（信息与通信工程专业论文）凝析天然气计量单元可靠性设计与实现.pdf

的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：鱼明日期：p 年占月加日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门 ( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被 查阅、借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用 影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名：鱼匾 指导教师签名： 日期：如年z 月o 日 日期：2 卅年多月o 日 ， 摘要 本论文根据仪表可靠性设计原则，设计并实现了凝析天然气流量计量单元，可广泛 应用于石油、化工、能源等诸多领域对凝析天然气的计量。 计量单元在硬件上选用d s p 数字信号微处理器t m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 a 为数据运算单元， 外围电路主要包括电源电路模块、a d 模块、数据存储器s d r a m 、程序存储器f l a s h 、 人机接口电路、u s b 主机电路、c p l d 接口电路，复位电路以及实时时钟模块等。完成 了系统p c b 设计、器件组装和硬件调试工作。 计量单元软件采用模块化设计，主要包括数据采集、数据存储、数据移动存储、程 序存储、人机交互以及看门狗等功能模块，各模块程序在c c s 2 0 开发平台上应用c 语 言设计和开发，并在硬件电路板上对各软件模块进行了在线仿真和测试，达到了预期功 能。 计量单元可以实现凝析天然气原始数据的采集、流量的计算和在线显示、以及数据 的存储等功能，并且可以将数据转存到移动存储设备中，以便相关的数据分析和生产管 理。 关键词：凝析天然气，流量计量，数字信号处理，移动存储 r e l i a b l ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fw e tg a sf l o w m e t e r i n gu n i t k o n gc a i ( i n f o r m a t i o na n dc o m m u n i c a t i o ne n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f z h e n gj i n w u a b s t r a c t t h i sp a p e rh a sa c h i e v e daw e tg a sf l o wm e a s u r e m e n tu n i t ，f o l l o w i n gp r i n c i p l e so f r e l i a b i l i t yd e s i g n i tc a nb ew i d e l yu s e df o rm e t e r i n gw e tg a sf l o wi nm a n yf i e l d s ，s u c ha s p e t r o l e u m ，c h e m i c a li n d u s t r y , e n e r g ya n ds oo n t m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 aw a sc h o s e na st h ep r o c e s s o ro ft h eu n i t a n di tc o n s i s t so fp o w e r c i r c u i t ，a dc i r c u i t ，d a t aa c q u i s i t i o nc i r c u i t ，d a t am e m o r ys d r a m ，p r o g r a mm e m o r yf l a s h ， h u m a n m a c h i n ei n t e r f a c ec i r c u i t ，u s bh o s tc i r c u i ta n dc p l di n t e r f a c ec i r c u i t ，r e s e tc i r c u i t a n dr e a lt i m ec l o c kc i r c u i t t h ep r i n t e dc i r c u i tb o a r do ft h eh a r d w a r ew a sa l s od e s i