（检测技术与自动化装置专业论文）全自动压力温度检定装置的研究与设计.pdf

摘要 摘要 压力和温度测试是油田油( 气) 井开采工作的重要工艺之一，它为 制定油( 气) 井的生产制度、确定油( 气) 井的产量及检测油( 气) 井 完井情况提供可靠、准确的资料【9 】。尤其是2 0 0 8 年以来，随着我国石油 工业的发展，各油田都在进行老油田的二次开采研究，利用井下电子压 力计精确测量采油过程中油气层压力的变化，可以准确地判断油( 气) 井 的生产状况。作为井下电子压力计的标定装置也必须相应提高其精度等 级，以适应井下电子压力计的标定技术要求，确保井下电子压力计所记 录数据的准确性，因此有必要研究井下电子压力计标定装置h 1 。 本文首先介绍了井下压力计的发展历史，分析了当前的压力计标定 装置的优缺点，设计一套标定精度高、自动化程度高、安全可靠的井下 压力标定装置。 为了达到设计要求，本文研究了两种温度对压力补偿的算法，并最 终确定选择拟合作为标定算法。整个系统的设计可以分为两部分，r t u 端和p c 端。r t u 端采用s 3 c 2 4 1 0 + l i n u x 2 6 1 6 ，配成服务器模式，具体 控制各种硬件设备。p c 端采用l a b v i e w 进行设计，配成客户端模式， 显示和控制各种变量。两者通过m o d b u s t c p 协议就行通信，极大地保 证了系统的可靠性和安全性。 关键字：压力计；标定；l i n u x ；m o d b u s t c p ； a b s t a c r t h er e s e a r c ha n dd e s i g no fa u t o m a t i cp r e s s u r eg a u g ea n d t h e r m o m e t e rc a l i b r a t o re q u i p m e n t a b s t r a c t t h et e s to fp r e s s u r ea n dt e m p e r a t u r ei so n eo ft h ei m p o r t a n tt e c h n i c sf o r o i lq a s ) sd e v e l o p m e n ti nt h eo i lf i e l d ，t h a tp r o v i d e sr e l i a b l ea n da c c u r a t e i n f o r m a t i o n sf o rt h ef o r m u l a t i o no fo i l ( g a s ) sp r o d u c t i v es y s t e m ，t h e d e t e r m i n a t i o no fo i l ( g a s ) s p r o d u c t i o n a n dd e t e c t i o no fo i l ( g a s ) s c o m p l e t i o n i np a r t i c u l a r , w i t ht h ed e v e l o p m e n to fo u rc o u n t r y so i li n d u s t r y s i n c e 2 0 0 8 ，e v e r y o i lf i e l dr e s e a r c h e s o l do i l f i e l d sf o rs e c o n d a r y d e v e l o p m e n t u s i n gu n d e r g r o u n d e l e c t r o n i cp r e s s u r eg a u g e st o m e a s u r e d i v e r s i f i c a t i o no fo i ll a y e ra c c u r a t e l yi nt h ep r o c e s so fc o l l e c t i o n ，s ot h a t j u d g et h eo i l ( g a s ) sp r o d u c t i v es i t u a t i o ne x a c t l y a sc a l i b r a t i o nd e v i c eo f u n d e r g r o u n de l e c t r o n i cp r e s s u r eg a u g e s ，t h e yh a v