基于DSP变频泥浆泵流量控制系统设计(学士毕业论文).doc

本科毕业设计（论文）开题报告题 目： 基于DSP的变频泥浆泵流量控制系统设计 学生姓名： 张海强 院 （系）： 电子工程学院 专业班级： 自动化0804 指导教师： 霍爱清 完成时间： 20 12 年 3 月 23 日 1.课题的意义 随着计算机、通信、电子技术的发展，dsPIC对钻井泥浆脉冲控制系统成为可能。钻井泥浆用途居多能够冷却和润滑钻头、平衡井壁岩石侧压力、有效传递水力功率等等，然而，由于油井深度和井底压力的限制，钻井液往往不能按时按量供给，给钻井带来诸多问题。为了使钻井泥浆能过及时有效地供应，提高钻井精度和效率，必须研制出安全、实时、稳定的钻井液脉冲控制系统，dsPIC对钻井泥浆脉冲控制系统采用Microchip dsPIC30F为主控芯片。该芯片是一款将单片机与DSP技术相结合的高性能16位数字信号控制器，综合了单片机（MCU）的控制功能和集成了多种外设的优点，以及数字信号处理器（DSP）的计算能力和数据处理吞吐能力2。此外，它在异常事件处理,软件开发环境等方面也表现出强大的性能。由于dsPIC30F芯片的内部资源丰富，基于dsPIC30F平台开发的脉冲钻井泥浆控制系统需要的外设很少，不但系统的抗干扰性和可靠性能够满足脉冲钻井泥浆控制系统在各种环境下运行的要求，而且可以提高系统的灵活性，缩短开发时间，降低开发成本。2.国内外研究现状 地面的控制信号发送到井下（downlink），这就需要建立下行信息通道。理论研究表明，尽管信号从地面发送到井下与随钻测量（MWD）技术在原理上有一定的相似性，但无论从方案、信号发生器的设计还是从信号传输特性、信号的检测技术等都存在着与MWD不同之处。事实表明实现地面与井下的实时双向通信并非易事。 在80年代，地面传递信号比较典型的就是以泥浆为介质将命令传送至井下，即在地面完成压力脉冲的调制，压力脉冲在井下由压力或流量传感器敏感然后解码。由于传送过程中压力容易受到外界条件变化的干扰，比如地层压力的变化的影响。1999年Gruenhagen的发明就是利用泥浆为介质将命令传送到井下，在地面完成压力脉冲调制，压力脉冲在井下由压力或流量传感器敏感，由微处理器解码并将命令传送给控制器。钻进中发送下行命令的方法是，使用一个主泵从泥浆池中泵出恒定流速的泥浆，大部分的泥浆进入井下以维持泥浆循环，旁通支路装备开关阀由电子控制器控制，打开和关闭开关阀时，就会产生流量脉冲，这种脉冲的幅度及时间可以被控制，这些脉冲的速度可以由井下合适的设备检测，例如流量计、压力检测计及涡轮，以二进制调制脉冲传递数据。2005年以Halliburton为代表的Finke等人发明的下行通道遥传系统，为远距离命令传输提供了改良的设备和方法。通过来自地面设备的压力脉冲，传送指令到井下BHA11。该设备由产生压力脉冲信号的地面发射器、控制系统，及用于接收脉冲信号并对其进行解码的井下接收器组成。在工作时旁通阀的打开和关闭，将产生一系列可用井下接收器接收并解码的压力脉冲信号。值得注意的是，在不中断钻井，不中断同时进行的上行通道传输的情况下，这种方法缩短了下行通道传输信号所耗费的时间。如果上行通道信号和下行通道信号以不同的频率发送，那么双向传输是可以实现的。遥测方案和软件程序为下行通道信号的滤波和解码提供了创新的方法，软件程序决定了脉冲峰值之间的时间间隔，并通过解码将这些间隔变为指令，软件程序也包括了检验井下指令完全被接收的误差校验。本发明的特别之处在于它涉及到了在不中断钻进的情况下，通过地面设备产生的压力脉冲来传送指令给井下钻具组合，然后使用井下接收器检测压力脉冲信号，并通过软件程序对压力脉冲信号进行解码，变成井下总成的命令，而且它还可以在相对较快的传输速率下，实现地面设备与井下总成的双向通信，所以该方法显得特别实用。欧洲专利GB2412128中的下行通道是这样实现的：通过改变地面泥浆泵的转速调整泥浆的流速，下行信号可以通过泥浆流量变化的频率、幅度或速度进行编码。井下装置检测位于泥浆动力发动机之下的BHA转速变化以达到解码的目的，用不同的转速代替不同的命令。专利US2006225920中下行通道系统则是利用泥浆流速的改变，传送地面命令信号进入井下控制钻具组合。首先，来自地面的信号通过变更进入井筒泥浆的流量实现传输，可以利用确定的或动态的时间周期表发送下行的信号；其次，可以基于流量超过某一阈值的次数发送命令；再有下行命令可以通过一种恒定流速的周期来定义，而每一种确定信号对应的命令都存放在井下的存储器中，地面的泥浆流速被一个控制泥浆泵的控制器或泥浆流速控制装置自动控制，井下泥浆流速的变化可以被系统匹配的检测器监测。另外，Herrmann用于与井下工具、仪器间的通讯，井下装置对传送的编码信息做出的反应是依靠通讯过程中气压的变化进行的。