g n e d ， a s s e m b l e d ，a n dd e b u g e d t h es o f t w a r eo ft h eu n i tw a sd e s i g n e du s i n gcl a n g u a g eo nc c s 2 0d e v e l o p m e n t p l a t f o r m ，i n c l u d i n gt h eb a s i cf u n c t i o nm o d u l a r ss u c ha sd a t aa c q u i s i t i o n ，d a t as t o r a g e ， p r o g r a mm e m o r y , r e m o v a b l es t o r a g eo fd a t a , h u m a n c o m p u t e ri n t e r a c t i o n ，w a t c h d o g ，a n ds o o n a l lo ft h es o f t w a r ew a ss u c c e s s f u l l ye m u l a t e da n dt e s t e do nt h eh a r d w a r e t h eu n i tc a na c h i e v ed a t aa c q u i s i t i o na n ds t o r a g eo ft h ew e tg a s ，a n da l s ot h ec a l c u l a t i o n a n dd i s p l a yo ft h ef l o wr a t e b e s i d e s ，t h ed a t ac a nb er e m o v e di n t om o b i l es t o r a g ed e v i c e ， w h i c hi sh e l p f u lt or e l a t e dd a t aa n a l y s i sa n dp r o d u c t i o nm a n a g e m e n t k e y w o r d ：w e tg a s ，f l o wm e t e r i n g ，d s p , r e m o v a b l es t o r a g e 目录 第l 章前言1 1 1 课题研究背景。l 1 2 国内外凝析天然气计量研究现状1 1 2 1 气液两相流参数检测技术1 1 2 2 国内外多相流量计1 1 3 课题研究的目的和意义2 1 3 1 课题研究目的2 1 3 2 主要研究内容及主要工作2 1 3 3 课题意义3 第2 章凝析气计量单元的整体设计方案4 2 1 凝析天然气计量装置结构4 2 2 计量单元样机功能分析4 2 3 样机方案改进。6 2 4 计量单元结构7 2 4 1 计量单元硬件结构设计7 2 4 2 计量单元可靠性设计8 2 4 3 计量单元软件架构设计9 第3 章计量单元硬件设计与实现1 0 3 1 电源模块设计1 0 3 1 12 4 v 转5 v 供电电路1 0 3 1 25 v 转3 3 v 供电电路1 0 3 1 35 v 转1 6 v 供电电路1 l 3 2 复位电路设计1 2 3 2 1 基于t p s 3 8 2 3 3 3 方案的复位电路设计1 2 3 2 2 微分型复位电路设计1 3 3 2 3 两种复位电路性能比较1 4 3 3 时钟电路设计1 4 3 3 1 系统外部时钟电路。1 4 3 3 2 系统实时时钟设计1 4 3 4 数据存储模块的扩展1 5 3 4 1i s 4 2 s 1 6 4 0 0 e 性能1 5 3 4 2s d r a m 模块电路设计1 6 3 5 程序存储模块的扩展17 3 5 1s s t 3 9 v f l 6 0 1 性能1 8 3 5 2f l a s h 模块电路设计。1 9 3 6 数据采集模块设计2 0 3 6 1 模数转换电路设计2 1 3 6 2 基准电压产生电路2 4 3 7 键盘设计2 5 3 7 1z l g 7 2 8 9 b 性能2 5 3 7 2 键盘电路设计2 5 3 8u s b 模块设计2 7 3 8 1c h 3 7 6 s 性能2 7 3 8 2u s b 主机电路设计2 8 3 9 液晶显示模块3 0 3 10 计量单元p c b 板3 0 3 1 1 本章小结3 l 第4 章计量单元软件实现与测试3 2 4 1 时钟发生器3 2 4 1 1 时钟产生程序的实现3 2 4 1 2 代码测试3 3 4 2 软件看门狗实现3 4 4 3 外扩存储器程序设计3 5 4 3 1s d r a m 数据存储的实现3 6 4 3 2f l a s h 数据存储的实现3 6 4 3 3 基于c p l d 的f l a s h 地址扩展程序设计3 8 4 4 数据采集程序的实现4 0 4 5 数据转存软件设计4 1 4 5 1u 盘控制系统结构4 2 4 5 2f a t 文件系统4 3 4 5 3 数据转存软件实现4 3 4 6 键盘软件实现4 9 4 6 1z l g 7 2 8 9 b 底层接口程序实现4 9 4 6 2 中断程序的实现5 2 4 6 3 代码测试5 3 4 7 本章小结5 4 总结与展望5 5 参考文献。