（信息与通信工程专业论文）基于tms320vc5509a的湿气流量计量单元研制.pdf

摘要 气液两相流是工业领域中一种常见的流动形态。作为气液两相流的一种，湿气广泛 存在于石油、化工、能源等各个行业，因此湿气流量井口计量也变得日益重要。为此我 们研究了湿气流量计量系统，本课题设计了湿气流量计量单元，以配合计量系统实现湿 气流量井口计量。 在对计量单元功能需求分析的基础上，选用d s p 芯片t m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 a 为主处理 器，应用a l t i u md e s i g n e r 6 7 绘图软件实现了电源电路、数据采集电路、基准电压电路、 实时时钟电路、存储器扩展电路、人机接口电路、u s b 主机电路及c p l d 接口电路的 原理图设计，并绘制了p c b 板。 在c c s 2 2 开发平台上应用c 语言进行计量单元软件设计，编程实现了数据采集模 块、键盘模块、液晶显示模块、实时时钟模块及数据存储模块的基本功能。在q u a r t u s i i 9 0 编译环境下应用v h d l 语言编程实现了c p l d 程序设计。应用汇编语言编写了二次 引导程序，采用1 6 位并行异步存储器加载方式，实现计量单元上电自动运行。 该计量单元体积小、重量轻、功耗低、数据存储容量大，使用方便，易于推广应用。 关键词：湿气，流量计量，t m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 a ，c p l d ，二次引导 d e v e l o p m e n t o fw e tg a s f l o wm e a s u r e m e n t u n i tb a s e do nt m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 a z h o n gm i n g s e n ( 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 g a s l i q u i dt w o p h a s ef l o wi sac o m m o nf l o wp a t t e r ni ni n d u s t r i a la r e a a sak i n do f g a s l i q u i dt w o p h a s ef l o w , w e tg a se x i s t sw i d e l yi nm a n y f i e l d ss u c ha sp e t r o l e u m ，c h e m i c a l i n d u s t r y , e n e r g ya n do t h e ri n d u s t r i e s ，s ow e tg a sf l o wm e a s u r e m e n ta tw e l lh e a di sb e c o m i n g i n c r e a s i n g l yi m p o r t a n t t h u sw e tg a sf l o wm e a s l l r e m e n ts y s t e mi ss t u d i e d ，a n dw e tg a sf l o w m e a s u r e m e n tu n i ti sd e s i g n e di nt h i ss u b j e c t ，t h e nw e tg a sf l o wm e a s u r e m e ma tw e l lh e a di s a c h i e v e d b a s e do nt h ea n a l y s i so fw e tg a sf l o wm e a s u r e m e n tu n i t sf u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t s ， t m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 aw a sc h o s e na st h em a i np r o c e s s o r , a n dt h es c h e m a t i cd i a g r a m so fp o w e r c 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 ，r e f e r e n c ev o l t a g ec i r c u i t ，r e a lt i m ec l o c kc i r c u i t ，m e m o r y e x p a n s i o nc i r c u i t ，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 ti n t e r f a c ec i r c u i ta n dc p l d i n t e r f a c ec i r c u i tw e r ed e s i g n e d ，a l s op