et oi m p r o v et h ea c c u r a c y o fg r a d i n gt om e e tt h ec a l i b r a t i o nr e q u i r e m e n t so fu n d e r g r o u n de l e c t r o n i c p r e s s u r eg a u g ea n de n s u r et h ea c c u r a c yo fd a t eo fu n d e r g r o u n de l e c t r o n i c p r e s s u r eg a u g e t h e r e f o r ei t sn e c e s s a r yt or e s e a r c ht h ec a l i b r a t i o nd e v i c e ， t h e p a p e r i n t r o d u c e st h e d e v e l o p m e n t o fu n d e r g r o u n de l e c t r o n i c p r e s s u r eg a u g ef i r s t l y , a n da n a l y s i sc u r r e n ta d v a n t a g e sa n ds h o r t c o m i n g so f c a l i b r a t i o nd e v i c e ，t h e nd e s i g n sah i g ha c c u r a c y ，h i g h l yi n t e l l i g e n t ，r e l i a b l e c a l i b r a t i o nd e v i c e i no r d e rt oc o m p l yw i t hd e s i g nr e q u i r e m e n t s ，t h i sp a p e rr e s e a r c h e st w o k i n d so fa r i t h m e t i co ft e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o nf o rp r e s s u r e ，a n dc h o o s e s f i t t i n ga sc a l i b r a t i o na r i t h m e t i cf i n a l l y t h ew h o l es y s t e mi sm a d eu po ft w o p a r t s ：r t ua n dp c t h ef o r m e ra p p l y s s 3 c 2 4 1 0 + l i n u x 2 6 1 6a c t i n ga s s e r v e rm o d et oc o n t r o lh a r e w a r e s t h el a t e ra p p l y sl a b v i e wf o rd e s i g n i n g a c t i n ga sc l i e n tm o d et os h o wa n dc o n t r o lv a r i a b l e s t h e yc o m m u c a t eb y i l l 武汉t 程大学硕十学位论文 m o d b u s t c p p r o t o c o l ，s oa st oa s s u r er e l i a b i li t ya n ds e c u r i t yo ft h es y s t e m g r e a t l y k e y w o r d s ：p r e s s u r eg a u g e ；c a l i b r a t i o np o w e r ；l i n u x ；m o d b u s t c p ； i v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对 本文的研究做出贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学砬论文作者签名：同铷f 萄 炒7 年6 月2 - 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解我院有关保留、使用学位论文的规定， 即：我院有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅。本人授权武汉工程大学研究生处可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密o ，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密“ ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位菇文作者签名q 钆阐 1 引肿日 指导教师签名：秒毵雾华 移年6 6 只淤 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 第1 章绪论 井下压力计是在石油勘探、开发中应用广泛的井下仪器之一，主要 用于测量地层的流动和恢复压力、通过井下压力计记录的井下压力曲 线，可以解释并计算出油气层的原始底层压力、渗透率、污染程序等重 要数据，尤其2 0 0 8 年以来，随着我国石油工业的发展，各油田都在进 行老油田的二次开采研究，利用井下压力计精确测量采油过程中油气层 压力的变化，可以准确地判断酸化、压裂、注水等工艺措施对生产井的 改善状况。另外在采油日常工作中，确定开发指标的基础数据也需要井 下压力计记录的压力数据。因此在采油工艺中应用井下压力计对油气层 进行监测的程度会不断地加强。 随着电子技术的飞速发展，井下电子压力计已经逐步取代了过去的 机械式井下压力计，结合现代试井解释技术与计算机的广泛应用，对井 下电子压力计的精度要求也相应提高，作为井下电子压力计的标定装置 也必须相应地提高其标定精度。传统的标定装置都是采用标准砝码构成 活塞压力源，通过手动的增减砝码来产生不同的标准压力值。再将其置 于隔离的温度控制系统中，大多采用“空气浴”。传统的标定方法已经 不能再满足生产需要，迫切需要研制出一种精度更高，操作更加人性化 的标定装置来对井下电子压力计进行标定。 1 2 井下压力计的发展状况 短短的几十年，井下压力计的发展经历了从最初的机械式到现在广 泛使用的电子式，技术含量越来越高，操作也更加人性化。 武汉r _ i ：程大学硕十学位论文 1 2 1 井下机械式压力计 1 9 6 1 年我国仿造前苏联的苏一m g g s 压力计开发了c y 6 1 3 型弹簧 管式压力计，这是油田开发初期应用最广的一种机械式井下压力计，它 的工作范围仅仅限于自喷井的流压和静压的测试。这种井下压力计主要 由记录部分、感压部分、温度计部分以及外壳4 个部分组成，它的原理 是采用多圈式弹簧管作为压力测量元件，用毛细管连通褶皱盒( 封包) 和 弹簧管，其内腔充满传压介质，被测压力作用于褶皱盒上，褶皱盒受到 压缩，容积变小，由于传压介质不可压缩，溢出的介质经毛细管传输给 弹簧管，使弹簧管的自由端径向扩张，随着压力的变化而成比例地伸展， 当仪器承受测量范围内的最高压力值时，其伸展角度为2 4 0 。到2 8 0 。， 弹簧管伸展时带动装在其自由端的记录笔在与弹簧管轴向垂直的平面 内旋转，并在记录筒内的记录卡片上划出印痕( 此印痕距基线的高度与 被测压力成正比) ，同时，记录筒在钟机带动下向下匀速移动，这样的 旋转和上下运动构成了时间一压力坐标系统的记录图，即压力记录卡 片。在井下压力记录卡片的基础上再通过读卡仪读出压力和时间的位移 对应关系，查出井下压力计校正曲线上的压力值。虽然井下压力计的精 度是0 5 级，但到最后压力精度远远超出这个范围h 3 。 进入七八十年代后，尽管井下机械式压力计的发展有了很大的改 进，但是其测量精度始终还不尽如人意，直到井下电子压力计的出现， 才彻底改变油田试井过程中压力温度测量的精度问题。 1 。2 2 井下电子压力计 第一代电子压力计生产于上世纪8 0 年代末9 0 年代初，由于传感器 技术和电子技术的相对落后，这一代压力计存在以下特点： 功能单一，只能直读或是只能存储。 传感器综合性能较差，传感器以应变平衡电桥式、电容式为主， 技术普遍不成熟。 压力计现场使用比较繁琐。操作软件多为d o s 版本软件。 第1 章绪论 存储容量不高。 电子线路技术的局限。电子器件的集成化程度不高，导致压力 计体积较大，功耗较高，电路故障率也较高。 第二代电子压力计生产于上世纪9 0 年代中期，这一代压力计与第 一代压力计相比有了明显的进步。 传感器的技术水平有了明显提高，应变式电子压力计尽管仍然 还是平衡电桥式设计，但其精确度已经提高到0 0 5 ，石英晶体 压力计由于多采用美国专业传感器生产厂q u a r t z d y n e 的传 感器，压力计精确度达到了0 0 0 5 ，并且其抗震性能也普遍提 局。 