（信号与信息处理专业论文）基于dsp的凝析天然气流量计量仪表研制.pdf

摘要 在对凝析天然气流量计量仪表总体设计方案和各功能模块进行分析的基础上，设计 实现了仪表的电源电路、电源切换电路、复位电路、数据采集电路、液晶显示接口电路、 键盘接口和存储器扩展电路，重点实现了基于d s p 处理器的u 盘读写系统，用 t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2d s p 芯片、c h 3 7 5u s b 接口控制芯片和单片机c h 8 9 c 5 4 r d 芯片等构 建了u 盘读写系统的硬件电路，并基于此硬件电路实现了系统的i o 操作函数、u s b 固件函数。在以上底层函数的基础上，分别实现了字节模式和扇区模式下的u 盘文件级 数据的读写，将采集的数据通过u s b 接口以文件的形式存储到u 盘中，从而实现数据 的移动存储功能。经测试，本u 盘读写系统支持u 盘的热插拔，能自动识别并配置u 盘，能稳定的以字节和扇区为单位读写u 盘中的数据，并能对u 盘进行文件操作：新 建文件、删除文件、枚举文件、打开文件、读写文件和关闭文件等。 本文所设计的基于d s p 处理器的u 盘读写系统，采用u 盘作为数据移动存储设备， 可广泛应用在需要与计算机不定期交互数据的嵌入式系统中，具有良好的实用价值和应 用前景。 关键词：数字信号处理器，通用串行总线，u 盘，移动存储，f a t 文件系统 d e v e l o p m e n t o f t h ew e tg a sf l o wm e t e rb a s e do nd s p l i uc h u n j i a n ( s i g n a la n di n f o r m a t i o np r o c e s s 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 b a s e do nt h ea n a l y s i so fo v e r a l ld e s i g np r o p o s a la n de a c hf u n c t i o nm o d u l eo ft h ew e tg a s f l o wm e t e r , t h ee l e c t r i cp o w e rc i r c u i t ，r e s e tc 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 ，l c dc i r c u i t ， k e y b o a r dc i r c u i t ，s w i t c h i n gc i r c u i to fe l e c t r i cp o w e rs o u r c ea n dm e m o r ye x p a n s i o nc i r c u i ta r e d e s i g n e da n da c h i e v e d u n i v e r s a ls e r i a lb u s ( u s b ) b a s e dr e a d w r i t es y s t e mh a sb e e nr e a l i z e d o nt h ed i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ( d s p ) u s i n gt h ec h i p so ft m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 ，c h 37 5a n d c h 8 9 c 5 4 r d ，w h i c ha r es e p a r a t e l yt h ed s p , i n t e r f a c ec o n t r o lc h i pa n dm i c r oc o n t r o l l e ru n i t t h er e l a t i v ei oo p e r a t i o nf u n c t i o na n du s bf i r m w a r ef u n c t i o na r ed e v e l o p e db a s e do nt h e r e a d - w r i t es y s t e m d a t ao ft h eu - d i s ki nt h ef i l e l e v e lc a nb er e a da n dw r i t t e ni nb o t hb y t e m o d ea n ds e c t o rm o d ed e p e n d i n go nt h eu n d e rl a y e rf u n c t i o no ft h er e a d w r i t es y s t e m d a t a c o l l e c t e dc a nb es t o r e di nt h eu - d i s ki nt h ef i l ef o r mv i at h eu s bi n t e r f a c e ，w h i c hr e a l i z e st