應(yīng)用ADuC848新型微控制器和Keil仿真下載軟件，設(shè)計(jì)開發(fā)了鉆井壓力敷據(jù)采集系統(tǒng)。 本系統(tǒng)具有16位高精度A／D轉(zhuǎn)換器，數(shù)據(jù)實(shí)時采集上傳存儲，最高作業(yè)溫度為125℃，具有功耗低和集成度高等特點(diǎn)。使用ISP在線編程時，要針對現(xiàn)場需要及時調(diào)整系統(tǒng)軟件，靈活應(yīng)用。 引 言 目前國內(nèi)的隨鉆測量鉆井壓力工具大部分是引進(jìn)國外設(shè)備，成本高、維修困難。已經(jīng)使用的國內(nèi)設(shè)備在體積、集成度和精度上有著明顯的不足，并且老化程度高。基于此種情況，筆者開發(fā)了一個基于ADuC848微控制器的、可擴(kuò)展采集通道的鉆井壓力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。ADuC848是美國ADI公司最新推出的一款具有軍品標(biāo)準(zhǔn)，單片最多可帶8路模擬信號輸入轉(zhuǎn)換通道，擴(kuò)展主機(jī)／從機(jī)模式最多可達(dá)16路模擬輸入通道的微控制器。 它具有單16位高精度A／D轉(zhuǎn)換器、16位無差錯編碼，大容量64 KBFlash ROM、4 KB片上Flash和2 304字節(jié)片上RAM，高性能單循環(huán)內(nèi)核，外部晶振32 kHz可編程倍頻至12.58MHz，ISP在線高速下載編程，另外還有24個I／O口、11個中斷源（2個優(yōu)先級）、雙數(shù)據(jù)指針、內(nèi)部節(jié)電模式、12位D／A轉(zhuǎn)換器，以及UART、SPI和I2C串行通信模式、看門狗定時器WDT和電源監(jiān)視器PSW等。ADuC848芯片的52引腳MQFP封裝僅為14 mm×14 mm，最高工作溫度為125℃，正常工作最大電流為4．8 mA且節(jié)電模式最大電流為20μA。所以ADuC848特別適用于開發(fā)在高溫惡劣環(huán)境下長時問作業(yè)的小型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。 1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)主要分為5個模塊，且所有主要元器件均選用ADI公司的模擬和數(shù)字軍用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，大大提高了系統(tǒng)的可靠性、耐高溫性和抗震性。系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)總體框圖如圖l所示。 1．1 模擬信號輸入調(diào)理模塊 此模塊主要實(shí)現(xiàn)對壓力傳感器輸入信號的放大、濾波功能。前端信號放大部分應(yīng)用高精度、零漂移的AD8230軌至軌儀表運(yùn)算放大器，經(jīng)過電阻測算標(biāo)定為放大增益200倍。放大后的信號經(jīng)由一個OP07D運(yùn)算放大器濾波輸入至ADuC8d8模擬通道進(jìn)行采集。鉆壓輸入信號一般為O～15mV，經(jīng)過放大濾波后輸出至A／D采集的信號為0～3 V。AD8230的工作溫度范圍為一40℃～125℃，最大漂移電壓儀為lOμV，最大溫漂也僅為50 nV／℃。本系統(tǒng)由于試驗(yàn)需要僅對一路模擬信號進(jìn)行放大，并留有擴(kuò)展輸入通道接口，可根據(jù)需要將單片增加至8路。 本模塊電路原理圖如圖2所示。 1．2 系統(tǒng)供電模塊 由于井下工作電源一般是由9～12 V的鋰電池提供，而系統(tǒng)所有元件的工作電壓均在5V左右，所以需要對9V的電源進(jìn)行整流至系統(tǒng)5V輸入供電。供電部分所采用的ADP303電壓變換器，是一款高精度、200mA低漂移的線性整流器，特別適合于小功率系統(tǒng)的電源整流供電。其工作電壓范圍為3．2～12 V，可以解決由于外部電壓不足而導(dǎo)致系統(tǒng)無法正常工作的問題。由于系統(tǒng)器件分為模擬器件和數(shù)字器件兩部分，因此相應(yīng)地分為模擬和數(shù)字供電。整流輸出的5V供電經(jīng)l00mH的電感和1．8Ω的電阻分別為模擬電源和數(shù)字電源供電，這樣可以大大降低供電對數(shù)字器件的干擾。而模擬地和數(shù)字地也需要經(jīng)過0Ω的電阻進(jìn)行濾波才可以連接到一起，以便減小干擾，尤其是對精度高的數(shù)字器件應(yīng)用時更應(yīng)該注意這點(diǎn)。 原理圖如圖3所示。 