5 7 致 射6 0 毒 ； 中图分类号：t p 2 7 4 + 2 单位代码：1 0 4 2 5 学号：s 0 8 0 5 0 7 5 0 寸阂石浊六学 硕士学位论文 、 c h i n au n i v e r s i t yo fp e t r o l e u mm a s t e rd e g r e et h e s i s 凝析天然气计量单元可靠性设计与实现 r e l i a b l ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fw e tg a sf l o w m e t e r i n gu n i t 学科专业：信息与通信工程 研究方向：信号检测与处理 作者姓名：孔财 指导教师：郑金吾教授 二。一一年五月 州 中国石油人学( 华东) 顾一l ：学位论义 1 1 课题研究背景 第1 章前言 近年来气阳开发有着从大型集中分布的油气f f l 转向小型边际气田的趋势，而且伴随 着开采年限的增加，现在很多气井的产出物中伴生有凝析的液念烃和水，这样的天然气 称之为凝析天然气【1 1 。 现有的凝析气计量技术一般将其简化为气液两相流的测量问题。石油天然气工业的 生产中凝析天然气的计量方式大多是将气井产物集中到计量站，控制产物分时通过计量 分离器，对分离后的气和液进行单相倒井计量。这种计量方式工艺流程复杂、占用空问 大、造价昂贵并且是断续计量。此外，在海洋、沙漠、极地以及其它边远地区油气田 的开发建设过程中，由于自然条件的限制，计量站生产设施的建造、运行和维护等费用 都非常高，建设分离计量站是很不现实2 1 。而且世界各大石油公司越来越重视提高湿气 计量的准确性和可靠性3 1 。因此，传统的计量方式已不能满足实际需要，解决在线实时 准确测量天然气各相流量就显得尤为重要。 1 1 2 国内外凝析天然气计量研究现状 1 2 1 气液两相流参数检测技术 流体的流动特性复杂多变，所以气液两相流参数的检测难度非常大，目前气液两相 流参数检测技术及相关仪表研制大多处于探索研究阶段，成熟的在线应用工业仪表还比 较少。当前国内外气液两相流参数检测所采用的技术路线可分为以下3 种 4 1 ： ( 1 ) 采用多相流参数测量模型与传统的单相流仪表相结合的测量方法。 ( 2 ) 基于新型传感技术的两相流流动参数的检测技术。 ( 3 ) 基于现代信号处理技术的流动参数检测技术。该方法采用了软测量技术，利 用较易在线测量的辅助过程变量和离线分析信息去估计不可测或难测过程参数的方法。 它需要有成熟的硬件传感器技术作支持，以计算机技术为支撑平台，通过建立模型运算 处理而完成。 1 2 2 国内外多相流量计 多相流量计大致可以分为3 类：分离式多相流量计、在线式多相流量计和其它型式 的多相流量计。目前国外已经出现了若干技术相对成熟，且经过了现场工业测试和第三 1 第l 章前吉 方实验室的性i i i i 试的多相流量计，主要有挪威r o x a r 公司的m f i 多相流量计、挪 威f l u e n t a 公司的m p f m 1 9 0 0 1 9 0 0 v i 多相流量计、挪威f r a m o 公司的m p f m 多 相流量计、美国a g a r 公司的m p f m 3 0 1 多相流量计以及英国j i s k o o t 公司的 m i x m e t e r 多相流量计1 5 】。其中m f i 的流速测量采用了微波互相关法，相分率采用微波 传感器伽马密度计法；m p f m 1 9 0 0 1 9 0 0 v i 流速测量采用电容互相关法，相分率采用电 容、电感传感器加伽马密度计法；m p f m 3 0 1 采用正排量流量计测定总体积流量，用两 个文丘里管组成的双动量流量计测定含气量，再用专业的微波原油含水分析仪测定含水 率，而m p f m 采用文丘里管测量总流量，用双能伽马仪测相分率；m i x m e t e r 使用差压 变送器测定总流量，再用双能伽马射线相分率计测定含水率和含气率。 在国内，技术相对成熟的是兰州海默的m f m 2 0 0 0 型、m f m 2 0 0 0 h g 型( 高含气 率) 、m f m 2 0 0 0 l g 型( 低含气率) 多相流量计，以及更新一代的m f m 2 0 0 0 - n g 型多 相流量计，其结构和工艺更加简单紧凑、测量性能更加优良【6 】。