c bp a n e lw a sd r a w n t h ef l o wm e a s u r e m e mu n i ts o f t w a r ew a sd e s i g n e db yu s i n gcl a n g u a g eo nc c s 2 2 d e v e l o p m e n tp l a t f o r m ，a n dt h eb a s i cf u n c t i o n so fd a t aa c q u i s i t i o nm o d d e ，k e y b o a r dm o d u l e ， l i q u i dc r y s t a ld i s p l a ym o d u l e ，r e a lt i m ec l o c km o d u l ea n dd a t as t o r a g em o d u l ei sa c h i e v e db y p r o g r a m m i n g c p l dp r o g r a md e s i g nw a sa c h i e v e db yu s i n gv h d ll a n g u a g ei nq u a r t u si i 9 0c o m p i l i n ge n v i r o n m e n t a s s e m b l el a n g u a g ew a su s e dt ow r i t es e c o n db o o tl o a d e r , a n d 16 - b i tp a r a l l e la s y n c h r o n o u sm e m o r yl o a d i n gm o d ew a sa d o p t e dt oa c h i e v ea u t o m a t i cr u n a f t e re n e r g i z a t i o n t h ew e tg a sf l o wm e a s u r e m e mu n i ti ss m a l la n dl i g h t ，a n di t sp o w e rc o n s u m p t i o ni sl o w , a l s oi t sd a t as t o r a g ec a p a c i t yi sl a r g e s i n c ei ti se a s yt ou s e ，i ti se a s yt op r o m o t e k e y w o r d ：w e tg a s ，f l o wm e a s u r e m e m ，t m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 a ，c p l d ，s e c o n db o o tl o a d e r 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：斟塑勉 日期：护，护年占月， 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 指导教师签名： 日期：如f 口年多月日 日期：0 ，i o 年g 月日 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 1 课题背景与来源 第1 章绪论 湿气是指液态烃、水蒸气、游离水等组分的含量显著高于管道输送要求的天然气。 经部分处理的天然气或未经处理的井口气及油田伴生气都属于典型的湿气范畴。湿气以 甲烷为主要成分，还有乙烷及其它烃类、水蒸气及其它气体、游离水、重烃等【1 1 。 在气田开采过程中，湿气计量存在于从单井开采到多井集输、净化处理、增压输送 的各个过程中。由于单井产量计量直接关系到开采方的经济利益，而且油气田管理方依 据单井的计量数据有助于掌握气井生产能力、生产状况，提高气藏控制和管理水平，并 且单井计量准确度涉及贸易交接计量，因此，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【2 】。 目前，在海洋、极地、沙漠以及其它边远地区油气田的开发建设和老气田的技术改 造中，对简化工艺流程、降低生产成本，提高气藏和气井的科学管理水平以及操作决策 的最优化等方面都提出了更高的要求【3 1 。所以，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湿气各相流量就显得尤为重要，本课题旨在研发出一种既能完成 单口气井流量在线实时计量又能实现其原始数据记录的体积小、低功耗、可靠性高的湿 气流量计量单元。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 湿气计量国外研究现状 国外湿气计量技术从上世纪9 0 年代开始已经历了十多年的发展，以美国和挪威为 代表的欧美发达国家，对湿气流量计的研究已取得了一些成绩，特别是在湿气流量计的 准确度、稳定性和通用性方面有了很大进展，在湿气流量计选型、测试、校准、使用和 维护等方面已获得了大量的实践经验。