h e d a t am o b i l es t o r a g ef u n c t i o n t h et e s tr e s u l t sd e m o n s t r a t et h a tt h eh o ts w a p p i n gi ss u p p o r t e d b yt h eu d i s kr e a d - w r i t es y s t e m ，a n dt h ed e s i g n e ds y s t e mc a nr e c o g n i z ea n dc o n f i g u r et h e u - d i s k i ti ss h o w nt h a tt h es y s t e mc a l lr e a da n dw r i t ed a t ao ft h eu d i s ki nt h eu n i to fb y t e a n ds e c t o rs t a b l ya n di tc a l la l s oc a r r yo u ts e v e r a lf i l eo p e r a t i o n si n c l u d i n gf i l e - b u i l d i n g ， f i l e d e l e t i n g ，a n df i l e e n u m e r a t i n g a sw e l la s f i l e - o p e n i n g ，f i l e r e a d i n g w r i t i n g a n d f i l e - c l o s i n ga n ds oo i l t h eu - d i s kr e a d w r i t es y s t e mb a s e do nd s pu s e st h eu - d i s ka sam o b i l ed a t as t o r a g e d e v i c e ，a n di tc a nb ew i d e l yu s e di nt h ee m b e d d e ds y s t e m sw h i c hn e e dn o n p e r i o d i c a l l y i n t e r a c t i v ed a t a 、i t ht h ec o m p u t e r , w h i c hm a k e si tp o s s i b l et oh a v eag o o du t i l i t yv a l u ea n d a p p l i c a t i o np r o s p e c t k e yw o r d s ：d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ，u n i v e r s a ls e r i a lb u s ，u d i s k ，m o b i l es t o r a g e ，f a t 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 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围石油 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：【作的同j 盘 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： 吼叩年月矽同 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 指导教师签名： 日期：叫年 隅沙刁年 n 同 刁刀， 月 月 r f 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 1 课题研究背景 第1 章前言 随着气田开发从大型集中分布的油气田转向小型边际及卫星气田，以及气田开采时 间的延长，许多气井产出物中伴有液态烃和水，这样的天然气称之为凝析天然气。凝析 天然气是指以气相为主，液相( 将凝析的液态烃和水看作一相) 含率( 体积含率) 小于 1 0 条件下的气井产出物【l 】。 凝析天然气流量计量属于特殊的两相流量计量范畴，传统计量方式是将若干口井的 产出物集中到计量站，然后控制各井产出物分时通过计量分离器，再对分离后的气相和 液相分别进行计量，属于单相计量的范畴。这种计量方式工艺流程复杂、占用空间大、 造价昂贵并且难以实现气井原始数据的实时记录。采用两相分离器只能对气液进行初步 分离，天然气中含有饱和烃油分，液相中含有溶解气，严重影响了计量精度。由于计量 分离设备体积庞大、成本高并且需要建立专门的计量站和测试管线，在地理位置偏僻、 环境恶劣、电力设施缺乏的环境下，建设分离计量站是很不现实的【2 1 。 另外，随着气田开发重点向西部以及海上转移，用一种流量在线不分离计量仪表取 代造价昂贵、占用空间大的计量分离器成为降低气田开发成本的重要手段之一。因此， 凝析天然气流量计量仪表的研发显得尤为重要。 