1.3 SPI數(shù)據(jù)實(shí)時存儲模塊 按照系統(tǒng)的要求需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時的存儲，采用ADuC848微控制器自帶的SPI接口對外部Flash芯片進(jìn)行讀寫，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)回放功能。考慮到鉆井作業(yè)的特殊性，單次施工連續(xù)工作在100h以內(nèi)，按每秒采集5組16位數(shù)據(jù)計(jì)算，單片F(xiàn)lash的容量至少應(yīng)在6．86 MB以上，因此本系統(tǒng)采用了AT45DB542D（簡稱AT45D）的64 Mb串行SPI存儲器。浚Flash芯片存儲容量大，高速讀寫可至66 MHz，10 mA低功率串行工作，可擦寫10萬次，保存數(shù)據(jù)可達(dá)10年。可以根據(jù)現(xiàn)場的實(shí)際情況多片組合最大至256 Mb以完全滿足大量數(shù)據(jù)存儲的需要。本系統(tǒng)采用單片存儲器完成試驗(yàn)。原理圖如圖4所示。 1．4 上位機(jī)通信 采集數(shù)據(jù)的上傳接口采用的是RS-232串行通信模式，收發(fā)數(shù)據(jù)波特率設(shè)置為9 600 bps。微控制器的輸入／輸出電平為TTL電平，即UART串口，與PC機(jī)RS-232標(biāo)準(zhǔn)串行接口的電氣規(guī)范不一致，因此控制芯片與PC機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信必須進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。采用MAX232接口轉(zhuǎn)換芯片可以很好地實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)通信的功能。具體實(shí)現(xiàn)如圖5所示。 1.5 ADuC848接口、復(fù)位、PSEN與雙機(jī)擴(kuò)展 各個模塊與MCU的接口連接均由ADuC848的I／O和通信口的外圍電路設(shè)計(jì)完成。供電部分的接口均需接入0．1μF的電容濾波，中斷部分由一個開關(guān)和10 kΩ下拉電阻組成，保證在系統(tǒng)中斷電平允許范圍內(nèi)及時響應(yīng)中斷；MCU自帶的TXD、RXD口分別與RS-232模塊的Tlin、Rlout相連接直接形成串行通信，系統(tǒng)留有8個A／D模擬輸入接口（AINl～AIN8）供系統(tǒng)擴(kuò)展。系統(tǒng)的復(fù)位電路由按鍵和RC電路完成，系統(tǒng)運(yùn)行時確保REST口維持在低電平，需要復(fù)位時接通RC電路完成指定16個系統(tǒng)時鐘周期的高電平復(fù)位。程序下載模式由PSEN口外接lkΩ,下拉電阻完成，當(dāng)系統(tǒng)處于連續(xù)工作狀態(tài)時PSEN為開路非下載模式；當(dāng)需要更新系統(tǒng)程序時，只需將PSEN短接至lkΩ電阻后接通復(fù)位電路。系統(tǒng)便可以自動進(jìn)入下載模式等待上位機(jī)下載程序。系統(tǒng)的雙機(jī)擴(kuò)展和外圍存儲器接口均由ADuC848的MISO、MOSI、SCLOCK、SS四線制的SPI接口完成。由它們設(shè)置主機(jī)、從機(jī)，并選擇數(shù)據(jù)發(fā)送／接收傳輸時鐘，可以完成對存儲器的讀寫和MCU的功能擴(kuò)展。 具體框圖如圖6所示。 2 軟件編制與ISP下載 本系統(tǒng)的軟件編制和仿真下載均在Keil公司最新推出的Keil uVision3環(huán)境下實(shí)現(xiàn)。Keil單片機(jī)應(yīng)用開發(fā)軟件支持多種不同公司的MCS51構(gòu)架的芯片，集編輯、編譯、下載和仿真等于一體；同時還支持PLM、匯編和C語言的程序設(shè)計(jì)，在調(diào)試程序和軟件仿真方面也有很強(qiáng)大的功能。Keil uVision3支持ADuC8XX系列芯片的開發(fā)和在線下載，簡單易用，能夠滿足系統(tǒng)軟件開發(fā)環(huán)境的需求。 系統(tǒng)軟件流程圖如圖7所示，包括兩大主要功能：第一，實(shí)現(xiàn)無回放數(shù)據(jù)中斷請求下的數(shù)據(jù)連續(xù)采集、存儲及上傳；第二，實(shí)現(xiàn)中斷請求下的數(shù)據(jù)回放上傳。 數(shù)據(jù)采集部分的示例代碼具體如下： 數(shù)據(jù)存儲器讀取示例代碼如下： ADuC848的P2．O連接存儲器的時鐘SCLK，P2．1連接SI，P2．2連接SO．P2．3連接CS片選。 數(shù)據(jù)存儲器讀取示例代碼如下： ADuC848的P2．O連接存儲器的時鐘SCLK，P2．1連接SI，P2．2連接SO．P2．3連接CS片選。 編輯：何世平