在美国的科罗拉多工程实验站已经建立了专门的 湿气流量计量技术研究环道装置，并就湿气流对典型流量计量装置的影响开展了系统的 研究，从而奠定了研制准确测量管道内液体和气体体积流量测量装置的基础。在近几年 的一些重大国际流量计量技术研讨会上，均设有湿气流量计量的技术专题，主要涉及了 湿气流量计量技术的实验研究成果及现场应用情况，极大的推动了湿气流量计量技术的 第l 章绪论 迅猛发展【2 】。 1 2 2 湿气计量国内研究现状 在国内的石油天然气行业中，天然气主要有3 种计量方式：单井分离计量、单井湿 气计量和多井轮换分离计量。就伴生气井、凝析气井和一些开发后期的气井而言，不管 采用何种测量方法，即便计量前端配备有分离器，但由于分离器跑油、间断计量时油水 在计量管路中沉积以及其他工况条件的变化，经分离后的气体中还会含有少量的液体。 因此，可以说湿气流量计量存在于油气田内部集输的各个环节。但是在湿气流量计量方 面，国内目前还没有相关的技术标准，无法对现场湿气流量计量进行指导，湿气流量计 量现场管理的重视程度不够，一些新的湿气流量计量技术的应用还比较滞后。因此导致 湿气流量计的选型、安装、使用等不够规范，在流量计的不同工况条件的适应性方面也 缺乏相关的技术指导，开展的相应研究也较少【2 】。 1 3 本课题的主要内容 1 3 1 研究目的 本课题的研究目的是利用数字信号处理技术，以d s p 芯片t m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 a 为核 心，根据湿气流量计量单元要求的各功能，选择合适的外围芯片，设计出湿气流量计量 单元的硬件电路，同时编程调试各功能模块，最后进行各模块整合，将整体功能代码加 载到计量单元中，实现所要完成的功能。湿气流量计量单元既可在线实时计量单口气井 湿气的流量，又可实现其数据的记录及移动存储，以适用于海洋、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 2 主要工作 湿气计量系统由一次仪表、二次仪表和计量单元组成，项目组成员已经完成一次仪 表、二次仪表的设计并正在进行进一步优化，建立了初步的数据处理模型。本课题研究 的主要内容是计量单元的研制。主要工作包括以下几个方面： ( 1 ) 根据现场要求，确定湿气流量计量单元的各功能模块。有模数转换模块、数据 处理模块、键盘模块、液晶显示模块、实时时钟模块、存储器模块、u s b 模块及电源 模块等。 ( 2 ) 根据各模块的功能要求，选择合适的外设芯片。选择芯片时，考虑芯片的性能 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 参数( 如运行速率、工作温度范围等) 、封装及价格。 ( 3 ) 设计仪表硬件电路。应用a l t i u m 公司推出的p r o t e l 系列的高端版本a l t i u m d e s i g n e r6 7 软件，绘制计量单元电路的原理图及p c b 图。 ( 4 ) 手工焊接电路板。部分芯片引脚细、密且多，掌握一定焊接技术后，快速进行 焊接，以使芯片受热时间最短，破坏性最差。 ( 5 ) 调试各功能模块。根据各功能模块的要求，编写相应功能代码，实现所要完成 的功能。 ( 6 ) 整合各功能模块程序。将各个功能模块的代码整合到一个程序里，实现计量单 元整体功能。 ( 7 ) 自举引导过程。v c 5 5 0 9 a 的内部r o m 空间极小，把程序存放到外部r o m 中， 实现系统上电自动运行。 ( 8 ) 编写二次引导程序。v c 5 5 0 9 a 自举引导程序只能引导1 6 k 字节代码，为了引 导大容量代码，需编写二次引导程序。 ( 9 ) 反复调试运行、完善系统。 1 3 3 预期结果 ( 1 ) 实现计量单元硬件电路稳定可靠运行、抗干扰能力强。 ( 2 ) 实现数据存储器及程序存储器的大容量设计。 ( 3 ) 实现各模块的基本功能。 ( 4 ) 通过软件代码更新，实现计量单元功能升级。 ( 5 ) 系统软硬件比较完善，仪表基本成型。 1 4 本课题的研究意义 该计量系统的计量单元部分以d s p 为核心，与单片机实现的计量系统相比较，d s p 系统的数据处理及运算速度大大高于单片机系统；与工控机实现的计量系统相比，d s p 系统具有体积小、重量轻、功耗低、便于携带和安装等优点，而且可以使用电池供电系 统，已满足在复杂工况和无电力条件下应用。d s p 运算速度快，可以与采样速率高的数 据采集设备接口，并对数据进行高速处理，已达到实时处理、实时显示的要求。通过扩 展的u s b 主机接口，可以将现场大量数据以指定格式存储到u 盘中，可以方便的获取 3 第l 章绪论 原始数据及处理后的数据，以便于在实验室条件下进行数据分析，掌握气井运行的变化 规律，对湿气流量计算模型进行修正。 开展本课题的研究工作，实时测量湿气的气相和液相流量，并进行在线实时显示， 可以大大降低生产成本，简化生产流程，可以把更加实时的信息反馈给气藏和气井的操 作和管理人员，以便于科学管理气藏和气井，为管理人员做出科学决策提供重要参数依 据，对气藏和气井的现代化发展具有重要意义。计量单元的体积很小，系统维护量小， 可以省掉计量分离器的巡检、事故处理等工作，节省大量的人力；另外，其硬件制造成 本很低，能够带来很高的经济效益。 