1 2国内外研究现状及研究目的 1 2 1 凝析天然气流量计量方法及研究现状 目前，凝析天然气流量的计量主要围绕流体流速、体积流量、相浓度、质量流量等 生产过程参数进行，这些参数的在线测量对生产过程的计量管理、控制和运行可靠性具 有重大意义。根据计量过程中是否对气液两相流体进行分离，可以把现有的气液两相流 体流量计量方法分为两类：分离法和非分离法【3 ，4 】。 传统的分离法的原理是通过阀组对来流进行选择计量，被选中的流体进入计量分离 器，入口分流器使流体流向及流速突然发生变化，并在重力和离心力的作用下，使气体 与液体分离，然后再分别计量气液两相的流量。此方法的优点是测量精度较高、测量结 果可靠、测量过程不受流型变化的影响等，但缺点是分离设备体积庞大、价格昂贵，并 需建立专门的计量站和测试管线。另外，此方法只能对气液进行初步分离，分离后的天 第1 章前言 然气中还含有饱和轻油分，尤其是液体中还含有溶解气，故实际上对提高测量精度的作 用是有限的【4 1 。 近年来出现的“部分分离法 通过提取少量凝析天然气( 5 2 0 ) 加以气液分离， 并测定气液各相的百分含量，通过计算获得气液各相的流量。该方法虽然在一定程度上 能够缩小分离器的体积，并且降低了两相流流量测量的难度，但是仍然存在着分离法的 其它缺点。 非分离法是在管线上不对凝析天然气做任何分离的情况下，直接测量各相的比例和 流量。近年来受工业生产发展的影响，气液两相流在线不分离测量技术得到了迅猛发展， 但是凝析天然气流量计量的复杂性使得大多数流量计量技术仍局限于实验室，为数极少 的商业化流量计量仪表在工业应用中仍有很大的局限性，造价昂贵，精度有限。非分离 式流量计量的基本方法有：节流法、相关测量技术、过程层系成像技术、涡轮流量计法、 容积法、激光多普勒法、核磁共振法、质量流量计法、p w 法、热线热膜风速仪等【5 1 。 从8 0 年代初至今，各国的石油公司和研究机构已在研究与开发上投入了大量的人 力、物力、财力来设计制造凝析天然气流量计。国内对凝析天然气流量计的研制还处于 起步阶段，所推出的产品样机存在着不少问题，未能达到商用仪表的要求，还没有研制 出真正的凝析天然气流量计。国外能够提供凝析天然气流量计的厂商也非常有限，公开 声称能够用于凝析天然气流量计量的流量计为数极少，大多数产品或者正在进行现场试 验或者还处在实验室研发和改进阶段【l 】。 总之，现有的凝析天然气流量计实际能达到的计量精度和适用的范围都有一定的限 制。凝析天然气流量计的品种、规格、准确度和可靠性尚不能满足生产要求，有待发展 有效的计量手段。就凝析天然气流量计的开发来说，对现有的传感器结构进行优化，结 合数字信号处理技术和流动模型，以软件功能的完善补充硬件功能的不足是一个值得关 注的研究方向【6 。 1 2 2 课题研究目的 目前，凝析天然气流量计量仪表主要是基于p c 机的流量计量仪表和以单片机为核 心的流量计量仪表。前者是将一次仪表的检测数据直接传送到计算机，由计算机机进行 数据处理。其优点是可进行复杂的数据分析和控制，增加了灵活性，节省了时间。但缺 点是容易发生系统崩溃，有可能让企业蒙受巨大的损失。其次，体积过大，冗余较多、 功耗大；后者的优点是体积小、价格低廉、功耗低、控制准确等，但其功能和资源十分 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 有限，只能简单测量单参数或少数几个参数，无法对流量计量中复杂的数据进行实时处 理，尚不能满足油田实际生产的需要【引。 现以d s p 为核心研发一套既能完成气井流量在线实时计量又能实现其原始数据记 录的凝析天然气流量计量仪表。由于d s p 具有高速的数据运算能力、良好的稳定性、 功耗低、体积小的优点，因此，用d s p 器件替代p c 机和单片机完成凝析天然气流量计 量仪表设计是最好的方法。基于d s p 的凝析天然气流量计量仪表可以在线实时测量天 然气、凝析油、水的流量，可以实现其原始数据的记录及移动存储，可以减少流量计量 所需的空间和质量，允许新开发的油井捆绑在现有平台上，并可以将现有的计量分离器 改为生产分离器使用，以便用于海洋、沙漠、极地以及其它边远地区油气田的开发建设 和老气田的技术改造。 1 3 课题主要研究内容及主要工作 本课题研究的主要内容是凝析天然气流量计量仪表的设计与完善，重点是基于d s p 的u 盘读写系统的实现，并在设计过程中对仪表硬件电路设计不合理的地方加以改进。 本课题的主要工作包括以下几个方面： ( 1 ) 电源切换电路方案的选取以及u s b 2 0 接口控制芯片的选型； ( 2 ) 完成仪表电源切换电路的设计，实现对仪表的d s p 系统r a m 的断电保护； ( 3 ) 研究u s b 协议规范、u 盘相关协议、f a t 文件系统和u s b 主机系统的设计 方法。掌握c h 3 7 5 芯片的内部结构、原理及其外围电路的设计方法； ( 4 ) 使用t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2d s p 芯片、c h 3 7 5u s b 接口控制芯片和单片机8 9 c 5 4 r d 芯片构建u 盘读写系统的硬件平台，完成u 盘读写模块和d s p 与u 盘读写模块接口电 路的设计： ( 5 ) 进行u 盘读写系统软件设计与调试，分别实现了字节模式和扇区模式的u 盘 文件级数据读写，将采集的数据通过u s b 接口以文件的形式存储到u 盘中，从而实现 数据的移动存储功能； ( 6 ) 对仪表的硬件电路进行完善和改进，完成存储器扩展电路的设计： ( 7 ) 将系统各功能模块( a d 采集、数据处理、流量计算、液晶显示、键盘控制、 数据压缩、数据移动存储等) 进行软件组合，仪表基本成型； ( 8 ) 反复运行系统，研究运行时系统出错、仪表误操作的各种情况，并对其作出 相应的处理，对整个系统进行修正。 