引言

從上個(gè)世紀(jì)九十年代起，電子技術(shù)在鉆井井下得到應(yīng)用。但井下鉆具的振動(dòng)會(huì)給很多傳感器帶來不利影響，特別是對(duì)測(cè)量井下鉆頭姿態(tài)的慣性導(dǎo)航傳感器影響巨大，在隨鉆振動(dòng)環(huán)境中，如果對(duì)信號(hào)不作處理，根本就不能測(cè)量出正確的井斜角和方位角，也就無法實(shí)現(xiàn)井眼軌跡隨鉆控制的要求。本文介紹應(yīng)用SoC芯片中的DMA技術(shù)對(duì)振動(dòng)的高速采集和存儲(chǔ)功能的實(shí)現(xiàn)方法，并給出了鉆井環(huán)境中測(cè)試的結(jié)果。

方法的提出

傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集方法采用CPU直接控制的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)傳送需要經(jīng)過CPU的中轉(zhuǎn)才能存入存儲(chǔ)器，傳送速度慢且采集速率受到CPU的限制，極大影響了系統(tǒng)的采樣頻率，不能滿足對(duì)振動(dòng)信號(hào)高速采集的要求。而在DMA傳送方式下，數(shù)據(jù)傳送不經(jīng)過CPU，由DMA控制器來實(shí)現(xiàn)內(nèi)存和外設(shè)之間數(shù)據(jù)的直接快速傳送。在XTCS的測(cè)控系統(tǒng)中，CPU采用的SoC芯片中集成有DMA，將其與其它器件協(xié)同工作就可以實(shí)現(xiàn)采集與存儲(chǔ)的同時(shí)進(jìn)行，達(dá)到高速采集信號(hào)的目的，得到高保真的井下振動(dòng)信號(hào)。

系統(tǒng)介紹

該采集系統(tǒng)以C8051F060 SoC為核心，C8051F060內(nèi)部集成有ADC和DMA。另外，以大容量存儲(chǔ)芯片K9F2808作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 信號(hào)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

該系統(tǒng)應(yīng)用于井下相關(guān)信號(hào)的檢測(cè)裝置。由于通過壓力與振動(dòng)傳感器所采集的壓力和振動(dòng)信號(hào)比較微弱，故還需放大電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)理放大。傳感器的輸出均為模擬信號(hào)，采集數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)受到噪聲的干擾，為了消除噪聲并提高電路的共模抑制比和輸入阻抗，該采集放大電路使用了前置輸入緩沖器三運(yùn)放結(jié)構(gòu)。由于SoC內(nèi)的ADC0只能采集正信號(hào)，因而在經(jīng)過調(diào)理放大電路后設(shè)有偏置電路，將-5V ~ +5V的電壓轉(zhuǎn)換為0V~+2.5V，以利于信號(hào)的采集。

CPU控制多路選擇開關(guān)進(jìn)行信號(hào)的采集，然后通過ADC轉(zhuǎn)換，在DMA的傳送方式下，采集的數(shù)據(jù)直接寫入存儲(chǔ)器K9F2808中，在DMA存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的同時(shí)，ADC也一直進(jìn)行采集。經(jīng)軟件測(cè)試，即采用SoC內(nèi)集成的定時(shí)器2記錄采集一頁512個(gè)字節(jié)所需時(shí)間是1.277ms，而向片外存儲(chǔ)器K9F2808寫一頁數(shù)據(jù)需要0.722ms。ADC采集一頁的時(shí)間小于DMA向片外寫一頁數(shù)據(jù)的時(shí)間，因而可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)的同時(shí)進(jìn)行，而不會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)覆蓋丟失現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)采集。

硬件部分

C8051F060單片機(jī)與51系列單片機(jī)內(nèi)核兼容，其內(nèi)部集成有兩個(gè)16位SAR(逐次比較)ADC和一個(gè)DMA功能模塊。片內(nèi)有4352個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、64KB 閃存和64KB的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器接口，可以進(jìn)行系統(tǒng)編程。兩個(gè)SAR ADC的精度為16位，可作為兩個(gè)單端或一個(gè)差分轉(zhuǎn)換器。若采用DMA直接將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到RAM中，就不再需要額外的軟件開銷。

K9F2808UOC存儲(chǔ)器是NAND結(jié)構(gòu)的超大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器件，在MP3、U盤、數(shù)碼相機(jī)和PDA中有廣泛的應(yīng)用。其電源電壓為1.7V~3.6V，體積小，功耗低，按頁進(jìn)行讀寫，按塊擦除，通過I/O口分時(shí)復(fù)用作為命令/地址/數(shù)據(jù)，端口支持實(shí)時(shí)雙向輸入輸出。將閃存的各控制端口與SoC的P3口連接，通用I/O口與SoC的P7口連接，通過控制SoC口線的輸出，可實(shí)現(xiàn)對(duì)FLASH存儲(chǔ)器的讀、寫、擦除操作。圖2為芯片的接口電路圖。