另外，西安交通大学的 多相流国家重点实验室也在做着大量研究，并研制出t f m 5 0 0 多相流量计，在大港油 田推广应用。 上述多相流量计共同点是，其数据处理单元基本上均需要工业计算机进行数据采集 和处理，比如兰州海默公司的m f m 2 0 0 0 n g ，其撬内配有防爆箱，防爆箱中内置了海 默专用计算机【6 1 。 1 3 课题研究的目的和意义 1 3 1 课题研究目的 本课题旨在选择t i 公司型号为t m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 a 的d s p 芯片为核心处理器，研发 出一种体积小、功耗低、可靠性高的凝析天然气两相计量单元，既能完成单口气井流量 在线实时计量，又能实现其原始数据的移动存储。该装置可替代昂贵、笨重的气液分离 计量装置，从而实现计量流程的简化和生产成本的降低，同时还可提高气井和气藏的科 学管理水平及优化操作决策。系统维护量小，又可以省去目前计量分离器的巡检，事故 处理等运行费用，为减员增效，降低丌采成本提供保证。特别是在自然条件恶劣的地区， 该计量单元与基于分离器的计量系统相比在经济上更具有竞争优势。 1 3 2 主要研究内容及主要工作 论文研究的主要内容就是依据仪表的可靠性设计原则，分析已研制的凝析天然气计 2 中国石油人学( 华东) 硕上学位论文 量单元样机的性能，并在现有样机软硬件基础上提出改进方案并实现改进后的样机设 计，使该计量单元成型为凝析天然气计量仪表。对系统中的不可靠部分重新设计，并对 外围硬件电路加以完善，改善系统功能。 1 3 3 课题意义 该计量单元不但可以在线实时准确测量并显示凝析天然气的各相流量，还可以灵活 提取凝析天然气的原始流量数据用于相关方面的科学研究，从而提高作业公司的生产管 理水平。当气阳产量受到地面设施处理能力的限制时，计量单元就可以帮助作业公司确 定哪些井需要优化，哪些井需要关掉。实现该凝析天然气计量单元还可以省掉传统计量 方式中的计量管线、分离器、管汇和阀组，从而简化工艺流程，大幅度减少生产投资， 提高生产效益。 3 2 1 凝析天然气计量装置结构 计量装置的功能是对凝析天然气的气液两相流量进行计量，其系统整体设计框图如 图2 1 。 计量单元r 1 数据分析 卜一一一一一一制 j ttt ：通过u 盘交换数据 ill 。l ：抠：竺旦互二日l 。 l l 埝l 诅 | - ，、 ，。 tt pp d i p d 2r 一次仪表 流体。 流体 图2 - 1 凝析天然气流量计量系统框图 f i g2 - 1t h ed i a g r a mo fw e tg a sf l o wm e a s u r e m e n ts y s t e m 从图中可以看出，凝析天然气计量装置的主要构成包括一次仪表、二次仪表和计量 单元。一次仪表的主要功能是采集现场流体的物理信号，包括压力、差压和温度。其中 p 代表一个压力传感器，p d l 和p d 2 代表两个差压传感器，t 代表一个温度传感器。二 次仪表是与一次仪表相对应的各种变送器，其主要职责是将传感器采集来的物理信号， 调理成4 2 0 m a 的标准电流信号，然后将其传送给计量单元。计量单元的主要功能是负 责流量的计算和数据显示。首先通过其内部a d 转换模块将变送器传送来的四路模拟 信号转换成数字信号，然后运用流量计算模型计算气液两相流量，并将现场数据和计算 结果在存储的同时将其实时的显示在液晶屏上。系统在使用过程中，可以根据实际情况 通过键盘进行相关参数的设置，如采样速率、时间、同期等。用户还可以携带如u 盘、 移动硬盘等移动存储设备，定期将采集到的现场数据和处理后的数据通过系统的u s b 接口转存，以便将数据带到实验室进行科学研究。 2 2 计量单元样机功能分析 流量计量单元要求具有以下特点：流量数据的实时在线显示、参数的设定、数据处 4 中国石油人学( 华东) 硕上学位论义 理、数据存储、数据的移动存储、功耗低、体积小、可靠性高。目前实验室的流量计量 单元有3 种样机。 ( 1 ) 样机l 采用m o t o r o l ad s p 5 6 8 0 0 系列数字信号处理器d s p 5 6 f 8 0 7 p y 8 0 为核心 处理芯片。可实现数据的采集、处理、参数设定、流量在线显示、大容量移动数据存储 等功能。程序存储器使用的是片上6 0 k 字的程序闪存，程序空间有限，不能将数据采 集、流量显示等模块的代码和数据压缩模块的代码同时写入程序闪存中，更没有空间再 植入流量计算程序。 ( 2 ) 样机2 采用t i 公司的t m s 3 2 0 c 5 0 0 0 系列数字信号处理器t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 1 0 0 为核心处理芯片。实现了数据采集、流量显示等功能，并不能进行程序的上电加载及出 错保护等。 ( 3 ) 综合上述因素及低功耗思想，实验室丌发了样机3 。该样机采用t i 公司的 t m s 3 2 0 v c 5 0 0 0 系列数字信号处理器t m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 a 为核心处理芯片。 样机3 的主要优点如下： ( 1 ) 选用了大量表贴式元器件，使系统p c b 板的布线更加美观，体积更小。 ( 2 ) 系统外扩s d r a m 和f l s a h 分别达到了4 m b y t e 和2 m b y t e ，具有足够的空 间存储系统硬件程序及移植流量程序，并实现了自举引导和二次引导，使系统能够上电 自动运行加载到f l a s h 中的程序。 ( 3 ) 系统新增了实时时钟模块，能够显示时钟以及采集数据的实时时刻。 样机3 存在的主要缺点有： ( 1 ) 人机接口的问题。包括样机l 和2 在内的键盘和l c d 显示均是直接与d s p 相连，d s p 的运算速度非常的快，机器周期很短，在这种情况下，液晶的控制器难与其 同步。因为键盘和l c d 显示是在一个相对较低的速度下实现的，直接相连对于高速数 据处理的d s p 来说是无法接受的，它将造成d s p 资源的极大浪费。每次对液晶模块控 制器的控制端口、数据端口进行读、写操作时，需调用延时子程序，否则将无法正常显 示。增加大量的延时程序会出现响应速度的问题。不能很好的体现d s p 高速信息处理 的优势。 ( 2 ) 系统中硬件功能电路不完善，如实时时钟模块在系统掉电时将不能正常工作； 同时，当系统掉电时，外部的s d r a m 中先前保存的流量记录也将消失；系统的复位电 路现在采用的是上电自动复位，在工业仪表的实际应用中，有时需要手动复位，并且方 便系统硬件电路的调试。 5 笙! 主丝堑墨生量甲几的整体改汁方案 的工业仪表也还存在着一定的差距。 2 3 样机方案改进 作，无法实现数据的移动存储。与实际应用 通过分析现有若干样机在性能上的缺陷，以及对大量文献阅读和理解的基础上，对 样机三提出了改进方案，设计并实现了第四套样机。 ( 1 ) 首先解决系统的键盘和显示模块存在的问题，使得高速d s p 和低速设备在速 度和时序上得以匹配，从而更大程度的释放d s p 的有限资源，使键盘和l c d 更可靠的 工作。 ( 2 ) 将扩展的外部数据存储器s d r a m 扩展到4 m 字，并对系统中的实时时钟以 及s d r a m 设计掉电保护电路，使得系统在突然断电时，保证实时时钟能够继续工作， 使得s d r a m 中保存的历史记录不丢失。 ( 3 ) 重新设计系统的复位电路，使其具备上电自动复位和手动复位的功能。 ( 4 ) 实现系统的看门狗功能。看门狗主要是防止因为软件死循环而造成的系统死 锁。t m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 a 自带看门狗定时器，它通过对预定义的时钟周期数计数，提供一 种从软件错误环境中自动恢复的机制。当应用程序遇到了一个不可恢复的情况，看门狗 定时器减为0 ，触发一个超时中断，或复位d s p 。 ( 5 ) 实现流量数据的移动存储。实现采集数据的移动存储也是本仪表设计的重点 内容。由于系统所采用的d s p 芯片t m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 a 自带r a m 为2 5 6 k b ，而系统外 扩存储空间s d r a m 为8 m b y t e ，f l a s h 为1 m b y t e ，除去系统代码所占空间后剩余有 限，无法实现大容量的流量数据存储。因此利用u s b 模块实现数据的移动存储，既灵 活，又方便。 ( 6 ) 仪表整体的可靠性设计。可靠性是仪表设计的重要因素，系统的功能设计必 须建立在可靠性基础之上。因此在仪表功能电路完善的基础上更加注重仪表系统的可靠 性。主要考虑以下几个方面：元器件的质量控制；降额设计【9 】；简化设计；冗余设计； 耐环境设计；硬件抗干扰设计；软件可靠性设计等。 ( 7 ) 整合系统的各个模块，植入仪表软件系统，使各模块能够协调、稳定、可靠 的工作，设计仪表外壳，使仪表基本成型。 6 中国石油人学( 华东) 硕上学位论文 2 4 计量单元结构 2 4 1 计量单元硬件结构设计 本课题所采取的流量计量单元的硬件设计方案如图2 2 。