3 第1 章前言 点。 其中，( 4 ) 和( 5 ) 部分是本课题研究的重点，更是设计的难点，也是课题的创新 1 4 课题研究意义 开展此课题的研究工作，可以替代昂贵、笨重的计量分离器，进一步简化生产流程； 可以实现在线连续监测和计量，提供更加实时的信息；可以省掉目前计量分离器的巡检 等工作，为减员增效，降低开采成本提供保证。 其次，用d s p 实现的计量仪表与用p c 机实现的计量仪表相比，具有体积小、重量 轻、便于携带和搬运、功耗小等优点。该仪表可通过u s b 接口将采集的数据以文件形 式存储到u 盘，快速便捷的获取数据并带到数据分析中心进行必要的分析，以掌握气井 运行的规律，对提高气井的科学管理水平以及操作决策的最优化等方面具有重要意义。 凝析天然气流量计量技术是实现油气田生产自动化的关键，但由于两相流动的复杂 性，凝析天然气流量计量问题仍没有很好的解决，本课题的研究正是适应了凝析天然气 流量计量的需求，为凝析天然气流量计量仪表的实用化奠定了坚实的基础。 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第2 章凝析天然气流量计量仪表总体方案设计 2 1 计量过程介绍 本系统对凝析天然气的气相和液相流量进行计量，系统结构原理图如图2 1 所示。 系统总体上由两部分组成：信号采集部分和流量计量部分。虚线框内是信号采集部分， 包括两个节流装置5 、6 ，压力变送器l 、温度变送器4 、上游微差压变送器2 和下游差 压变送器3 。它主要完成测量凝析天然气压力p 、温度t 以及流体通过双孔板时所产生 的两个差压信号p d l 和p d 2 ，并将这四路信号调理成标准信号输入流量计量部分。流量 计量部分是本课题研究的主要内容。 流量计量的工作过程如下：首先将变送器送来的四路标准模拟信号( 两相流压力、 温度以及流体流过双节流装置时产生的两个差压信号) 输入到流量计量部分，通过模数 转换模块将每路模拟信号转换成数字信号，然后d s p 对数据进行预处理，再根据实验 确定的算法来计算流量，并将计算出的结果在液晶显示器上实时在线显示。在实际工作 过程中，可以根据需要将所采集到的数据通过u s b 接口存入移动存储设备，便于进行 分析和处理。 圈= 磊： 图2 - 1 两相流计量过程结构图 f i 9 2 1 t w op h a s ef l o wm e a s u r i n gs y s t e mb l o c kd i a g r a m 2 2 数据存储方案选择 本仪表利用u s b 总线和u 盘实现数据的移动存储。在确定此方案之前，还比较了 以下三种设计方案： ( 1 ) 通过现场总线把仪表连接到计算机，实现气井原始数据的实时存储1 9 , 1 0 。此方 5 。i ：严 第2 章凝析天然气流量计量仪表总体方案设计 案可以实现大容量数据存储，但离不开计算机支持； ( 2 ) 通过微处理器的外扩f l a s h 实现数据存储。当数据存满以后，用便携机通过 r s 2 3 2 读取数据【1 1 1 。这种设计方案虽然简单，但是每次读取数据时都要利用便携机， 且f l a s h 的存储容量十分有限； ( 3 ) 仪表在井口采集数据，通过无线通信把数据发送到基站，利用计算机实现数 据的实时存储【1 2 1 。缺点是无线传输距离有限，且仪表发射端的耗电量大；无线传输基站 的设计、建设成本高，开发周期长。 由前面介绍的油气田实际情况可知：以上三种方案都不能很好地满足现场需要。目 前，采用u s b 和u 盘来实现气井数据的移动存储是本仪表的最佳设计方案。原因是： u 盘体积小、功耗低、容量大且支持带电插拔，方便巡井人员使用、携带。如果事先从 计算机向u 盘中写入数据，在u 盘插入仪表后，处理器还可先读出u 盘中的数据，实 现数据处理算法的自适应修改。u 盘具有良好的通用性，它的使用可以不局限于单一主 机，为数据的采集存储提供了一种方便、廉价的媒介。另外，它的抗震性和稳定性也为 在特殊环境中数据的可靠存储提供了保i , l - f t l 3 , 1 4 】。 2 3u s b 接口控制芯片选型 现在市场上u s b 设备接口芯片很多，但是综合考虑到仪表成本以及开发的难易程 度，最终选择了c h 3 7 5 接口芯片。其引脚分布和封装形式如图2 2 所示，各引脚具体说 明如表2 1 所示。 