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的測量。重點闡述了系統(tǒng)結構及工作原理。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，又兼具“黑匣子”功能，能對數據進行24小時以內的記錄，為事故分析提供可靠的依據，具有較高的工程應用價值。可用與所有測負荷，測長度，測速度的場合。
關鍵詞：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據，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已知的量輪的圓心上，當量輪轉動時編碼器同步轉動并輸出脈沖信號。這樣，一定的長度便對應一定數量的脈沖信號，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動方向的識別和對深度脈沖的輸出。

3 系統(tǒng)結構及工作原理

將應變傳感器產生的毫伏信號輸入到放大器進行放大，然后送入A/D轉換器進行模數轉換，轉換成處二進制序列后送入DSP處理。為保證A/D轉換的可靠性，采用V/F器件LM331實現(xiàn)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。
由光電編碼器產生的兩路正交信號輸入到CPLD，經處理后，產生兩路信號。一路為辨向脈沖，用于識別光電編碼器的轉動方向。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。見圖1。

圖1 系統(tǒng)硬件實現(xiàn)框圖

4 核心硬件電路設計

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位浮點乘法運算。片內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(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)要求對測試數據進行24小時以內的實時記錄（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、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(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）；內置高精度晶振，精度＜ ５ppm, 即一個月內，走時誤差不超過１３秒（25°C）；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?？蓾M足本測量系統(tǒng)中24小時以內數據記錄的要求，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，10萬次擦寫次數，永久數據保存；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；地址及數據鎖存功能；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。測量數據存于其中，當系統(tǒng)掉電時數據不會丟失，給操作人員帶來很大的方便。該器件擦寫次數有限，工作可中先將數據寫入SD2001E片內的ＮＶＲＡＭ，當ＮＶＲＡＭ寫滿后再將數據傳送到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)的數據緩沖區(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，采用模塊化程序設計，調用某一模塊時執(zhí)行其相應的功能，便于修改和維護。設置兩個檢測單元，主循環(huán)中檢測此單元的內容是否發(fā)生變化，若有變化，說明系統(tǒng)有異常，重新進行初始化設置。軟件中，采用冗余技術及看門狗技術，確保程序正確執(zhí)行。外部中斷1完成鍵盤管理任務，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；深度脈沖經整形后輸入到外部中斷0，進行脈沖記數。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，高電平時編碼器為反轉。正轉時執(zhí)行加法程序，反轉時執(zhí)行減法程序。張力信號經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。定時器0產生系統(tǒng)的時鐘信號 ，設定其為最高中斷優(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
由編碼器產生的兩路正交脈沖信號經CPLD處理后產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，見圖8。

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

圖9 定時器T0 中斷服務程序

6 結束語

該測量系統(tǒng)經過多次現(xiàn)場使用，測量準確、工作穩(wěn)定。能可靠地記錄下24小時以內的實時測量數據，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，受到用戶的好評。

參考文獻
[1]蘇濤主編，《DSP使用技術》，西安電子科技大學出版社
[2]曾繁泰主編，《VHDL程序設計》， 清華大學出版社
[3]宋萬杰主編，《CPLD技術及其應用》，西安電子科技大學出版社
[4]楊振江主編，《A/D、D/A轉換器接口技術實用線路》，西安電子科技大學出版社