电子技术的发展使电子压力计的存储容量进一步扩大。 压力计大多同时拥有直读式和存储两种功能。压力计通过接口 箱连接后，可直接与计算机的标准r s 2 3 2 串口连接通讯。 操作软件也逐步由d o s 版本向w i n d o w s 版本过渡，并且增 加了许多数据处理的功能。 第三代电子压力计生产于上世纪9 0 年代后期。这一代压力计充分 发挥最前沿的传感器技术和电子技术，使得电子压力计在各方面都有着 无比优越的性能，是电子压力计未来发展的潮流和方向。 传感器采用新型硅一蓝宝石传感器，体积小，最小直径仅为 1 9 m m ，精确度及分辨率分别可达到0 0 0 2 5 和0 0 0 0 4 。 采用大规模集成电路设计，减小压力计的体积、功耗，压力计 的存储容量可达到5 0 万至1 0 0 万组数据点。 压力计的使用较以前更加简单、方便。 国产电子压力计是国内的电子压力计随着国外电子压力计的引进， 在上世纪9 0 年代初期陆续发展起来4 j 。由于进口压力计价格昂贵，维 修服务费高，难以在国内大规模应用。国产压力计经过长时间的发展， 也从最初的简单模仿到开始自行研发，从最初的一味地追求低成本到开 始追求高精度。通过各种方法，积极地改进压力计的性能。以国内的上 海敏榆实业出品的压力计为例，目前其精度等级已经覆盖0 0 0 5 级、o 0 1 级、0 0 2 级、0 0 5 级。这虽然和以国外d h 公司为代表的进口压力计相 武汉t 程大学硕士学位论文 比还有很大差距，但要看到的是这种差距正在慢慢缩小。 1 3 压力计标定装置的发展状况 压力计标定装置的发展是和压力计的技术进步密不可分的“”。油 田现有压力计标定装置一般由活塞式压力计和恒温浴组成。活塞式压力 计提供标准压力源，如图1 - 1 所示。恒温浴提供被标定仪器的标准温度 环境。 图卜1 二等活器压力计 二等活塞式压力计常简称活塞压力计或压力计，也有称之为压力天 平，主要用于计量室、实验室以及生产或科学实验环节作为压力基准器 使用，也有将活塞式压力计直接应用于高可靠性监测环节对当地其它仪 表的表决监测。活塞式压力计是基于帕斯卡定律及流体静力学平衡原理 产生的一种高准确度、高复现性和高可信度的标准压力计量仪器。活塞 式压力计是通过将专用砝码加载在已知有效面积的活塞上所产生的压 强来表达精确压力量值的，由于活塞式压力相对其它压力测量仪器其测 量结果极具真值可信、性能更显稳定，因此，活塞式压力计在其领域内 有着相当广泛的应用。国际上常将活塞式压力计作为国家基准和工作基 准或压力计量标准器。 第1 章绪论 早期的标定装置主要应用于机械式压力计，都是由人工手动操作， 人为误差较大。所以这一套设备在标定过程中的工作量非常繁重，精度 也不高。 随着电子技术和自动控制技术的高速发展，尤其是计算机在工业上 的普及应用，压力计标定装置的自动化程度大大提高。这一阶段电子压 力计刚刚诞生，对标定装置的精度以及信号采集时间都有了进一步要 求，检定规程对压力计的温度适应性也作出了要求，因此产生了具有可 控恒温箱、更新改造便于操作的二等活塞标准压力源、微机操作界面以 及数据自动采集、读取和计算的数据处理系统h 1 。这一装置相比过去， 操作方便，标定精度高，数据处理方便。但加压过程和温度调整过程还 处于手工状态。产生标准压力源的砝码需要工作人员手动的搬上或放 下，根据国家检定规程，电子压力计全性能标定至少需要进行四个温度 点，每个温度下压力标定点不少于五个，并且加减压循环三次操作。依 此计算，6 0 m p a 压力计设置6 个加压点标定，需来回搬动1 0 蚝的砝码 约1 1 0 次、重量累计1 1 0 0 k g ，同时还要随时转动加压丝杠进行压力调节。 而且车间的工作环境也不利于工人的身体健康，因此，迫切需要研制出 一种精度高、操作简单、劳动强度低、效率高的压力计标定装置。 新一代电子压力计标定装置主要以标定精度高、自动化程度高为主 要发展方向。通过采用进口恒温油浴替代过去的恒温空气浴，使得系统 温度控制的精度由过去的1 减小到0 2 ，标定装置加入很多检测 和控制电路，确保系统的安全和稳定。通过增加补偿单元，及时增压或 减压，确保为压力计提供准确的压力。通过引入气动元件，构成机械手 装置，彻底改变标定过程中需要依赖工人手工增减砝码的局面。通过采 用m o d b u s t c p 协议，进行远程监控，可以使得工人不需要再在标定现 场进行标定，可以在远端进行遥控和指挥。如果是全自动标定过程，参 数设置好后，基本上可以不需要人工参与。 