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第2 章湿气流量计量单元总体设计方案 本科题要求针对气井设计出一种集数据采集、数据处理、数据存储、实时显示于一 体的流量计量单元，并可对其进行参数设置，以满足不同应用需求。同时可以对数据进 行移动存储，便于实验室条件下分析数据。为此，根据气井特殊的自然条件及应用要求， 设计出一种可靠性高的流量计量单元。 2 1 功能需求分析 根据用户需求和气井一般分布在沙漠、极地、海洋等气候条件恶劣的环境下，计量 单元应具有以下功能： ( 1 ) 对气井进行连续实时计量显示； ( 2 ) 采集差压、压力、温度等信号，并进行相应数据处理和存储； ( 3 ) 具有设置采样时间间隔、数据保存格式等参数设置功能； ( 4 ) 具有数据移动存储功能，便于实验室条件下分析数据； ( 5 ) 对气井异常情况给出信息记录； ( 6 ) 运行出错，具有自动复位功能； ( 7 ) 低功耗，自供电，能长时间自动运行； ( 8 ) 可靠性高，具有耐低温、高温、防雨、防潮、防尘、防腐蚀、抗电磁干扰、防 雷击等要求。 2 2 性能需求分析 气井大多地处偏远，环境恶劣，受自然条件如雷电、暴雨等影响较大，因此湿气流 量计量单元对性能要求比较高。本课题主要考虑了计量单元的低功耗、可靠性和可扩展 性。 ( 1 ) 计量单元的低功耗。由于计量单元工作在缺乏电力的边远地区，需要电池供电， 降低计量单元功耗，延长电池寿命，就是降低系统的运行成本。降低功耗主要的措施有： 选择低功耗的芯片、降低电源电压和合适的电源管理模式f 4 1 。 ( 2 ) 计量单元的可靠性。在气井开采过程中，要求计量单元准确可靠的采集信号， 5 第2 章湿气流量计量单元总体设计方案 进行数据处理并显示，必然要求计量单元具有高可靠性，以便在恶劣的自然条件下正常 工作。提高计量单元可靠性主要从以下两方面的考虑：一是提高硬件系统可靠性；二是 进行合适的软件设计。在本课题中，主要从电路板的布置，软件初始化及看门狗定时器 程序的设计等方面来保证系统可靠性。 ( 3 ) 计量单元的可扩展性。随着气井开采技术的发展，计量系统也会不断升级，所 需采集的信号量会不断增加，如果重新设计流量计量单元，不仅浪费人力、财力，而且 影响开发周期。因此，计量单元在硬件设计上，扩展出较富裕的数据采集电路，较大的 数据及程序存储空间，以便后期根据实际需要，进行系统软件升级。 2 3 计量系统的组成和设计 计量系统对湿气的气相和液相流量进行计量，由一次仪表、二次仪表和计量单元三 部分组成，系统总体设计如图2 1 所示。 图2 - 1 湿气流量计量系统总体设计 f i 9 2 1t h eo v e r a l ld e s i g no f w e tg a sf l o wm e a s u r e m e n ts y s t e m 一次仪表包括两个差压传感器p d1 和p d 2 、一个压力传感器p 及一个温度传感器t ， 用于采集现场信号，包括两路差压信号、一路压力信号及路温度信号；二次仪表是变 送器，包括差压变送器、压力变送器、温度变送器，变送器把一次仪表采集的现场信号 调理成标准的4 - 2 0 m a 电流信号：计量单元主要用于流量计量，将变送器调制后的信号 进行处理，代入流量计算模型计算两相流量，并提供用户操作界面。 系统的工作过程如下：一次仪表部分的传感器测得的四路信号经二次仪表变送器调 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 理成标准模拟信号后送入计量单元，计量单元通过a d 转换模块将模拟信号转换成数 字信号，后经d s p 算法程序对数据进行处理，并根据实验确定的流量计算模型来计算 各相流量，同时在液晶显示器上实时在线显示计量结果。系统工作过程中可以根据需要 进行人机交互，通过键盘设置相关参数，通过液晶显示器进行显示，采集到的现场数据 和处理后的数据可以根据需要通过u s b 接口存入移动存储设备，便于将数据带到实验 室进行分析和处理。 2 4 计量单元样机 2 4 1 计量单元样机硬件介绍 目前，课题组已经完成一款计量单元样机的设计。计量单元样机的核心处理器选用 t i 公司的d s p 芯片t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 ，外围器件包括a d 转换器、u s b 主机接口、r a m 和f l a s h 存储器、键盘、液晶显示器等，计量单元样机结构框图如图2 2 所示。 pp ip 21 f 图2 - 2 计量单元样机结构框图 f i 9 2 - 2 t h eb l o c kd i a g r a mo ft h em e a s u r e m e n tu n i tp r o t o t y p e t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 是一款1 6 位定点d s p 芯片，主频最高可达l o o m h z ；内核供电电 压为1 8 v ；i o 供电电压为3 3 v ；片内具有4 k 字r o m 和1 6 k 字d r a m ，可寻址6 4 k 字f o 空间、6 4 k 字数据空间，程序空间可扩展至1 m 字；片内外设包括两个多通道缓 冲串口、软件可编程的等待状态发生器、增强的8 位主机接口、时钟发生器、6 个直接 存储器访问控制器、两个1 6 位定时器掣引。 