国内有关地面控制下行信号传输的论文主要是西安石油勘探仪器总厂张维等提出地质导向系统的信息传输通道正脉冲发生器系统，为深入研究地质导向打下了良好的基础；中国石油勘探研究院钻井所李林等人曾使用无线短传方法，对地质导向中井下数据短距离传输性能进行了研究；西安石油大学井下测控研究所在国家“九五”项目中提出利用钻杆静止与振动时振动频率的不同进行信号传输，研制样机现场实验利用泥浆脉宽调制方法实现下行通道。胜利石油管理局杨全进在2004年提出通过控制钻具钻速的方式实现从地面到井下控制信号的传输。3.毕业设计（论文）的主要内容基于DSP变频泥浆泵流量控制系统的设计，是旋转导向钻井的地面控制部分。对下行通讯地面控制部分的基本原理和数字化的变频泵基本知识要了解。检索国内外相关dsPIC的文献，完成对DSP模块的设计和制作，开发C应用程序并应用于DSP模块。1）简单了解下行通信地面控制系统的基本原理。2）学习并掌握DSP和变频泵的基本知识及使用方法。3）完成相关资料检索和开题报告。4）进行DSP控制器硬件电路设计，是系统具有复位、输出报警、按钮等功能模块。5）用仿真器进行程序的编写和调试。6）将目标代码写入控制器运行并调试。7）完成论文的写作和15000字符的英文翻译。4.主要方法和手段1）利用MPLAB IDEv8.0进行相应的软件编程；2）选择dsPIC30F4011芯片为负脉冲执行机构的控制单元，设计硬件电路并焊制试验板；3）利用IDE 2进行程序的调试和编写，烧写目标代码；4）观察蜂鸣器的振动频率来验证实验结果是否符合设计目标。5.阶段进度计划 进度安排： 2012年2月27日2012年3月5日（第1周）收到毕业设计外文翻译后，着手进行外文文献翻译工作。 2012年3月6日2012年3月13日（第2周）查阅专业词汇，进行外文文献翻译。 2012年3月14日2012年3月21日（第3周），继续翻译外文资料。 2012年3月19日2012年4月3日（第4周） 查阅专业文献，对文献进行综述，完成开题报告。 2012年4月3日2012年4月10日（第5周）在MPLAB IDE v8.0编程软件上完成对C应用程序编译。 2012年4月11日2012年4月17日（第6周）在MPLAB IDE v8.0编程软件上完成对C应用程序调试。 2012年4月18日2012年4月25日（第8周）在集成电路板材上连接有关器件。 2012年4月26日2012年5月3日（第9周）完成集成电路板材焊接工作。 2012年5月4日2012年5月11日（第10周）完成调试，确定C应用程序在板子上运行正常。2012年5月12日2012年5月19日（第11周）确定设计方案，着手进行设计工作。2012年5月20日2012年5月27日（第12周）继续进行设计工作，确定论文提纲，撰写论文初稿。 2012年5月28日2012年6月4日（第13周）论文定稿，打印成册。 2012年6月5日2012年6月12日（第14周）结题验收，评阅，答辩，评定成绩。 2012年6月13日2012年6月20日（第15周）完成资料归档工作。参考文献 1 黄智伟.全国大学生电子设计竞赛M. 北京：航空航天大学出版社，2007,2 2 刘和平.dsPIC通用数字信号控制器原理及应用-基于dsPIC30F系列M.北京：北京航空航天大学出版社，2007 3 周福星，谢运祥.基于dsPIC的数字控制PFC研究J.通信电源技术,2009,1(3):18-45 4李鑫,陈梅,储昭碧. 基于dsPIC30F的电力设备诊断平台的研究J. 微计算机信息,2005,12(2):79-81 5颜坤,马瑞平,张明廉. 多串口船舶导航数据转换器的低成本实现J. 微计算机信息,2006,8(2):106-1086郑群英，游陶，刘述春，刘和平.基于dsPIC30F的电机试验检测仪J.电气应用,2007,(10):26-33. 7Microchip. DS70116E: dsPIC30F5011, dsPIC30F 5013 Data SheetDB/OL. 2004. /http: 8Microchip. DS70030f: dsPIC30F Programmers Reference ManualDB/OL. 2005. /http: 9 中国知网 指导教师意见：指导教师签名：年 月 日系（教研室）意见：主任签字：年 月 日 毕业设计（论文）任务书题 目基于DSP的变频泥浆泵流量控制系统设计学生姓名张海强学号200805080708专业班级自动化0804设计（论文）内容及基本要求在旋转导向钻井过程中，地面需要不断给井下工具发送控制指令，以控制轨迹按预定的设计轨迹逼近靶点（区）。地面信号下传系统采用负泥浆脉冲的传输方式，导向控制命令是由地面监控装置通过系统的下行通讯通道向井下导向工具发送。