它以d s p 芯片 t m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 a 为核心，主要外围设备有电源模块、j t a g 接口、4 m b y t es d r a m 、 2 m b y t ef l a s h 、r t c 模块以及a d 转换模块、键盘、液晶显示、复位电路、看门狗、u s b 模块、以及掉电保护电路等。 图2 - 2 计量单元硬件系统框图 f i g2 - 2t h ed i a g r a mo fm e a s u r e m e n tu n i th a r d w a r es y s t e m t m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 a 是t i 公司推出的一款高性能、低功耗的1 6 位定点数字信号处理 器，c p u 时钟工作频率最高可达到2 0 0 m h z ，此时在内核供电电压需1 6 v ，指令周期 时间是5 n s ，i o 供电电压为2 7 v 3 6 v 。5 5 0 9 a 的内核具备两个乘加单元m a c ，两个 算术逻辑单元a l u ，每秒钟可进行4 0 0 万次乘加运算；两组数据写操作总线和三组数 据读操作总线，可并行的为计算单元提供指令和操作码；5 5 0 9 a 自带的片上s a r a m 存 储空间为1 9 2 k b y t e s ，d a r a m 存储空间为6 4 k b y t e s ，自带的等待状态r o m 为6 4 k b y t e s ， 最大可扩展8 m * 1 6 b i t 的外部存储器空间。其片上外设资源丰富，具备一个看门狗定时 器和两个2 0 位的定时器，一个可编程锁相环时钟发生器，一个r t c 模块，一个u s b 总线接口，一个1 2 c 多主从接口，三个多通道缓存串口，七个通用输入输出引脚，两通 道1 0 位精度逐次逼近式a d 转换，六通道d m a 控制器【7 1 。考虑到计量单元实现功能 以及5 5 0 9 a 较高的性能和丰富外设资源，所以选择该款芯片作为凝析气计量单元的核 7 第2 章凝析气计量单兀的整体设计方案 心处理器。 其中电源模块采用外部2 4 v 直流电压供电。并使用l m 2 6 7 8 s 5 0 、t p s 7 5 7 3 3 k t t r 、 t p s 7 6 8 0 1 q d 三个d c d c 芯片分别实现5 v 、3 3 v 和1 6 v 电压输出。 a d 模块选用t i 的1 6 位逐次逼近型模数转换器a d s 8 3 4 4 e ，具有速度快、功耗低 等特点，有8 个单端输入通道，也可以输入4 个差分信号8 1 。 s d r a m 存储器选用i n t e g r a t e ds i l i c o ns o l u t i o n ， i n c 公司生产的一款型号为 i s 4 2 s 1 6 4 0 0 e 7 t 的存储芯片。 f l a s h 存储器选用s s t 公司的c m o s 多功能f l a s h 存储器 s s t 3 9 v f l 6 0 1 7 0 4 i e k e 芯片，最大寻址空间为1 m 字9 1 。 u 盘模块设计方案中，虽然本系统所选型号的d s p 自带u s b 模块，但只能配置成 从机与上位机进行u s b 通信。因此控制芯片选用南京沁恒电子有限公司最新推出的 c h 3 7 6 ，它是一款文件管理芯片，可大大简化该模块软件设计流程。 c p l d 选用a l t e r a 公司采用c m o se e p r o m 工艺生产的m a x 7 0 0 0 a 系列器件 e p m 7 1 2 8 a 。 键盘方案采用键盘管理芯片z l g 7 2 8 9 b 实现，它最多可管理6 4 个按键10 1 ，本系统 设计了1 6 个按键，当有键按下时以中断方式向d s p 发出请求，而d s p 响应中断请求 后读取键值，并根据读取的键值按协议要求进行相应的响应。 液晶显示模块选用肇庆金鹏电子集团有限公司生产的o c m j 4 * 8 c ，该款液晶屏的控 制芯片是s t 7 9 2 0 1 1 1 。 2 4 2 计量单元可靠性设计 为了提高计量单元工作的可靠性，在系统硬件方面做的工作主要包括以下几个方 面。 ( 1 ) 为系统设计了复位电路和r t c 掉电保护电路以及硬件看门狗电路。 ( 2 ) 器件选型时，控制元器件质量。在产品设计成本允许的情况下尽量选用高等 级的电子元件产品和可靠的集成电路。 ( 3 ) 降额设计。通过降低元器件额定工作电压、功率或者实际工作时所承受的工 作应力来降低其失效率，从而提高产品可靠性。 ( 4 ) 耐环境设计。考虑到仪表的使用环境比较恶劣，因此应采取措施满足防尘防 潮防爆的要求。 8 中国石油大学( 华东) 硕j ? 