1 4 本文研究的主要内容 通过大量的查阅资料和考查当前全自动标定装置技术发展的现状， 武汉 程大学硕士学位论文 展示了全自动标定装置的发展历程以及今后的发展方向。全自动标定装 置的硬件组成部分可以分为如下四部分： 标准压力源 标准温度源 r t u 测量控制系统 p c 监控系统 系统结构如图1 2 所示。标准压力源主要负责为压力计提供标准的 压力。标准温度源主要为压力计快速准确地提供环境温度。通过采用德 国进口的恒温油浴来提高温度控制系统的精度。恒温油浴通过串口和 r t u 进行通讯。r t u 测量控制系统主要是监测和控制标准压力源和标准 温度源运行的状态。p c 监控系统主要是给用户提供人机界面，并保存压 力计标定的数据。 标准温度源 图1 - 2 全自动标定装置系统整体框图 为了达到用户远程控制的目标，还要实现远程监控p c 端和r t u 端 进行通讯的m o d b u s t c p 网络通信协议。 压力计标定算法的研究也是本文研究的一大重点。非线性是测量系 统和控制系统中的一个非常普遍的问题，有效的解决非线性映射问题， 将会极大的从软件上提高压力计标定的精度等级。借助m a t l a b 强大的数 学运算能力，对实验数据进行分析，研究适合压力计非线性特性的标定 算法。 第2 章标准压力源设计 第2 章标准压力源设计 在监控端p c 设置指定的压力后，通过标准压力源为被标定压力计 施加准确且稳定的压力。标准压力源由活塞系统、砝码增减装置、丝杆 调压系统、质量补偿机构等部件组成。系统结构如图2 - 1 所示。 21 活塞系统 图2l 全自动标定压力调节装置结构图 活塞系统利用活塞式压力计的工作原理，为系统提供准确的压力 主要由活塞式雎力汁、活塞温度传感器、活采位置传感器组成。 武汉t 程大学硕十学位论文 2 1 1 活塞式压力计工作原理 活塞式压力计是基于帕斯卡定律及流体静力学平衡原理产生的一 种高准确度、高复现性和高可信度的标准压力计量仪器。活塞式压力计 是通过将专用砝码加载在己知有效面积的活塞上所产生的压强来表达 精确压力量值的。如图2 2 所示。 图2 2 活塞式压力计不意图 压力公式为： 聊2 p = 寺 p ：测量压力 u m ：作用在活塞上的砝码质量 g ：使用地重力加速度 s ：活塞有效面积 影响活塞式压力计压力准确度的因素有： 使用的重力加速度 例：编号为9 8 0 3 ，0 0 0 5 ，1 - - 6 0 m p a ，活塞面积为0 0 9 8 0 4 6 平方厘米，配置整数质量砝码的活塞压力计。在2 0 ，6 0 m p a ，标 准重力加速度( g = 9 8 0 6 6 5 ) 环境下使用时，需加砝码质量理论值为 m = 5 9 9 9 6 6 8 8 k g ，女, d i l 砝码6 0 k g ，压力误差为0 0 0 5 ；若在济南使 用( 当地重力加速度为g = 9 7 9 8 8 ) ，同样在2 0 。c ，6 0 m p a 条件下， 则需加砝码质量理论值为m = 6 0 0 4 4 7 5 2k g ，若实际加砝码仍为 6 0 k g ，则压力为5 9 9 6 m p a ，产生的压力误差达0 0 7 。 活塞系统温度 第2 章标准压力源设计 例：编号为9 8 0 3 ，o 0 0 5 ，1 6 0 m p a ，活塞面积为0 0 9 8 0 4 6 平方厘米的活塞压力计。活塞温度在3 0 时，若不补偿则压力误 差为o 0 1 8 。 活塞系统材料变形 活塞变形影响的公式是：s - s 1 + 4 0 0 ) s ：活塞有效面积 s o ：2 0 时活塞有效面积 入：活塞变形系数 p o ： 活塞系统未变形时的压力 例如：o 0 5 级5 2 5 0 m p a 、活塞有效面积为0 0 4 9 9 8 c m 2 的活 塞式压力计，如要加压1 0 m p a ，则在压力5 m p a 、1 0 m p a 时的砝码 质量分别为：m 0 = 2 4 9 9 3 8k g ， m l - 2 4 9 9 4 7k g 。 液位高度差 液位高度差的公式是：a p = p h g p ：液位高度差产生的压力差 p ：传压介质的密度，油取0 9 9 c m 3 h ：液位高度 g ：重力加速度 1 米传压油液位高度差产生压力误差为0 0 0 9 m p a 。 这些影响因素中，只有活塞系统的温度是实时影响压力计准确度 的。在什么地方使用活塞压力计，就使用该地的重力加速度值。由于活 塞的面积非常小，所以一点点的变形会导致活塞产生的压力出现很大的 偏差。