基于DSP的变频泥浆泵流量控制系统为下行信号传送的执行机构。由DSP控制变频泥浆泵的变频调速，控制负脉冲的发生，以钻井液作为传输介质，通过改变钻井液排量的升降，形成一组钻井液脉冲下行指令。1. 简单了解下行通信地面控制系统的基本原理。2. 学习并掌握DSP和变频泵的基本知识及使用方法。3. 完成相关资料检索和开题报告。4. 进行DSP控制器硬件电路设计，使系统具有显示、输出报警、按钮等功能模块。5. 用仿真器进行程序的编写和调试。6. 将目标代码写入控制器，运行并调试。7. 完成论文的写作和15000字符以上的英文资料翻译。设计（论文）起止时间 年 月 日 至 年 月 日设计（论文）地点指导教师签名年 月 日系（教研室）主任签名年 月 日学生签名年 月 日 西安石油大学本科毕业设计（论文） 基于DSP的变频泥浆泵流量控制系统设计摘 要：旋转导向钻井技术能够避免常规钻井技术中频繁起钻下钻问题，随钻系统实时完成导向功能，下行通讯地面控制部分利用计算机采集随钻实时数据，与井下建立实时数据连接，革命性的提高了钻井效率。本毕业设计利用DSP平台控制变频泥浆泵频率的变化，受具体设计条件的限制，本论文以蜂鸣器的频率代替泥浆泵频率，代为实现导向钻井下传的44个编码。本文扼要回顾了旋转导向钻井技术及发展方向，叙述了下行通讯地面闭环控制部分在钻井过程中的核心地位；介绍了主控芯片的主体结构以及MCPWM方式控制模块、中断模块；完成了对控制脉宽变化的复位电路、晶振电路、PWM触发电路、高电平触发电路、蜂鸣器输出电路的硬件设计；在MPLAB环境下，编写了三降三升编码指令对应的应用程序，进行了应用程序的编译及调试；完成了变频控制系统的软硬件联调，实现了三降三升编码指令的地面发送控制。关键词：旋转导向钻井；下行通讯；流量控制；DSP Mud Pump Flow Control System Design Based on DSP Abstract: Rotary steering drilling technology can avoid conventional drilling technologys frequently start-up drilling and drill-down problem. Guidance function can be real-time completed by rotary drilling system. Downward communication ground control section can collect real-time datas from MWD and send instruction to rotary drilling tool in the drilling hole. Drilling efficiency can be revolutionary improved. The DSP platform may be utilizated to control frequency slurry pump in the graduation design. It can be briefly reviewed that the technology of rotary steering drilling development direction, as well as the core position of the surface control section of downward communication in this paper. The major structure of microchip and MCPWM method of the hardware circuit design are introduced. The hardware circuit design are completed such as the reset circuit, the crystal oscillator circuit, the PWM trigger circuit, the high trigger circuit and the buzzer output circuit. Application procedures are wroten about the three down three rising coding instructions , and the compilation programs are compiled and tested at the MPLAB environment. Joint debugging of hardware and software on variable frequency control