学位论文 ( 5 ) 硬件的抗干扰设计。主要包括滤波，去耦设计，隔离技术，接地技术等。 2 4 3 计量单元软件架构设计 流量计量单元软件系统是为了完成系统整体功能的软件架构，包括软件看门狗模 块、数据采集模块、键盘模块、液晶显示、程序存储、数据存储、数据移动存储和实时 时钟模块等。计量单元软件功能框图如图2 3 。 计量单元软件系统 软 件 看 门 狗 数 据 采 集 模 块 键 盘 模 块 液 目 丑日 显 不 模 块 n 勺 r o 模 块 程 序 存 储 模 块 数 据 存 储 模 块 数 据 转 存 模 块 实 时 时 钟 模 块 图2 - 3 计量单元软件功能框图 f i g2 - 3t h ed i a g r a mo ft h em e a s u r e m e n tu n i ts o f t w a r ef u n c t i o n 看门狗模块的主要功能是防止计量单元程序跑飞，当系统受干扰时实现自动复位， 保证系统可靠运行。 数据采集模块主要功能是把变送器传出的4 - 2 0 m a 的电流模拟信号采样、量化，并 输入至中心处理单元d s p 。 键盘模块的主要功能是实现人机交互，尤其是计量单元的各种操作和参数设置，如 采样周期、时间信息、流量信息、数据转存操作等。 液晶模块的主要功能是实现计量单元操作晁面和流量信息的可视化，如气液流量信 息、时间信息等。 c p l d 模块的主要功能有两个，一是实现程序存储器f l a s h 的高位地址扩展，二 是负责d s p 与液晶显示之间的时序控制。 程序存储模块的主要功能是负责整个仪表系统软件的存储以及重要数据的存储。 数据存储模块的主要功能是负责原始流量信号的存储，如压力、差压和温度等数据。 数据转存模块的主要功能是实现把f l a s h 和s d r a m 中的各项数据转存到移动存 储设备中，以便实验室条件下对数据进行分析。 实时时钟模块的主要功能是实现流量数据记录的实时性，并提供当前r 期和时刻。 9 第3 章计量单，i 硬件设计j 实现 第3 章计量单元硬件设计与实现 凝析天然气流量计量单元核心运算单元为t m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 a ，主要外围电路及设备 有电源模块、j t a g 接口、复位电路、看门狗、s d r a m 、f l a s h 、r t c 、a d 转换模块、 键盘、液晶显示以及u s b 模块等。本章主要介绍凝析天然气计量单元各主要硬件模块 电路的设计与实现。 3 1 电源模块设计 由于凝析天然气计量仪表未来的工作环境比较复杂，对电气特性要求比较高，对精 度的要求也非常高，因此，对电源的设计尤为重要。电源模块的设计不但要求过压、过 流保护，还需要其产生的噪音比较低。根据海洋平台仪表设计手册中提供的数据，计量 单元的电源设计需要外部提供2 4 v 的直流电。但是在计量单元内部各个模块的供电电 压不一，主要有以下几个电压值：一是d s p 芯片的内核最高工作电压1 6 v ，二是u 盘 和l c d 的供电电压5 v ，三是d s p 的i o 电压以及f l a s h 、s d r a m 、a d 、c p l d 以 及键盘等模块的供电电压3 3 v 。因此，设计思想为，首先通过外部提供的2 4 v 直流电 压通过d c d c 转换芯片产生5 v 直流电压，再用5 v 电压分别转换成系统所需的1 6 v 和3 3 v 。具体实现方案在后续小节详述。 3 1 12 4 v 转5 v 供电电路 电源转换电路设计的关键就是选择合适的集成电源转换芯片，而芯片选择的重要指 标除了固定的输入输出电压值之外就是其驱动能力【1 2 】。2 4 v 转5 v 的d c d c 芯片采用 的是美国国家半导体公司生产的l m 2 6 7 8 s 5 0 ，其输出的电流带负载能力最高可达到 5 a 。该芯片外挂最小数量的阻容器件便可实现目标设计，转换效率高达9 2 。由于内 部使用2 6 0 k h z 固定频率振荡器及其热关断和限流保护功能【1 3 l 使得外围设计大大简化。 2 4 v 转5 v 的电路原理图如图3 1 所示。其中，电容c 2 ，c 3 起输入电压滤波的作用，电 容c l 为升压电容，用来过载内部功率m o s 管的门极电压，从而降低开关电阻和相关功 率损耗以提高转换效率。稳压管d dj 起稳压保护作用，防止输出过压。电感l l l 和电 容c 4 构成l c 滤波电路，对输出的5 v 电压进行滤波。 3 1 25 v 转3 3 v 供电电路 3 3 v 供电是本系统中使用最多的一电压值，因此其稳定性至关重要。5 v 转3 3 v 1 0 中困石油人学( 华东) 硕j ：学位论文 供电电路选用的d c d c 芯片为德州仪器t i 公司生产的t p s 7 5 7 3 3 k t t r 。