a d 转换器a d s 8 3 4 1 是一种逐次逼近式的1 6 位a d 转换器，具有4 个输入通道， 可用于2 通道差动输入或4 通道单独输入1 6 j 。 u s b 接口控制芯片s l s l l h s ，支持u s b 协议1 1 ：可工作于主从两种模式；支持 7 第2 章湿气流量计量单元总体设计方案 低速( 1 5 m b p s ) 和全速( 1 2 m b p s ) 两种u s b 总线方式 r l 。 r a m 存储器c y 7 c 1 0 4 1 c v 3 3 ，容量2 5 6 k 字，访问时间1 5 n s ，3 3 v 供电电压，3 0 0 m w 的最大功耗【引。 f l a s h 存储器s s t 3 9 v f 4 0 0 a ，容量2 5 6 k 字；3 3 v 供电电压，可直接与3 3 vd s p 接口；访问时间9 0 n s ；支持在系统编程技术，擦写寿命1 0 万次，片擦除时间7 0 m s ， 字编程时间1 4us ；数据可以保存1 0 0 年以上1 9 。 图形点阵液晶显示模块c 1 2 8 6 4 1 ，无字库，以图形方式显示汉字或字符。 键盘采用4 x 4 矩阵键盘。 2 4 2 计量单元样机存在的问题 由于计量单元样机硬件的限制，计量单元存在如下几个问题： ( 1 ) t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 的最大寻址空间是1 m 字，这就限制了r a m 和f l a s h 存储器 的最大扩展容量； ( 2 ) u s b 接i s l 控制芯片s l 8 1 1 h s ，只支持u s b 协议1 1 ，不支持u s b 协议2 0 。 ( 3 ) c 1 2 8 6 4 1 是无字库液晶显示模块，编程代码量多； ( 4 ) 4 x 4 矩阵键盘与一个多通道缓冲串口( 可配置为6 个i o 口) 相连接，只有9 个键值有效； ( 5 ) a d s 8 3 4 1 只有4 个输入通道，无法满足系统升级需要。 ( 6 ) 其他应用功能未涉及，如实时时钟功能，硬件看门狗等。 基于以上原因，重新设计一款计量单元势在必行。 2 5 计量单元总体设计方案 根据实际需要，计量单元应具备如下功能：模数转换、数据处理、实时时钟、实时 显示、数据存储、人机交互、数据移动存储等功能。除了以上基本功能，计量单元还应 具有体积小、重量轻、功耗低、抗干扰性强、性能高、速度快、使用方便等特点。本课 题将计量单元的设计分为两部分：计量单元的硬件设计和计量单元的软件设计。 2 5 1 计量单元的硬件设计 计量单元核心处理器选用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 5 0 9 a p g e ，扩展外围器件，包括a d 转换器、u s b 主机接口、s d r a m 存 r 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 储器、通过c p l d 扩展的f l a s h 存储器、键盘、液晶显示器等，计量单元的结构框图如 图2 3 所示。 图2 - 3 计量单元结构框图 f i 9 2 - 3 t h eb l o c kd i a g r a mo ft h em e a s u r e m e n tu n i t t m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 a p g e 是一款高性能、低功耗的1 6 位定点d s p 芯片，i o 供电电 压为2 7 v - 3 6 v ，在内核供电电压为1 6 v 时，c p u 时钟频率为2 0 0 m h z ，指令周期时间 是5 n s ，有两个算术逻辑单元、三个内部数据操作读总线和两个内部数据操作写总线， 在片上有6 4 k 字节的d a r a m 、1 9 2 k 字节的s a r a m 和6 4 k 字节的一个等待状态的片 上r o m ，可扩展1 6 m 字节的最大寻址外部存储器空间，具有1 6 位的外部并行总线存 储器。片上外设资源丰富，有两个2 0 位的定时器，一个看门狗定时器，六通道d m a 控制器，三个多通道缓冲串行端口，一个可编程锁相环( p l l ) 时钟发生器，七个通用 输k 输出引脚，一个通用输出引脚x f ，一个u s b 从机接口，一个1 2 c 多主从接口，一 个实时时钟模块，两通道1 0 位精度逐次逼近式a d 转换【1 0 1 。 t m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 a p g e 的高速度、低功耗及丰富的外设资源，满足计量单元设计的 要求，高容量的存储空间，自带实时时钟模块，大大方便了硬件设计。 a d 转换器选用t i 的a d s 8 3 4 4 e ，a d s 8 3 4 4 e 是一个高速、低功耗、1 6 位逐次逼 近型模数转换器，具有8 个单端模拟输入通道，也可合成4 个差分输入通道。 