system is completed. three-descending and three-ascending of ground coding instruction is sent to be realized. Key words: Rotary steering drilling; Down communication; Flow control; DSP目 录1 绪论11.1 引言11.2 研究目的及意义11.3 论文主要内容22 dsPIC概述32.1 dsPIC30F系列芯片概述32.2 dsPIC30F4011芯片介绍32.3 脉宽调制（PWM）模块42.4 中断模块简介63 控制系统硬件设计83.2 硬件功能全图103.2 晶振电路设计103.3 复位电路设计113.4 PWM控制电路123.5 高电平触发电路133.6 输出电路144 系统软件设计164.1 软件总体方案设计164.2 编译C应用程序的中断功能块204.2.1 中断优先级和中断寄存器.204.2.2 中断设置流程204.3 生成源程序文件214.3.1 MPLAB C30编译器概述214.3.2 启用MPLAB IDE并创建一个源文件224.3.3 编写程序时应注意的问题224.3.4 生成新项目235 系统调试及试验验证275.1 硬件调试275.2 软件调试285.3 联调306 结论33参考文献34致 谢36附录A37附录B40401 绪论1.1 引言石油天然气是各国重要的能源和战略物资。旋转导向闭环钻井技术自20世纪90年代问世以来，在各种高难度条件下的钻井作业特别是在大位移钻井中获得了广泛应用，已成为当今国内外开发的各种先进钻井技术与工艺中最具突破性和战略意义的技术。为了达到在井下钻井工具旋转的同时进行导向造斜的目的，常常要求稳定平台能进行快速大角度姿态改变，并且需要较短的调节时间和较高的调节精度和稳定性。旋转导向钻井技术是20世纪90年代以来国际钻井界为了适应油气田开发中进行定向井、水平井，特别是多分支井和大位移井作业的需要而发展起来的新技术，通过闭环钻井实现闭环控制，是钻井技术向智能化、信息化和自动化方向发展的前沿技术代表4-8。该技术在以井下旋转导向工具实现自动化的基础上，配合现有成熟的随钻测量技术，在地面完成对井下上传数据的实时分析处理，再由地面信号下传系统实现自动控制的一项钻井技术，能够在钻柱旋转状态下实现井眼轨迹的随钻导向控制，可以有效解决滑动导向作业中摩阻过大，岩屑沉积的问题。旋转导向钻井技术由于井下工具一直在旋转状态下工作，因此井眼净化效果更好，井身轨迹控制精度更高，位移延伸能力更强，在旋转钻进时能连续导向，可以提高机械钻速和井眼净化效果，减少压差卡钻，降低钻井成本。因此更适合于海洋油气资源开发以及在油田开发后期的复杂油气藏中钻超深井、高难定向井、丛式井、水平井、大位移井、分支井及三维复杂结构井等特殊工艺井6。这是一项以计算机为手段，以钻井为对象，以控制为目标，以力学为基础，以机械为主体，以实验为依托的多学科交叉的技术领域，已经成为当今世界各国大公司竞相发展的新技术，是当今世界钻井技术发展的方向之一。1.2 研究目的及意义自20世纪80年代开始着手探索旋转导向钻井技术，至20世纪末三家大的石油技术服务公司分别成功研制出各自的商业化产品，这项技术总体上处于快速发展之中，而且国际大公司垄断着诸如钻井轨道自主控制技术、信息实时传送、随钻参数测量、双向数据通讯等配套关键技术，国际公司的商业产品在市场上成功应用，并且带来巨大的直接经济效益以及更为可观的间接经济效益9-13。我国在旋转导向钻井技术上的起步较晚，应该以旋转导向钻井技术的配套关键技术入手，快速发展闭环钻井技术，以适应工程应用和技术服务市场的激烈竞争，在国际技术竞争中占有一席之地，获得经济效益与社会效益上的高额收益。下行通讯地面控制系统是旋转导向钻井下行通讯系统的重要组成部分。旋转导向闭环钻井系统的核心是井下旋转导向工具、地面与井下双向信息传输系统、地面监控系统等。在旋转导向钻井过程中，地面需要不断给井下工具发送控制指令，以控制轨迹按预定的设计轨迹逼近靶点（区）。地面监控系统是旋转导向钻井系统的指挥中心，在钻井过程中，地面监控系统根据井下数据作出控制指令,经下行通讯通道，下传发送给井下导向工具，与井下旋转导向钻井工具系统相互联系，实现控制指令的传送，指导井下工具按照设计的轨迹钻井，实现不同功能要求的操作1。因此，钻井作业的实际需要和旋转导向闭环钻井系统的功能组成决定了由地面监控系统实现下传控制指令、进行下行通讯的必要性。鉴于石油工业发展的迫切需要，目前旋转导向钻井技术广泛应用于各类钻井区块，特别随着大位移井、超深井等各种特殊钻井工艺的发展，对旋转导向钻井技术的要求越来越高7。