删v r s 几a 群 w r 擎硎 r d 学r s r a c r dg n c 所 a 0d 6 v 3d 5 册 d 4 v dd b g md 口 x ld l x 0d o i 封装形式素体宽度引脚间距封装说明 s o p 一2 87 6 2 3 0 0 m i l1 2 7 r a m5 0 r a i l标准的2 8 脚贴片 图2 - 2c h 3 7 5 封装图 f i 醇- 2 t h ep a c k a g i n gc h a r to fc h 3 7 5 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 表2 - 1c h 3 7 5 芯片引脚说明 t a b l e 2 - 1t h ep i nd e s c r i p t i o nf o rc h 3 7 5 引脚号引脚名称 类型 引脚说明 2 8v c c电源 正电源输入端，需要外接0 1 u f 电源退耦电容 1 2 、2 3g n d 电源公共接地端，需要连接u s b 总线的地线 在3 3 v 电源电压时连接v c c 输入外部电源，在5 v 电 9v 3 电源 源电压时外接容量为0 0 1 u f 退耦电容 1 3 x 1 输入 晶体振荡的输入端，需要外接晶体及振荡电容 1 4x 0 输出晶体振荡的反相输出端，外接晶体及振荡电容 1 0u d +u s b 信号 u s b 总线的d + 数据线 llu d u s b 信号u s b 总线的d 据线 2 2 1 5d 7 一d 0 双向三态8 位双向数据总线，内置上拉电阻 4删 输入 读选通输入，低电平有效，内置上拉电阻 3w r 撑输入 写选通输入，低电平有效，内置上拉电阻 2 7c s 撑输入 片选控制输入，低电平有效，内置上拉电阻 li n t 撑 输出在复位完成后为中断请求输出，低电平有效 地址线输入，区分命令口与数据口，内置上拉电阻，当 8a 0 输入 a 0 = - i 时可以写命令，当a 0 = 0 时可以读写数据 在内置固件的u s b 设备方式下是u s b 设备配置完成状 2 4a c t 撑 输出态输出，低电平有效。对于c h 3 7 5 芯片，在u s b 主机 方式下是u s b 设备连接状态输出，低电平有效 仅用于u s b 主机方式，设备方式只支持并口，在复位 输入期间为输入引脚，内置上拉电阻，如果在复位期间输入 5t x d 输出 低电平那么使能并口，否则使能串口，复位完成后为串 行数据输出 6r x d输入 串行数据输入，内置下拉电阻 2r s t i 输入外部复位输入，高电平有效，内置下拉电阻 2 5r s t 输出电源上电复位和外部复位输出，高电平有效 2 6r s t 撑输出 电源上电复位和外部复位输出，高电平有效 7n c空脚 空脚，必须悬空 c h 3 7 5 是一个u s b 总线的通用接口芯片，支持u s b h o s t 主机方式和 u s b d e v i c e s l a v e 设备方式。在本地端，c h 3 7 5 具有8 位数据总线和读、写、片选 控制线以及中断输出，可以方便地挂接到单片机d s p m c u m p u 等控制器的系统总线 上。在u s b 主机方式下，c h 3 7 5 还提供了串行通讯方式，通过串行输入、串行输出和 7 第2 章凝析天然气流量计量仪表总体方案设计 中断输出与单片机d s p m c u m p u 等相连接。 c h 3 7 5 的u s b 主机方式支持常用的u s b 全速设备，外部单片机d s p m c u 小口u 等可以通过c h 3 7 5 按照相应的u s b 协议与u s b 设备通讯。而且，外部单片机等可以直 接调用子程序库读写u 盘中的文件数据。 另外，c h 3 7 5 还内置了处理m a s s s t o r a g e 海量存储设备的专用通讯协议的固件，可 以直接以扇区为基本单位读写常用的u s b 存储设备，例如u s b 闪存盘、u 盘等。 c h 3 7 5 芯片的特点为：低速和全速u s b h o s t 主机接口，兼容u s b2 0 ，外围元器 件只需要晶体和电容；低速和全速u s b 设备接口，支持动态切换主机与设备方式；主 机端点输入和输出缓冲区各6 4 字节，支持1 2 m b p s 全速u s b 设备和1 5 m b p s 低速设备； 支持u s b 设备的控制传输、批量传输、中断传输；自动检测u s b 设备的连接和断开， 提供设备连接和断开的事件通知；内置控制传输的协议处理器，简化常用的控制传输； 内置固件处理海量存储设备的专用通讯协议，支持b u l k o n l y 传输协议和s c s i 、u f i 、 r b c 或等效命令集的u s b 存储设备( 包括u s b 硬盘u s b 闪存盘巾盘u s b 读卡器) ； 通过u 盘文件级子程序库实现单片机读写u s b 存储设备中的文件；并行接口包含8 位 数据总线，4 线控制：读选通、写选通、片选输入、中断输出；串行接口包含串行输入、 串行输出、中断输出，支持通讯波特率动态调整；支持5 v 电源电压和3 3 v 电源电压， 支持低功耗模式；采用s o p 2 8 无铅封装1 1 5 , 1 6 。 2 4 凝析天然气流量计量仪表总体设计方案 根据仪表要实现的功能和要求，对其进行模块化分析，完成了总体方案设计。本方 案是以t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 和c h 3 7 5 芯片为核心，软件侧重于u 盘文件级数据读写的实现。 仪表总体设计方案如图2 3 所示。 