s d r a m 芯片选用h y n i xs e m i c o n d u c t o 公司的推出的一种单片存储容量高达 6 4 m b i t 的h y 5 7 v 6 4 1 6 2 0 e ，采用c m o st 艺。 f l a s h 芯片选用s s t 公司的s s t 3 9 v f l 6 0 1 ，该芯片是一块1 m x1 6 b i t 的c m o s 多 功能f l a s h 存储器。 u s b 主机芯片选用南京沁恒电子有限公司的文件管理控制芯片c h 3 7 6 ，c h 3 7 6 用 9 第2 章湿气流量计量单元总体设计方案 于d s p 系统读写u 盘或s d 卡中的文件，c h 3 7 6 支持u s b 设备方式和u s b 主机方式。 c p l d 选用a l t e r a 公司的m a x 7 0 0 0 a 系列器件e p m 7 1 2 8 a ，采用c m o se e p r o m 工艺。 液晶显示模块选用肇庆金鹏电子集团有限公司生产的中文图形两用型o c m j 4 x 8 c ， 该款液晶显示模块的控制芯片是s t 7 9 2 0 。 2 5 2 计量单元的软件设计 流量计量单元软件系统是为了完成系统整体功能的软件构架，包括模数转换模块、 键盘模块、液晶显示模块、实时时钟模块、数据存储模块、数据移动存储模块、看门狗 定时器模块、c p l d 模块等。计量单元软件结构功能框图如图2 4 所示。 流量计量单元软件系统 模 数 转 换 模 块 键 盘 模 块 液 晶 显 _ 不 模 块 实 时 时 钟 模 块 数 据 存 储 模 块 数 据 移 动 存 储 模 块 看 门 狗 定 时 器 模 块 c p l d 模 块 图2 - 4 计量单元软件结构功能框图 f i 9 2 4 t h es o f t w a r ea r c h i t e c t u r eb l o c kd i a g r a mo ft h em e a s u r e m e n tu n r 模数转换模块是负责把采集的模拟信号转换成数字信号，以便d s p 进行后期的数 据处理。 键盘模块用来进行参数设置，如设置采样时间间隔、数据存储时间间隔及实时时钟 设置等。 液晶显示模块用来显示操作界面，如气液流量、时间日期信息等，便于进行人机交 互。 实时时钟模块用来保存当前的日期时间，记录系统运行的绝对时间，产生周期定时 中断等。 数据存储模块包括s d r a m 和f l a s h ，s d r a m 用来存储数据，f l a s h 用来存储 程序及一些重要数据。 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 数据移动存储模块用来把s d r a m 或f l a s h 中的数据转存到u 盘中，以便于在实 验室条件下分析数据。 看门狗定时器模块实现系统受干扰时的自动复位，保证系统可靠运行。 c p l d 模块为f l a s h 提供高位地址的扩展，同时为u s b 主机c h 3 7 6 提供操作时 序，应用v h d l 语言实现的一段代码。 第3 章湿气流量计量单元硬件设计 第3 章湿气流量计量单元硬件设计 湿气流量计量单元由核心处理器t m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 a 、模数转换模块、液晶显示模块、 键盘模块、实时时钟模块、存储器模块、u s b 主机模块、电源模块等组成，本章主要 介绍湿气流量计量单元硬件电路设计与实现。 3 1 模数转换模块 a d 转换就是把模拟量信号转换成二进制的数字量信号n 】。湿气流量计量单元的模 数转换模块负责把变送器发送过来的模拟量转换成数字量，以便于d s p 进行数据处理。 模数转换的精度，直接影响计量单元最后测量结果的精度，如何提高模数转换的精度是 本模块设计的核心内容，因此模数转换模块芯片的选型尤为重要，考虑到转换精度、转 换通道数、硬件连接及p c b 布线等各个因素，选用美国德州仪器公司生产的模数转换 芯片a d s 8 3 4 4 e 。 3 1 1 a d 转换电路设计 a d s 8 3 4 4 e 是一个高速、低功耗、1 6 位逐次逼近型模数转换器，带有串行接口，采 用2 7 v 至5 v 单电源供电，最大采样速率为1 0 0 k h z ，信噪比达8 4 d b ，1 0 0 k h z 时功耗 仅为1 0 m w 。它包含8 个单端模拟输入通道( c h 0 , - 一c h 7 ) ，也可合成为4 个差分输入。 参考电压v r e f 的范围从5 0 0 m v 到v c c ，相应的每个模拟通道的输入从0 v 到v r e f 。 自带采样保持功能，采用2 0 引脚q s d p 封装或2 0 引脚s s o p 封装，工作温度范围为 负4 0 摄氏度到8 5 摄氏度。该芯片适合应用在电池供电系统( 如个人数字助理、移动通 信) 和测试装置中【1 2 1 。 