以地面向井下发送控制指令为主要目标，开展导向钻井无线下行通讯系统关键技术研究，将成为旋转导向钻井系统的重要组成部分，对实现地质导向钻井和自动闭环钻井的具有重要意义。1.3 论文主要内容 基于DSP变频泥浆泵流量控制系统的设计，是旋转导向钻井下行通讯的地面控制部分。了解了下行通讯地面控制部分的基本原理和数字化的变频泵基本知识。检索国内外相关dsPIC的文献，完成对DSP模块的设计和制作，开发C应用程序并应用于DSP模块。 （1）简单了解下行通信地面控制系统的基本原理。 （2）进行DSP控制器硬件电路设计使系统具有按钮复位功能、输出电路报警功能、PWM触发功能、高电平触发功能等等。 （3）对C应用程序中应用到的中断模块和PWM模块进行简单介绍。 （4）完成了C应用程序的编写和编译。 （5）将目标代码写入控制器运行并进行软硬件联调调试。 （6）完成硬件电路板脱机烧写，实现了板子脱机自运行。 （7）完成实验验证，并调试出具有一定周期和占空比的三降三升变频。 2 dsPIC概述2.1 dsPIC30F系列芯片概述 PIC和dsPIC30F器件可以划分为三个部分：CPU内核、系统集成、外设部分。其中CPU内核是器件运行所必须的基本部分1。而系统集成功能有助于降低系统成本、提高系统可靠性、提高系统灵活性等优点。外设是dsPIC30F具备许多允许器件与外界交换信息的外设，包括：I/O端口、定时器、输入输出捕捉模块、正交编码借口、10位A/D转换器、12位A/D转换器、UART模块、SPI模块、数据转换接口模块、CAN模块等等。dsPIC30F系列芯片总框图如图2-1所示。图2-1 dsPIC30F系列芯片总框图2.2 dsPIC30F4011芯片介绍dsPIC30F4011是Microchip公司新推出的dsPIC30F系列16位单片机9。它是一种具有单片机和DSP综合功能的16位CPU，该器件不但保留了单片机的基本性能、丰富的外围模块，同时还兼具DSP的高速运算能力。dsPIC30F4011单片机上集成的CAN模块，使其能够与其它CAN模块或数字信号控制器进行通信，其上的CAN模块是一串行接口，此接口的设计允许在噪声环境下进行通信，同时它也是一个通信控制器，可以实现BOSCH规范中定义的CAN 2.0 A/B协议2。 高性能16位数字信号控制芯片dsPIC30F4011，主要特性突出，能满足多种用途的控制要求。芯片包含高性能改进型RISC CPU、DSP引擎特性、外设特性、电机控制PWM模块控制、正交编码器接口模块特性、模拟特性、特殊数字信号控制器特性。其芯引脚图如图2-2所示3。图2-2 dsPIC30F4011芯片引脚图 2.3 脉宽调制（PWM）模块PWM（MCPWM）模块简化了产生多种同步脉宽调制输出的任务。PWM 模块具有如下特性：专用时基支持TCY/2 PWM边沿精度、每个PWM 发生器都有两个输出引脚、每个配对输出引脚均可互补或独立工作、用于互补模式的硬件死区时间发生器、可由器件配置位设置输出引脚极性、多种输出模式：边沿对齐模式、中心对齐模式、带双更新的中心对齐模式。 （1）不同MCPWM模块根据所选的dsPIC30F 器件的不同有两种MCPWM 模块10。一种是8 输出模块，它通常见于64引脚或以上的器件上。还有一种是6输出的MCPWM 模块，它通常见于引脚数小于64 的较小器件上。给定的dsPIC30F器件也可能具有一个以上的MCPWM 模块。表2-1 6输出MCPWM和8输出MCPWM的对比 功能部件 6输出MCPWM模块 8输出MCPWM模块 I/O引脚 6 8 PWM发生器 3 4 故障输入引脚 1 2 死区时间发生器 1 2 6位输出的MCPWM模块可用于单相或三相电源的应用，而8输出的MCPWM能支持四相电机应用。表2-1提供了6输出和8输出的MCPWM 模块的功能部件总结。两种模块都支持多种单相负载。8输出MCPWM 还为应用中提供了更高的灵活性，因为它支持两个故障引脚和两个可编程死区时间。在随后的各节中将更详细的讨论这些功能。 （2）PWM方式控制寄存器 以下寄存器控制MCPWM模块的工作：PTCON：PWM时基控制寄存器、PTMR：PWM 时基寄存器、PTPER：PWM时基周期寄存器、SEVTCMP：PWM特殊事件比较寄存器、PWMCON1：PWM 控制寄存器1、PWMCON2：PWM控制寄存器2、DTCON1：死区时间控制寄存器1、DTCON2：死区时间控制寄存器2、FLTACON：故障A控制寄存器、FLTBCON：故障B控制寄存器、PDC1：PWM占空比寄存器1、PDC2：PWM占空比寄存器2、PDC3：PWM占空比寄存器3、PDC4：PWM占空比寄存器4。此外，还有三个与MCPWM模块相关的器件配置位以设置初始复位状态和I/O引脚的极性。这些配置位位于FBORPOR器件配置寄存器中。 （3）PWM时基 PWM时基由一个带有预分频器和后分频器的15位定时器提供11。时基的15位可通过PTMR寄存器访问。PTMR为一个只读状态位PTDIR，显示PWM 时基当前的计数方向。如果PTDIR状态位清零，则表示PTMR正在向上计数。如果PTDIR置1，则表示PTMR正在向下计数。通过置位/ 清零PTEN位（PTCON）来使能/ 禁止时基。当PTEN位由软件清零时，PTMR时PTMR不会清零。 （4）PWM时基预分频器 PTMR的输入时钟（TCY）的预分频选项有1:1、1:4、1:16 或1:64，通过控制位PTCKPS（PTCON）选择。当发生以下情况中的任何一种时，预分频器计数器清零：对PTMR寄存器写、对PTCON寄存器写、任何器件复位；当写入PTCON时，PTMR 寄存器不会清零。 （5）PWM周期PTPER寄存器为PTMR设置计数周期。用户必须将15位值写入PTPER。当PTMR的值与PTPER 中的值匹配时，时基将复位为0，或在下一个时钟输入边沿改变计数方向。具体执行哪一种行为取决于时基的工作模式。时基周期被双缓冲以使PWM信号可随时更改周期而不产生毛刺。PTPER寄存器作为实际时基周期寄存器的缓冲寄存器，用户不能对它进行访问。PTPER寄存器的内容在以下时候装载到实际时基周期寄存器中：自由运行和单事件模式：当PTMR 寄存器在与PTPER寄存器发生匹配后复位为零时。向上/ 向下计数模式：当PTMR 寄存器为零时。当PWM 时基被禁止（PTEN = 0）时，PTPER寄存器中保存的值被自动装入时基周期寄存器。将PTPER寄存器中的值装入时基周期寄存器，如图2-3所示。 图2-3 自由运行计数模式下PWM周期缓冲器的更新2.4 中断模块简介中断时计算机技术中的一个重要概念。中断的存在使计算机的工作效率大大提高，几乎所有微控制器（MCU或称单片机）和微处理器(cpu)都配置有中断功能15，在计算机系统中，当CPU正在执行当前的程序时，由于某种突发事件的发生，如有按键按下，使它暂停当前的操作，转去执行另一段程序，待这段程序执行完毕后，再返回原来被打断的地方继续执行，这就是一个典型的中断过程。中断控制方式使CPU也不会错过，这样的工作效率较高。在编制实时性要求较高的程序中，中断控制方式显得特别有用，实际上，在一般的单片机多任务（如数据采集、计算、通信等）的应用程序编制中，中断编程也是必不可少的一部分。首先了解中断的几个几个基本概念。（1） 中断源：引起中断发生的事件被称为中断源。（2） 中断请求：中断源向CPU发出的请求中断处理信号。（3） 中断响应：CPU接收到中断请求后转向对应的事件处理程序。 （4）现场保护：在处理新任务时，可能破坏原有的工作现场，所以需要对工作现场和工作环境进行适当保护，以使执行完新任务后可以回到原来的工作现场继续工作。 （5）中断返回：将被打断的工作断点找回来，继续执行原先被打断的工作。 （6）关中断：不允许CPU响应中断。 （7）开中断：允许CPU响应中断。 （8）中断矢量：即中断服务程序的入口地址。每个中断源都有自己固定的“中断矢量”，不可以任意挪用或更改。CPU接到中断请求时，转向对应的中断服务程序的入口地址来执行中断服务程序。一个中断矢量可以只对应一个中断源，也可以对应多个中断源。当多个中断源对应一个中断矢量时，就需要在中断服务程序中判断是哪个中断源发出的中断申请，进而执行相应的中断服务程序。（9）中断优先级：当几个中断源同时向CPU发出中断申请时，优先级别较高的中断率先得到响应。3 控制系统硬件设计本章主要介绍基于dspic单片机SVPWM(Space Vector Pulse Width Modulation)变频的设计。3.1下传指令单片机控制系统工作原理旋转导向钻井地面控制部分通讯下传指令到dsPIC30F4011单片机系统，控制泥浆泵频率，泥浆排量的变化来控制钻头的旋转。本论文主要设计单片机系统，实现对泥浆泵（用蜂鸣器替换）脉宽和占空比的控制，从而改变泥浆泵频率，实现三降三升的指令发送。下传指令单片机控制系统原理框图如图3-1所示。图3-1 设计总体框图3.2 三降三升编码指令地面下传控制信号需要经过编码将信号转变为信号的编码，才能在信道上传输。在采用泥浆压力负脉冲传输方式的通信系统中，通过控制脉冲阀的开启与闭合以及脉冲阀开启与闭合的持续时间，产生泥浆压力波的下降沿和上升沿以及相应的脉宽。综合考虑国内外现行的指令下传方式、编码方式及所采用的通信系统特点，以“用不同的压力脉冲波形代表不同的控制命令”为原则，针对压力脉冲波的脉宽编码，利用脉宽形成控制指令代码9。脉宽位的长短可以人为控制，其持续时间是T的整数倍mT，规定其代码为m。T为最小脉宽宽度，它的大小是在对泥浆循环没有影响的前提下由解码装置的检测电路的灵敏度决定的，且不能小于井眼内钻井液波动的衰减周期，一般约定T为30s。