机W77IE58通讯需要有专门的接口电路如图2所示。DTB控制电路主要功能是地址识别、上位机控制命令解析(产生控制信号)、接受数据读取信号和上传数据处理逻辑电路主要实现串行(UDATA)与并行数据转换、单片机信号/地址处理、同步时钟产生等功能。

图2 DTB接口电路

2 数据采集与处理

模数转换芯片MAX197的12位数据采集仅要求单一+5 V电源工作,但在其模拟输入端可以接受幅度高于电源电压和低于地的信号。一片可提供8个模拟量输入通道,可以独立由软件编程得到多种输入范围:±5 V,±10 V,0～+10 V,0～+5 V。此器件的过压容限是±16.5 V,任何通道故障将不影响选定通道的变化结果。此外,器件具有100 k的采样速率,软件可选定内部或者外部时钟与采集控制,有8+4并行接口,以及内置4.096 V或者外部基准电压等特点。

MAX197使用标准的微处理器接口,如图3所示,3数据I/O口配置与8位数据纵向一起工作,数据存取和总线释放的定时性能指标与大多数通信微处理器兼容[2]。

图3 接口工作流程图

2.1 接口电路设计

图4 接口电路图

接口电路如图4所示,由U1(W77IE58)、U2、U3(2个MAX197)以及电阻电容,R2、R5为100 K可调电阻,功能是调整MAX197的参考电压。MAX197所有的输入输出逻辑均与TTL/CMOS电平兼容,所以与微处理器之间的电路连接比较简单。,数据接口(D0-D7)直接连接到W77IE58的P0口,为提高可靠性,可在P0口上加47 k上拉电阻。读写控制口WR及RD直接接在单片机W77IE58的读写控制引脚。片选控制接口(CS)、数据总线控制口(HBEN)以及转换状态数据接口(INT)分别接入U1-28、U2-5、U2-24口。为提高变换精度和温度性能,本设计采用外部电压基准。模拟信号经过低通滤波电路后,输入到转换通道。

2.2 控制软件设计

MAX197的通道选择、时钟/掉电方式选择、采集控制、以及电压基准的选择都是由软件编程控制,程序的错误会直接导致系统不能工作。

2.2.1 MAX197的地址

CS脚是标准的片选信号,它使得微处理器能够把MAX197作为一个I/O口来寻址。在本设计中用P2.7口来控制。

ADRR=0X7FFF;

XBYTE[ADRR]=0x48+i;

其中ADRR为MAX197的地址,本设计中只要最高位为0即可,其他根据系统中I/O地址的使用情况具体设置。

sbit P27=P2.7;

P27=0;

上面两种方式都可以选择MAX197。不同的是第一种方法会产生一个信号,从而启动AD转换。

2.2.2 MAX197的控制字以及输出数据格式

在写周期中,引脚D7-D0上的控制字会锁存入器件中。上面提到的第一种选通MAX197的方法中就是向MAX197中写入一个控制字(其值为0x48+i)。控制字具体功能如表1所示。

表1 控制字功能表

本设计中,采用内部时钟,并且让系统处于循环采集状态,故不需要用掉电的方式节能。因此D7D6设置为01。选择内部控制采集,满度为10 V双极性(即±5 V)。故控制字为0x48+i,其中i为通道选择。

在单极性方式下,输出数据为二进制数。在双极性方式下其格式为补码形式的二进制数。读数据时CS和RD必须同时为低电平。当HBEN=0时,数据总线上输出为低8位数据;当HBEN=1时,数据总线上的低4位输出转换结果的高4位数据,数据总线的高4位输出转换结果的符号(当为单极性方式时总线数据为0)。

2.2.3 MAX197采集过程的编程

配置好控制字后,就可以开始数据转换。其流程如图5。

根据需要,控制字设置为0x48。因为是内部控制采集,所以只要一个写信号即可以开始一个转换过程[3]。在程序的开始作如下配置(初始化):

sbit STA=P1.5;//状态指示位

sbit CS=P2.7;//片选

图5 MAX197采集流程图

sbit DS=P1.6;//数据总线控制位

AD采集过程如下:

unsigned char i;//

union{int a;uchar b[2];}indata;//联合,把两个单字节数合成一个整形

int res[8];//存放采集结果

for(i=0;i＜7;i++)

{

STA=1;//先清一下标志位

CS=0;//可以不要,下面的语句也可以选通MAX197

XBYTE[0x7ff]=0x48+i;//选择通道i,写入控制字,启动转换

while(STA);//等待转换结束,STA=0则跳出

DS=0;

indata.b[1]=XBYTE[0x7ff];//读取低8位数据

DS=1;

indata.b[1]=XBYTE[0x7ff];//读取高4位数据

res[i]=indata.a;

}

3 结束语

该设计已应用于仪器中,并已经生产制造仪器236支,不仅在中国石油集团测井有限公司大规模推广,而且开始向大庆、辽河、吉林油田和中海油等市场推广,已测井1.2万多口,时效提高30%。采用单片机W77IE58和MAX197搭建数据采集与处理系统,数据采集精度高,电路简单可靠,稳定性高,可在井下连续长时间工作。该仪器设计讲究功能组合化、线路集成化、结构模块化,增加了井下仪器组合功能,提高了仪器可靠性,提高了测井时效和测量精度,技术水平处于国内领先地位,提升了中国石油测井服务的水平和竞争力。

[1] EILog TM成套测井装备培训手册.中国石油集团测井有限公司.2006(资料)

[2] 石东海.单片机数据通信技术[M].西安:西安电子科技大学出版社,2003(资料)

[3] 王幸之.AT89系列单片机原理与接口技术[M].北京:航空航天大学出版社,2005(资料)

TP368.1

B

1004-9134(2010)06-0066-03

陈光建,男,1977年生,工程师,2001年毕业于西南石油学院,现在中国石油集团测井有限公司从事测井仪器研发工作。邮编:710077

2010-07-22编辑:刘雅铭)