a d s 8 3 4 4 e 与v c 5 5 0 9 a 连接电路如图3 1 所示，v c 5 5 0 9 a 的c l k x o 接a d s 8 3 4 4 e 时钟信号d c l k ，v c 5 5 0 9 a 的f s x 0 接a d s 8 3 4 4 e 片选信号c s ，v c 5 5 0 9 a 的d x 0 接 a d s 8 3 4 4 e 接收数据信号d i n ，v c 5 5 0 9 a 的d r 0 接a d s 8 3 4 4 e 发送数据信号d o u t ， v c 5 5 0 9 a 的i n t 0 接a d s 8 3 4 4 e 的忙碌信号b u s y 。a d s 8 3 4 4 e 的c o m 端接模拟地， v r e f 接基准电压3 3 v ，则转换输入电压的范围在c o m - - v r e f 之间，即0 - 3 3 v 。为 保证基准电压的准确性，由单独设计的基准电压电路提供。a d s 8 3 4 4 e 的c h 0 c h 7 是 八路模拟电压信号的输入端，通过指令控制。p 1 口可输入4 - - - 2 0 m a 的电流信号通过15 0 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 欧姆精密电阻转化成0 6 3 0 v 的输入电压。c 3 0 、c 3 1 、c 3 2 、c 3 3 是电源旁路电容，p c b 布线时要靠近电源端。o 1 心电容便于滤除高频干扰源，1 0 心便于滤除低频干扰源。 v c 5 5 0 9 a c l j 眨x 0 f s x 0 d x 0 d r d n t 0 e u ( r d f s 如 1 9 1 8 - 一 1 7 1 5 9 3i i n t 01 6 1 3 79 1 3 6 i 1 3 l1 4 p 1 d c 【k j l | c s d i n d o u t b u s y c o m g n d g n d v c c v c c j s h d n v r e f c h 0 c h l c h 2 c h 3 c h 4 c h 5 c h 6 c 肿 l2 34 56 78 91 0 5 0 _ 一 5 0 5 0 _ 一 5 0 - 一 5 0 _ 一 5 口 _ 一 5 0 5 0 匦广击西口卵c 3 3 姆 一一 g n dg n d 图3 - 1a d s 8 3 4 4 e 与v c 5 5 0 9 a 连接电路 f i 9 3 - 1 c o n n e c t i n gc i r c u i to f a d s 8 3 4 4 ea n dv c 5 5 0 9 a a d s 8 3 4 4 e 的串行连接符合s p i 通信协议，s p i 是同步串行外设接口，以主从方式 工作，有一个主设备和一个或多个从设备，接口包括以下4 个信号：主入从出信号 ( m i s o ) ，主出从入信号( m o s i ) ，移位时钟( s c k ) ，从使能信号( s s ) 。在s p i 协 议中，主设备提供时钟信号并控制数据传输。 a d s 8 3 4 4 e 的低功耗及高速转换率使其得到广泛应用，串行接口还方便硬件连接及 p c b 布线，增强硬件可靠性及抗干扰能力。 a d s 8 3 4 4 e 主要由a d 转换器、多路转换开关、参考电压、采样保持器、比较器、 逐次逼近寄存器( s a r ) 和控制逻辑电路等部分组成，其内部结构原理如图3 2 所示。 3 1 2 基准电压电路设计 基准电压在集成电路设计中非常重要，特别是在数据采集系统、d a 和a d 转换 器以及高精度电压比较器中，由于温度和电源电压波动等导致基准电压的变化，将直接 影响到整个系统的性能【1 3 】。为了提高基准电压的精确性，选用精度较高的美国德州仪器 公司生产的基准电压芯片r e f 3 2 3 3 ，该芯片封装采用s o t 2 3 6 ，电压基准源输出3 3 v ， 最大温漂2 0 p p m 。c ，静态电流为1 0 0 u a ，精度高达0 0 1 ，输出电压误差7 m v t l 4 】。 1 3 一一一一一一一一一一一一一一 加一挖一加一n一一2345678 一一一一一一一 第3 章湿气流量计量单元硬件设计 c h o c h l c h 2 c h 3 c h 4 c h 5 c h 6 c h 7 c o m v r e f d c l k c s s h d n d i n d o u t b u s y 图3 - 2a d s 8 3 4 4 e 内部结构原理图 f i 9 3 - 2 s c h e m a t i cd i a g r a mo ft h ei n t e r n a ls t r u c t u r eo f a d s 8 3 4 4 e r e f 3 2 3 3 的基准电压电路如图3 - 3 所示，在电源的输入端加一个o 4 7 心的旁路电 容，在电源的输出端加一个o 1 心的旁路电容，在p c b 板布线时，c 3 4 要靠近r e f 3 2 3 3 的4 号输入引脚，c 3 5 靠近a d s 8 3 4 4 e 的1 1 引脚，即参考电压v r e f 引脚。 5 7 3 e n a b l e e 3 4 l4 6 一v 砌强 一 i n0 u tf 卜 1 iii j b 4 7 1 l f 广下 g n df0 u ts g n ds 一i i g n d 图3 - 3r e f 3 2 3 3 的基准电压电路 f i 9 3 - 3t h er e f e r e n c ev o l t a g ec i r c u i to fr e f 3 2 3 3 3 2 液晶显示模块 液晶显示器以其具有体积小、功耗低、重量轻、超薄等诸多其它显示器无法比拟的 优点，而被广泛用于d s p 控制的智能仪器、仪表和低功耗电子产品中【l 5 1 。 