该片为5 引 脚表贴式封装，最大负载输出电流为3 a ，输出电压容差最大为3 ，具有较低的静态电 流1 2 5 i - t a 及热关断保护功能【h 】。5 v 转3 3 v 的电路原理图如图3 2 。其中e l 对输入的 5 v 电压进行滤波，c 5 ，c 6 分别对输出的3 3 v 电压滤除高频噪声和低频噪声。发光二极 管经过限流电阻r i 接地，作为整个系统的电源指示灯。电阻r 2 为反馈电阻，在实际布 线时该条线应尽可能的短，从而减少噪声干扰，也尽量避免在输出端和反馈之间增加 r c 网络来滤除噪声，因为这样反而会产生稳压器震荡，使得输出电压不稳。f e n 引脚 为使能端，当输入逻辑低电平时该器件丌始工作。 图3 - 12 4 v 转5 v 的电路原理图 f i g3 - 1c i r c u i tp r i n c i p l ed i a g r a mo f2 4 vt o5 v l i 、址j 图3 - 25 v 转3 3 v 的电路原理图 f i g3 - 2c i r c u i tp r i n c i p l ed i a g r a mo f5 vt o3 3 v 3 1 35 v 转1 6 v 供电电路 1 6 v 供电为d s p 的内核电压，也是d s p 芯片工作在最高频率2 0 0 m h z 时所需的电 压值。但是市场上几乎没有5 v 转1 6 v 固定输出的d c d c 芯片，故本转换电路需采用 第3 章计量学i 硬件嫂计与实现 输出可调的转换芯片。最终选择t i 公司生产的型号为t p s 7 6 8 0 1 q d ，该片为8 引脚表 贴式封装，具有超低的静态电流和快速的瞬态响应，输出电压在1 2 v - 5 5 v 之间可调【l 即， 具体实现电路原理图如图3 3 。其中e 2 起到对输入电压的滤波作用，电容c 7 ，c 8 分别 滤除输出电压的高频和低频噪声。输出电压计算公式v o u t = v 佗，( 1 + r 4 瓜3 ) ，其中v 佗f 为内部参考电压，取值为1 1 8 3 4 v ”1 ；r 3 ，r 4 为可调电阻，在设计时r 3 固定为参考值 3 0 1 i e d 2 ，r 4 的电阻值通过公式r 4 = ( v o u 州佗广一1 ) 幸r 3 计算得出。当输出为1 6 v 时， 可近似得出弛约为1 0 6 k q ，实际使用阻值为1 l k l 2 。 3 2 复位电路设计 图3 - 35 v 转1 6 v 的电路原理图 f i g3 - 3c i r c u i tp r i n c i p l ed i a g r a m o f5 vt o1 6 v 为确保系统中电路稳定可靠工作，复位电路是必不可少的一部分，仪表复位电路应 同时具备手动复位和上电自动复位功能，其首要功能就是使系统上电自动复位。其中手 动复位主要用于系统调试，另外在系统运行中遇到故障时也可方便的使用。本系统正常 工作需要供电电源为3 3 v 士5 ，即3 1 4 - 3 4 7 v 。因此在电源上电时，只有当d s p 芯片 的r e s e t 引脚电压超过3 1 4 v 低于3 4 7 v 时复位信号才被撤除，电路开始才能正常工 作。 3 2 1 基于t p s 3 8 2 3 3 3 方案的复位电路设计 对于复位电路的设计，一方面应确保复位电平时间足够长，保证d s p 可靠复位， 复位电平最小应为指令周期的6 倍，另一方面应保证稳定性良好，防止d s p 误复位。 在本系统的设计中，同时采用了两种方案来实现系统电路的可靠复位，第一种方案使用 t i 公司生产的型号为t p s 3 8 2 3 3 3 的集成芯片。 t p s 3 8 2 3 3 3 是一款具有看门狗输入和手动复位功能的电源电压监控器管理芯片， 最大工作电流2 5 9 a 1 6 】，具体实现的原理图如图3 - 4 。其中电容c 9 对该芯片的电源电压 1 2 中固石油人学( 华东) 硕i ：学位论文 起滤波的作用，m r 引脚为手动复位的低电平输入端，r e s e t 引脚接d s p 芯片的复位 引脚，具体工作原理如下：系统上电后，t p s 3 8 2 3 3 3 检测电源电压，当电源电压v d d 高于1 1 v 时r e s e t 引脚置位，只要v d d 在低于阈值电压2 9 3 v 时r e s e t 引脚一直保 持低电平；当v d d 达到2 9 3 v 时，触发内部定时器实现延迟，延迟时间的典型值为2 0 0 m s ， 之后r e s e t 引脚被拉高输出高电平，系统丌始工作。 1 f l s 3 跎3 3 3 图3 - 4t p s 3 8 2 3 - 3 3 电路原理图 f i g3 - 4c i r c u i tp