另外为了提高井下控制机构动作的灵敏性以及保证检测的准确性，规定一条有效控制指令的所有脉宽位的总时间不超过nT（n为整数），即miTnT；每一个脉宽位不超过kT（取k为9，kn），即mk。考虑到实际传输有误差，每一个脉宽位的起始与结束都允许有T的误差。这主要是由于地面的负脉冲发生器及其控制装置的精度等引起的，T的大小为20%T，当T=30s时T为6s。所以若一条控制指令的总时间超过nT10T即为无效指令编码，若一个脉宽位的时间大于mT2T或小于mT2T也是无效代码。控制指令脉冲信号如图3-2所示。这样不同的脉宽构成一系列不同的代码，也就形成了不同的编码指令，将波形与控制指令编码联系起来。图3-2 控制指令脉冲信号考虑到控制指令发送中以时间最优的原则，可以采用附录B所示编码方式。表中前三位编码代表工具面角，采用矩阵概念进行排列，即第三位对应一级编码的四个工具面角，即对应代码1-4；而第二级对应的工具面角有4个，故可将其排在第三位编码上，对应代码5-8；第三级对应8个工具面角，将其排在第二位编码上，对应代码2-9。从2开始编码是因为三降三升的脉冲指令编码中不会出现0T，最小为1T；第四级有4个工具面角，将其排在第一位编码上，对应代码2-5。第四位编码表示导向力大小，1对应100%，2对应67%，3对应33%。第五位为校验位，以使指令发送时间最短，当然亦可取发送次数，由使用者自行约定。 基于设计条件的限制，受控对象以蜂鸣器代替，可以模拟泥浆泵频率变化。本章的硬件设计是以dsPIC30F4011芯片为核心16-18，采用PWM方式控制蜂鸣器频率，需要控制占空比和连续脉冲的脉宽。实现这一控制需要采用晶振电路起震并连续工作，复位电路保护，触发电路执行动作，蜂鸣器电路输出结果，本章将分几个小部分来阐述硬件电路部分的设计。3.3 硬件功能全图以下给出PWM方式控制蜂鸣器频率的硬件电路全图3-3。实现具有一定占空比和周期的三降三升功能。图3-3 PWM方式输出功能硬件全图3.4 晶振电路设计 在晶振电路中，选择C1和C2的理想的情况是保证系统在高温和最低工作电压下能够正常工作，并在数据手册推荐的范围内选择最小电容值。同时应该使C2和C1大小相同，使其有利于震荡电路的上电启动。在XT（标准晶体震荡）和HS（高速晶体震荡）模式中，当晶振、震荡类型和电容值都确定后，外部时钟信号从OSC1端输入。外部振荡器一般使用有源晶振（也称晶体振荡器），有Vcc、GND、CLK、和NC(NO Connect)4个引脚，只要接上电源和地即可使用。与无源晶振（也称晶体谐振器）相比，有源晶振信号比较稳定，但体积较大，不过随着SMD(Surface Mount Device)技术不断的发展，该问题 已经逐渐得到解决。 dsPIC30F系列芯片的时钟可由内部方式或外部方式产生。本论文采用外部方式自制信号源，构建外部时钟工作方式时，在OSC1、OSC2的引脚上外接晶振、电容元件，PWM1H便可得到晶振电路的方波。晶振电路采用石英晶体和电容组成的并联谐振电路，电路连接如图3-4所示。 图 3-4 晶振电路3.5 复位电路设计 在单片机电路设计中，必须考虑到复位电路，以提高单片机在强磁场、电源尖峰等强干扰环境下的工作稳定性或实现从误操作中恢复初始状态。单片机的复位电路有很多种，有比较简单的RC复位电路，也有带门电路的复位电路。本设计中采用的就是比较简单的低电平复位电路，复位电路硬件连线图如图3-5所示。虽然这种简单的复位电路结构简单，占用的硬件空间较小，可以减小控制板的大小节约成本。 图 3-5 复位电路图3.6 PWM控制电路在具体应用当中，需要加一个触发开关（低电平触发），触发PWM脉冲输出。触发电路由+5v直流电源、10K电阻、触发开关和接地部分组成。触发按键接地，通过按键开关接通引脚RD1和接地部分以达到低电平触发的目的。其结构简单，方便易行，不会产生误操作PWM控制电路如下图3-6所示。图 3-6 PWM触发电路3.7 高频触发电路考虑到具体应用中的复杂控制，此次论文还设计了一个高频触发开关，来切换PWM方式工作和高电平工作状态。高频触发电路由由+5v直流电源10K电阻、触发开关和接地部分组成，通过高频触发按键接通接地部分和引脚RD1，实现触发操作。其设计结构简单，方便易操作，不会产生误动作，高频触发电路如下图3-7所示。图3-7 高频触发电路3.8 输出电路频率的变化需要具体实物来验证，蜂鸣器可以接收频率的范围很大，可以作为输出。输出电路由PIC30F4011芯片、无源蜂鸣器、PNP型三极管、接地部分、+5v电源、10K电阻等组成。通过PWM1H端口和10K电阻给三极管基极加触发电压，三极管导通，触发蜂鸣器发声。输出电路的控制依赖PWM模块、中断模块等的密切配合。具体的硬件电路如图3-8所示。 