系统核心处理器选用t i 公司的t m s 3 2 0 c 5 0 0 0 系列1 6 位定点d s p 芯片 t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 ，外部扩展6 4 k x1 6 b i t 的数据存储器和2 5 6 k 1 6 b i t 的程序存储器， 数据采集模块选用t i 公司的4 路1 6 位模数转换芯片a d s 8 3 4 1 。显示器选用型号为 c 1 2 8 6 4 1 的l c d 液晶显示器。电源部分主要是电源切换电路的设计，以实现在实验当 中对随机存储器r a m 中的数据进行不掉电保护。u s b 串行通信接口的控制芯片选用 c h 3 7 5 ，以实现基于d s p 处理器的u 盘读写系统。由于核心处理芯片t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 内部只有4 k 字的r o m 和1 6 k 字的d r a m ，因此必须在外部扩展f l a s h 存储器，实 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 现系统的独立运行【1 7 - 1 9 1 。在硬件设计时选用s s t 公司容量为2 5 6 k 字的f l a s h 存储芯 片s s t 3 9 v f 4 0 0 a ，使用其中的6 4 k 字作为外部扩展的数据存储器。选用c y p r e s s 公司 容量为2 5 6 k 字的s r a m 存储芯片c y 7 c 1 0 4 1 v 3 3 ，作为外部扩展的程序存储器。系统 上电启动时，利用d s p 片内的b o o t l o a d e r 程序将存储在外部f l a s h 中的程序代码加载 到外部扩展程序存储器或内部数据存储器中运行，实现系统的独立运行【2 0 ，2 1 1 。 2 5电源电路 三 pp d lp d 2 t 图2 - 3 流量计量仪表结构框图 f i 9 2 3 t h ef l o wm e a s u r i n gd e v i c eb l o c kd i a g r a m 7 图2 - 4 仪表电源电路图 f i 9 2 - 4t h ep o w e rs u p p l yc i r c u i to fm e t e r 本仪表中除了d s p 以外其他器件工作电压为5 v 和3 3 v ，所以采用5 v 电源供电。 v c 5 4 0 2 所需要的工作电压是1 8 v 内核电压( c v d d ) 和3 3 vi o 电压( d v d d ) ，并且 d s p 对这两种电源家电次序也有要求，理想情况下，d s p 芯片上的两个电源同时加电， 但是在很多场合很难做到。如果不能同时加电，应先对c v d d 加电，然后对d v d d 加电。 其原因在于：如果只有内核获得供电，周围i o 没有供电，对芯片是不会产生任何损害 9 第2 章凝析天然气流量计量仪表总体方案设计 的，只是没有输入输出能力而已；如果相反，周边i o 得到供电而c p u 内核没有供电， 那么芯片缓冲驱动部分的三极管将在一个未知状态下工作，这是非常危险的。在此采用 t i 公司提供的d s p 专用电源芯片t p s 7 3 h d 3 1 8 来构建电源电路，实现5 v 向3 3 v 和1 8 v 的电压转换，同时也避免了上电次序的问题。 t p s 7 3 h d 3 1 8 是一种双输出稳压器，在一个芯片上有两个独立的稳压器，可分别为 d s p 的i o 电源和内核电源供电。该芯片输入电压为3 9 7 v 1 0 v ，输出电压：一路为3 3 v ； 一路为1 8 v 。每路输出的电流最大值为7 5 0 m a 。电路原理图如图2 - 4 所示。 2 6 电源切换电路 在凝析天然气流量计量仪表的实际使用中需要对内部存储器r a m 中的数据进行不 掉电保护，即在主电源突然断电的情况下自动切换到备用电池对r a m 继续供电，这样 r a m 中的数据就不会丢失。 1方案选择 电源之间的切换过程应该尽量避免用户干预、保证能量损失最少，具体设计中要避 免在电池供电回路中插入串联元件。因为当电池电压较低时，串联元件将会在电流回路 中引起额外的电压降，从而降低总体转换效率，减小电池电流回路中的电阻可有效延长 电池使用时间。当插入墙上适配器时，任何由电池供电的d c d c 电路应从电池中吸取 电流最小( 最好为零) 。交流电源供电时，系统需防止对电池的反向充电，除非充电是 被一个充电电路所控制。以下提出符合上述要求的几种电源转换设计方案。 ( 1 ) 采用二极管隔离电源切换电路 电源切换最简单的方法是利用两个肖特基二极管来隔离两种电源。如图2 5 所示。 图2 - 5 用二极管隔离电源切换电路 f i 9 2 - 5t h ed i o d ei s o l a t e dp o w e rs w i t c h i n gc i r c u i t 该方案设计简单，占用p c b 板面积小。但它存在两个缺点：d 2 的正向电压( 大约 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 为0 4 v ) 降低d c d c 的输出电压，如果输出电压低于启动电压，该方案将不适用。