圖2 芯片接口電路圖

A/D轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

C8051F060的ADC子系統(tǒng)中集成了跟蹤保持電路、可編程窗口檢測(cè)器和DMA接口。這兩個(gè)ADC可以被配置為兩個(gè)獨(dú)立的單端方式ADC或組成一個(gè)差分對(duì)。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方式、窗口檢測(cè)器和DMA接口都可用軟件特殊功能寄存器來控制。ADC控制寄存器ADCnCN中的ADnEN位被置為邏輯1時(shí)ADCn被使能。該系統(tǒng)選用的ADC0有4種轉(zhuǎn)換啟動(dòng)方式，由ADC0CN中的ADC0啟動(dòng)轉(zhuǎn)換方式位(AD0CM1，AD0CM0)的狀態(tài)決定。該測(cè)控系統(tǒng)軟件采用定時(shí)器3溢出進(jìn)行定時(shí)的連續(xù)轉(zhuǎn)換采集。將ADC初始化后，定時(shí)器3溢出一次ADC就自動(dòng)采集一次。當(dāng)采集完一頁的數(shù)據(jù)后，在DMA傳送方式下，采集的數(shù)據(jù)直接存儲(chǔ)到片外的閃存存儲(chǔ)器K9F2808中，并對(duì)該芯片進(jìn)行讀、寫及擦除。

軟件設(shè)計(jì)

在該測(cè)控系統(tǒng)中，采用VB語言編寫上位機(jī)程序，采用C51語言編寫下位機(jī)程序。通過上位機(jī)來控制下位機(jī)執(zhí)行相應(yīng)的任務(wù)。由于該系統(tǒng)的SoC集成有UART，可以通過PC機(jī)的RS232串口實(shí)現(xiàn)通信，下位機(jī)每次接收到任務(wù)命令后，下位機(jī)程序跳入到相應(yīng)的串行中斷程序中執(zhí)行任務(wù)。下位機(jī)主程序包括連續(xù)啟動(dòng)DMA程序、調(diào)用片外存儲(chǔ)器K9F2808UOC的寫程序，將用DMA方式采集的512字節(jié)送到K9F2808中，實(shí)現(xiàn)采集與存儲(chǔ)同步進(jìn)行。主程序流程圖如圖3所示。子程序主要包括：晶振初始化、端口初始化、串口初始化、ADC初始化、DMA初始化、定時(shí)器3初始化、片外存儲(chǔ)器K9F2808UOC的擦除程序、延遲程序等。

圖3 下位機(jī)主程序流程圖

這里，晶振初始化主要完成對(duì)外部振蕩器使用的配置;端口初始化完成對(duì)端口p0~p7的初始化配置;串口初始化完成對(duì)定時(shí)計(jì)數(shù)器T0和T1的配置及對(duì)波特率的設(shè)定;ADC0初始化對(duì)ADC0進(jìn)行配置;DMA0初始化主要完成對(duì)DMA0的配置，設(shè)置外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器開始值，ADC0開啟模式等;定時(shí)器3初始化主要完成對(duì)重裝載值的設(shè)定，激發(fā)ADC0進(jìn)行采集;片外存儲(chǔ)器K9F2808的擦除程序完成對(duì)K9F2808內(nèi)數(shù)據(jù)的擦除。

性能測(cè)試與室內(nèi)實(shí)驗(yàn)

硬軟件調(diào)試結(jié)束后，我們把測(cè)試電路和傳感器送到石油儀器儀表質(zhì)量檢驗(yàn)中心的標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)臺(tái)上，在(10g,1000Hz)、(25g,100Hz)、 (25g,200Hz)、(25g,1000Hz)條件下對(duì)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，證明對(duì)振動(dòng)幅度的測(cè)量精度為1%，振動(dòng)頻率的測(cè)量精度為5‰，這樣的精度可以滿足導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)對(duì)振動(dòng)測(cè)量的要求。

參考文獻(xiàn)：

1. 周靜，付鑫生.利用敏感井底鉆具振動(dòng)傳遞地面信息的方法[J] . 石油學(xué)報(bào)，2005.2

2. 童長飛. C8051F系列單片機(jī)開發(fā)與C語言編程[M]. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005

3. C8051F060X Data sheet

4. K9F2808(16)Q(U)OC datasheet