图 3-8 蜂鸣器输出电路 4 系统软件设计4.1 软件总体方案设计dsPIC30F4011单片机系统的程序基本设计流程图如图4-1所示，在这其中，利用C语言应用程序设计如图4-2流程所示，也就是需要有编码、编译、仿真调试三个阶段。实际上作为C编译器PCM（pulse code modulation），仅起编译的作用，编码和仿真则由MPLAB完成。图4-1 基本设计流程图 图4-2 C语言应用程序设计流程在以dsPIC30F4011为核心处理器的控制系统中软件设计是变频控制的重要组成部分。只有把软件设计好，能够在硬件上得以顺利实现才算是完成控制的目标。软件部分设计采用中断模块和PWM模块交互工作组成的变频控制方式，来实现变频调速的目的。程序主要由dsPIC30F4011软件模块的初始化（系统时钟、通用I/O口、PWM控制模块、外部中断）和功能实现模块来完成。主程序初始化流程图4-3所示。功能实现模块图4-4所示。 图 4-3 主程序初始化流程图主程序初始化结束后开始编程，先检测蜂鸣器启动按钮1是否按下，如果按下，蜂鸣器高频发声否则蜂鸣器未启动。实时刷新扫描检测按键2是否按下，如果按下进入三降三升控制模块，否则蜂鸣器高频发声。 图4-4 功能实现模块流程图4.2 编译C应用程序的中断功能块 dsPIC30F中断控制器模块将大量外设中断请求信号减少到一个到dsPIC30F CPU的中断请求信号，它具有多种特性：多达8个处理器异常和软件陷阱、7个用户可选择的优先级、具有多达62个向量的中断向量表（Interrupt Vector Table，IVT）、每个中断或异常源都有惟一的向量、指定的用户优先级中的固定优先级、用于支持调试的备用中断向量表（Alternate Interrupt Vector Table，AIVT）、固定的中断入口和返回延时。4.2.1 中断优先级和中断寄存器（1）中断优先级 可以为每个外设中断源分配7个优先级之一。每个单独的中断的用户可分配中断优先级控制位位于IPCx寄存器中每个半字节的3位最低有效位中。每个半字节的bit3不使用并读作0。这些位定义了分配给特定中断的优先级。可用的优先级从1开始为最低优先级，7级为最高优先级。如果与中断源有关的IPC位被全部清零，则中断源被有效禁止。 由于特定的优先级会被分配给一个以上的中断请求源，所以在给定的用户分配级别内提供了一种解决优先级冲突的方法。根据每个中断源在IVT中的位置，它们都有一个自然顺序优先级。中断向量的编号越低，自然优先级越高，而向量的编号越高，自然优先级越低。任何待处理的中断源的总优先级都首先由该中断源在IPCx寄存器中用户分配的优先级决定，然后由IVT中的自然顺序优先级决定。自然顺序优先级只用于解决具有相同用户分配优先级的同时待处理的中断之间的冲突。 一旦优先级冲突被解决，异常处理过程就开始了，CPU只可以被具有较高用户分配优先级的中断源中断。 具有相同的用户分配优先级但具有较高的自然顺序优先级的中断在异常处理过程开始后成为待处理的中断，它将保持待处理状态直到当前的异常处理过程结束。用户能够为每个中断源分配七个优先级之一表示用户可以给低自然顺序优先级的中断分配非常高的总优先级。例如：可以给PLVD（可编程低压检测）分配优先级7并给INT0（外部中断0）分配优先级1，这样就给了它一个很低的有效优先级。 （2）中断控制和状态寄存器 与中断控制器有关的寄存器有INTCON1和INTCON2 寄存器、IFSx（中断标志状态寄存器）IECx（中断允许控制寄存器）、IPCx（中断优先级控制寄存器）、SR（CPU状态寄存器）CORCON（内核控制寄存器）。4.2.2 中断设置流程 （1）初始化 以下步骤说明了如何配置中断源：如果不需要中断嵌套，将NSTDIS控制位（INTCON1）置1、通过写相应的IPCx控制寄存器中的控制位选择中断源的用户分配优先级、通过在相应的IECx控制寄存器中置1与中断源相关的中断允许控制位，使能中断源。 （2）中断服务程序 用来用正确向量地址声明ISR和初始化IVT的方法将由编程语言（即C或汇编）和用于开发此应用程序的语言开发工具套件决定。一般情况下，用户必须清零在ISR中处理的中断的中断源在相应IFSx寄存器中的中断标志。否则，在退出中断服务程序后会立即再次进入ISR。如果ISR用汇编语言编码，必须用RETFIE指令终止它以便使保存的PC值、SRL值和旧的CPU优先级出栈。 （3）陷阱服务程序 除了必须清零INTCON1寄存器中的相关陷阱状态标志以避免反复进入TSR，陷阱服务程序（TSR）的编码方式类似于ISR。 （4）中断禁止可以使用以下流程禁止所有用户中断：使用PUSH指令将当前SR值压入软件堆栈、将值0xE0和SRL进行或操作强制CPU的优先级别为7、若要允许用户中断，可使用POP指令恢复先前的SR值