根据流量计量单元功耗低及显示的实际需要，液晶显示模块选用肇庆金鹏电子集团 有限公司生产的中文图形两用型o c m j 4 8 c ，该款液晶显示器可以显示字母、数字符 号、中文字型及图形，具有绘图及文字画面混合显示功能。提供三种控制接口，分别是 8 位微处理器接口，4 位微处理器接口及串行接口【。把v c 5 5 0 9 a 的通用输入输出口 分配给o c m j 4 s c ，考虑到v c 5 5 0 9 a 有7 个通用输入输出口，可以选用o c m j 4 8 c 的4 位并行连接方式。v c 5 5 0 9 a 的通用输入输出口，可以输出3 3 v 高电平，与 o c m j 4 x 8 c 的逻辑电平相匹配，因此可以不经电平转换，将二者直接相连，o c m j 4 x s c 与d s p 连接电路如图3 - 4 所示。这样d s p 只需要7 条信号线就可以对o c m j 4 x 8 c 进行 1 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 控制，不仅节省了d s p 的片上资源，而且极大方便了硬件连接及p c b 布局布线，对提 高整个流量计量单元的可靠性和稳定性有很大帮助。图中r 1 3 的大小是用来调节液晶 显示屏亮度。 g n d v c 5 5 0 9 a三 u 1 0 g p l 0 6 g p l 0 4 g p l 0 7 g p l 0 0 g p l 0 1 g p l 0 2 g p l 0 3 3 v 3 一 1 4 1g p l 0 6 1 4 2g p l 0 4 6g p l 0 7 1 2g p l 0 0 1 0g p l 0 1 9g p l 0 2 1 4 3g p l 0 3 3 v 3 v s s v d d v o r s ( c s ) r w ( s t d ) e ( s c l k ) d b 0 d b l d b 2 d b 3 d b 4 d b _ 5 d b 6 d b 7 p s b n c 压塔t n c l e d a + l e d k 了r o c m j 4 x s c ： g n d 图3 - 4o c m j 4 x 8 c 与v c 5 5 0 9 a 连接电路 f i 9 3 - 4c o n n e c t i n gc i r c u i to fo c m j 4 x 8 ca n dv c 5 5 0 9 a o c m j 4 x 8 c 的控制芯片是s t 7 9 2 0 。台湾矽创电子公司生产的s t 7 9 2 0 中文图形控 制芯片，是一种内置1 2 8 x 6 4 中文图形点阵的液晶显示控制模块，用于显示汉字和图形。 该芯片内置1 6 x 1 6 点阵的8 1 9 2 个中文汉字、1 2 8 个8 x 1 6 点阵的a s c i i 字符库及6 4 x 2 5 6 点阵显示r a m 。为了能够简单、有效、可靠地显示汉字及图形，该模块内部设计有6 4 x 2 5 6 点阵的g d r a m 绘图区域和2 m b 的中文字型c g r o m ；同时，该模块还提供了四组可 编程控制的1 6 x 1 6 点阵造字空间；另外，为了适应各种单片机、d s p 及其他微处理器 接口的需要，该模块还提供四位并行、八位并行、两线串行以及三线串行等多种接口方 式【1 7 1 。为了应用方便，该模块提供画面清除、光标归位、显示打开关闭、光标显示隐 藏、显示字符闪烁、光标移位、显示移位、垂直画面卷动、反白显示、待命模式等多功 能指令。 o c m j 4 x s c 的引脚说明如表3 1 ，当1 5 号引脚p s b 为高电平时，采用并行连接方 式；p s b 为低电平时，采用串行连接方式。当选用4 位并行连接方式时，只使用数据线 1 5 一23456789一一一坨一埒一mu一拍一一悸一拶一 基8 第3 章湿气流量计量单元硬件设计 的高4 位d b 4 、d b 5 、d b 6 、d b 7 来传送数据。 表3 - 1o c m j 4 8 c 引脚说明 t a b l e3 - 1o c m j 4 s cp i nd e s c r i p t i o n 引脚名称方向说明 1 v s s电源负极( 0 v ) 2v d d 电源正极( 3 3 v ) 3v o 悬空 4 r s ( c s ) i 高：数据；低：指令；( 串行模式是芯片使能) 5 r w ( s t d ) i 高：读；低：写；( 串行模式是串行数据) 6 e ( s c l k ) i 使能信号，高电平有效；( 串行模式是串行时钟) 7d b 0旧 数据0 8d b li o 数据1 9d b 2i o 数据2 1 0d b 3i o 数据3 1 1d b 4旧 数据4 1 2d b 5i o数据5 1 3d b 6i o数据6 1 4d b 7i o数据7 1 5p s bi高：并行模式；低：串行模式； 1 6n c空脚 1 7r