另 外，d 2 的正向电压也浪费电池的功率，二极管d 2 所耗散的功率等于负载电流乘以正向 压降【2 2 , 2 3 】。 ( 2 ) 采用m o s f e t 开关电源切换电路 在图2 - 6 所提供的方案中，用一个p 沟道m o s f e t 代替图2 5 中的二极管d 2 。去 掉墙上适配器时，m o s f e t 导通，电池向负载供电；当插入墙上适配器时，m o s f e t 的栅极电压高于其源极电压，处于关断状态，从而切断电池与负载的连接。 m o s f e t 的导通电阻依赖于它的栅极偏置。当去掉墙上适配器时，m o s f e t 的栅 极电压为零，源极为电池电压。m o s f e t 的导通电阻应在此偏压下足够低，保证在最大 负载电流下能够获得所期望的输出电压，因此，应尽量选用低阀值m o s f e t 2 3 , 2 4 1 。 图2 石采用m o s f e t 的电源切换电路 f i 9 2 - 6 t h em o s f e tp o w e rs w i t c h i n gc i r c u i t ( 3 ) 采用普通模拟元器件电源切换电路 在图2 - 7 所提供的方案中，只使用普通的模拟元器件来实现电源切换。d l ，r 7 0 ， r 7 1 ，q 3 3 和q 3 2 实际上构成了一个电源低电压检测和控制电路。主电源正常供电时，d l 正常导通，这样在r t o 上产生1 v 多的电压。此电压通过r 7 l 使q 3 2 的b e 结导通。所以 q 3 2 处在全导通状态，其集电极c 的电压近似为0 v 。这样，q 3 3 的b e 结也导通，q 3 3 也处于全导通状态。此时v d = v c c ，此时负载由电源供电。同时v c c 通过风7 和d 2 对 电池进行充电【2 5 1 。 对三种电路进行反复测试后发现前两种电源切换电路存在一个共同的问题：外部电 源接通或断开时存在接触抖动效应，导致电源线上电压产生较大的波动，均不适合作凝 析天然气流量计量仪表的电源切换电路。 最后采用如图2 7 所示的电源切换电路设计方案，即只使用普通的模拟元器件来实 现，经过反复测试后证明该电路工作稳定可靠。 11 第2 章凝析天然气流量计量仪表总体方案设计 图2 - 7 采用普通模拟元器件电源切换电路 f i 9 2 - 7t h ec o m m o na n a l o gc o m p o n e n t sp o w e rs w i t c h i n gc i r c u i t 2电路分析与调试 ( 1 ) 关闭主电源的瞬间 外部+ 5 v 电源刚被关闭的时候，电源电压从+ 5 v 开始下降，当电压降到约4 2 v 时， d l 截止，r 7 0 上的电压失去，q 3 2 失去b e 结导通电压，因而也进入截止状态。同样道 理，q 3 3 也立即截止，v c c 就无法通过q 3 3 ，此时负载部分改由电池通过r 7 4 供电。c l s 为1 0 0 0 u f 的大电容，q 3 3 截止的瞬间对负载部分的供电实际由此电容承担，待此电容上 的电压缓缓降到和电池电压一样高时，电池才真正开始对外供电。这样做的目的是利用 大电容电压稳定性来保证负载部分电源端电压的稳定。 所以，在关闭主电源后的瞬间，且p + 5 v 电源从+ 5 v 降n + 4 2 v 后，就与负载部分隔 离了，主电源电压波动就无法作用到被保护芯片的电源端上了。 ( 2 ) 打开主电源的瞬间 在打开主电源后，+ 5 v 主电源电压的波形如图2 8 所示。在图2 8 中可见，打开主 电源后，+ 5 v 电源电压实际上也是一个渐升的过程，而且伴随着此过程有波动，此波动 同样对被保护芯片的数据有破坏作用。然而由于d l3 9 v 稳压管的存在，外部+ 5 v 电源 电压在渐升n + 4 2 v 之前是无法使d l 导通的，也就是无法使q 3 3 导通，负载部分仍由电 池稳定供电。只有当主电源超过“2 v 后，q 3 3 才进入全导通状态，从而外部+ 5 v 电源 才取代备用电池对负载供电。 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 斟 5 v 4 2 v 广 厂 ， 。 时间 图2 - 8 主电源电压波形图 f i 9 2 - 8 t h ev o l t a g ew a v e f o r mo fm a i np o w e r 所以在打开主电源后，在外部+ 5 v 电压尚未稳定的瞬间，主电源也被与负载部分的 电源端隔离了。示波器实测负载电源端在开关主电源的瞬间电压波形如图2 - 9 所示。 开主电源 关主电源 时间 图2 - 9 负载电源端电压波形图 f i 9 2 9 t h ev o l t a g ew a v e f o r mo fl o a d - s i d ep o w e r 通过以上对电源切换电路中电源部分的分析，可见在此电路中，d l 和r t o 构成了一 个电源低电压检测电路，它对主电源电压敏感，一旦发现主电源电压较低，就引发电源 切换。实践证明，此电路在频繁地开关电源时，工作稳定可靠，能很好地保护r a m 。 2 7 复位电路 由于d s p 系统需要较高频率的时钟信号，在运行过程中极容易发生干扰现象，严重 时可能会造成系统死机，导致系统无法正常工作。目前，解决这个问题的最好的方法是 采用具有监视功能的自动复位电路，它可以在系统出现故障或死机时实现自动复位。 同时，为了使用户可以根据自己的需要而复位系统，在自动复位的基础上，还应该 添加手动复位，这样既实现了手动复位和上电复位，又能够监视系统的运行而进行自动 复位。 在进行复位电路的设计时，一般应该注意两方面的问题：一方面应确保复位低电平 的时间足够长( 一般需要2 0 m s 以上) ，保证d s p 能够可靠的实现复位；另一方面应该保 1 3 第2 章凝析天然气流量计量仪表总体方案设计 证稳定性良好，防止d s p 出现误复位。一般应保证复位输入端的低电平至少持续6 个时 钟周期【2 6 1 。 m a x 7 0 6 r 是一种能够与具有3 3 v 工作电压的d s p 芯片相匹配的自动复位电路，由 该电路确保在系统加电过程中，在内核电压和外围端口电压没有达到要求之前，d s p 芯 片始终处于复位状态，直到内核电压和外围端口电压达到所要求的电平值。同时如果电 源电压一旦下降到门限值以下，则强sj j d s p 芯片进入复位状态。并且能够监视系统的运 行，在系统出现异常或死机时，能够实现自动复位。其具体实现方法如图2 1 0 所示。 v “ 手动复位 2 8 数据采集电路 图2 1 0 自动复位电路 f i 9 2 1 0a u t o m a t i cr e s e tc i r c u i t a d s 8 3 4 1 符合s p i 通信协议，而v c 5 4 0 2 的m c b s p 时钟停止模式与s p i 协议兼容， 可以将a d s 8 3 4 1 与m c b s p 直接相连。串行接口方式不仅充分利用了d s p 片上资源， 占用d s p 较少的资源，而且由于采用较少的信号线，降低了功耗。 a d s 8 3 4 1 包括3 个控制输入端：片选端( c s ) 、时钟输入端( d c l k ) 、数据输入 端( d i n ) ，转换结果由数据输出端( d o u t ) 给出【1 8 】。 利用m c b s p 0 与a d 进行通信，两者的连接如图2 1 l 所示，m c b s p 0 作为主设备向 a d s 8 3 4 1 提供串行时钟、命令和片选信号。a d s 8 3 4 1 基准电压v r e f 可以在5 0 0 m v v c c 之间变化，相应的输入电压( 被转换电压) 的范围必须在0 - v r e f 之间。本系统a d 工作 电压为3 3 v ，参考电压为3 3 v ，c h 0 - - c h 4 输入模拟信号为4 2 0 m a 的标准电流信号， 选用15 0q 的标准电阻，将输入电流信号转换成o 乱3 0 v 的电压信号，以满足输入电压 的范围要求。 1 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 图2 1 1a d s 8 3 4 1 与m c b s p 0 连接 f i 9 2 1 1 t h ei n t e r f a c eo fa d s 8 3 4 1a n dm c b s p 0 2 9 液晶显示接口电路 图2 - 1 2 液晶显示接口电路 f i 9 2 1 2 l c di n t e r f a c ec i r c u i t 液晶显示模块( l c m ) c 1 2 8 6 4 1 采用8 位数据总线和6 条控制线与c p u 接口【2 7 1 ，如图 第2 章凝析天然气流量计量仪表总体方案设计 2 1 2 所示，d s p 的a o a 4 控制l c m 的r s 、c s l 、c s 2 、r w 、e ，用于给l c m 七种指令提 供操作时序：d s p 的数据线d o d 7 与l c m 数据线连接；调节滑动电阻r 1 可以调节液晶 显示对比度。 在d s p 与l c m 的接口上存在两个问题，一是l c m 是5 v 设备，而d s p 工作电压为3 3 v ， 如果两者直接连接，可能会对3 3 v 系统造成损害：二是d s p 时钟频率高，而l c m 的e 信 号高低电平持续时间必须大于4 5 0 n s ，这样l c m 难以与d s p 同步，可能会导致数据的丢 失。针对以上问题，本系统在d s p 与l c m 的接口之间使用s n 7 4 h c 2 4 5 n 进行电平转换和 数据隔离缓冲，同时在软件设计方面根据两者的时序，在程序中加入d s p 等待状态周期， 延长d s p 输出信号的持续时间。 2 1 0 键盘接口电路 本系统选用4 x 4 的矩阵贴膜按键，按键处于行列的交点上，通过行列电平的变化来 识别按键，将v c 5 4 0 2 的m c b s p l 配置为通用i o 口来检测键盘。m e b s p l 与键盘的连接如 图2 1 3 所示，v c 5 4 0 2 的b d r l 、b c l k r l 、b f s r l 、i n t l 接矩阵键盘的行线，配置为输 入：b d x l 、b f s x l 、b c l k x l 、g n d 接键盘列线，配置为输出。 3 v 图2 1 3 键盘接口电路 f i 9 2 - 1 3k e y b o a r di n t e r f a c ec i r c u i t 2 1 1存储器的