活塞和压力计所处的水平液位高度差也是影响压力的一个重要因 素，在实际操作过程中应尽量保证其在同一水平线上。在全自动标定装 置出现以前，压力的施加均为开环系统，压力的计算和这些因素有影响 有着很大的关系，所以计算的过程非常烦琐。通过引入活塞温度传感器 和更高精度的压力计，使压力的输出变成一个闭环控制系统。通过压力 计检测输出的压力和给定压力的差值，控制质量补偿装置对压力进行修 正，使其输出的压力和给定的压力相等。 武汉工程大学硕士学位论文 2 1 2 活塞温度传感器 因为活塞内的油在受n ； i - 界压力时，会导致温度升高。而活塞压力 计出厂时，活塞是在标准环境温度( 2 0 4 - i 。c ) 条件下测定的。因此， 当环境温度发生变化导致活塞系统温度超出规定使用范围时，必须进行 温度修正补偿。通过加入一个温度传感器，实时监测活塞处的温度，对 系统的压力进行温度补偿。 2 1 3 活塞位置传感器 活塞位置传感器检测活塞所处的位置，活塞位置传感器可以安装在 承重杆上，因为承重杆和活塞是相连的，控制承重杆的高度也就控制了 活塞的高度。活塞位置太低，活塞在旋转过程中容易碰着底坐，使得活 塞输出压力不够准确。这说明丝杆调节的压力不够，需要增加丝杆调节 压力，让活塞升起来。活塞位置太高，在旋转的过程中容易出现摇晃， 使得活塞输出压力不够准确。这说明丝杆调节压力太大，需要减小丝杆 调节压力，让活塞降下去。 2 2 砝码增减装置 砝码增减装置是系统压力产生、调整的执行机构。根据p c 端所设 定的压力值，计算出所需质量的砝码序号组合，通过r t u 控制机械手 施加相应的砝码，从而给被检测仪器施加给定的压力。机械部分主要由 底座支架、标准砝码、气缸驱动砝码托爪机构、承重杆和活塞旋转电机 等组成。如图2 3 所示。一个机械手是由一个气缸和三个连动的机械爪 组成，控制一块砝码。气缸在净化空气的推动时，机械手将砝码抱起， 处于待工作状态。气缸回缩，机械手将砝码松开，处于工作状态。 底座、支撑立柱、上、下固定板组成砝码加减装置的整体机架部分。 由气源和砝码调度控制系统组成机械手，执行控制系统的指令，气源提 供动力源，推动汽缸运动完成机械手加减砝码的过程。所有的气缸均由 第2 章标准压力渊设计 r t u 的i o 管脚进行控制。机械手松开砝码加在活塞上，反之，砝码没 有加上，这样就完成了一套完整的砝码调度程序。加在活塞上的砝码对 活塞施加力的作用，压力通过传压模块将压力传给待标定的仪器，完成 加压的初步过程。 图23 全自动标定装置砝码增减装置机械图 承晕杆主要用于维持压力的平稳，砝码的重量全部通过承重杆加压 在活塞上。通过缓慢地旋转承重杆，可以使得施加在活塞上的压力非常 均匀。利用两对光电管检测承重杆的位置，通过a d 采样同时测量两对 光电管的输m 电压，当两者电压相等时，表不承重杆正处于中间，压力 处于1 z 衡过程巾。电压不相等时，通过矩杠调节系统增压或减压，使光 i u 管输出电压相等。 承重杆的旋转丰要由顶部的小直流电动机控制，旋转速度不需要太 快，缓慢、匀速地旋转即可。控制直流电动机的输入电压即可以控制承 重杆的旋转。 武汉丁程大学硕七学位论文 2 3 丝杆调压系统 丝杆调压也是系统压力产生、调整的执行机构，用来对被标压力计 施加给定的压力进行微调，使之达到准确。其结构主要由储油箱、丝杆、 丝杆行程保护和丝杆旋转电机系统等组成。 活塞上的储油箱用来给活塞注油，使得油管中总是真空，如果油槽 的液位过低，将会使得油管中混入空气，影响压力的测量。 r t u 根据活塞位置的信号判断丝杆系统的运转方向，控制步进电动 机正反运转，并根据活塞远离中心的程度，控制步进电动机运转的速 度，在趋近设定压力时，丝杆进入爬行控制区( 点动运转) ，确保准确 到达设定压力值。步进电动机由r t u 通过i o 口进行控制。在稳压过程 中还能继续补偿压力的衰减，保障稳压过程的平衡。在丝杆的两端还分 别装有接近开关，在系统出现死机或是其它意外情况时可以让控制系统 断电，保证系统安全可靠运行。 2 4 质量补偿机构 由于活塞系统提供的压力与设定的压力值总是有误差，很多因素都 会影响这个误差，这时就需要对系统的压力进行补偿。补偿砝码均吊置 在承重杆的顶端托盘上。由5 0 毫克5 0 克的标准砝码组成，每一个砝 码均由一个小气缸单独进行控制。当根据检测出的压力差值计算出所要 施加的补偿砝码的组合后，通过r t u 的i o 引脚控制小气缸工作。通过 气缸来控制砝码是否放置在承重杆上，从而为系统进行压力补偿。 第3 章r t u 端嵌入式l i n u x 移植 第3 章r t u 端嵌入式lin u x 移植 传统的嵌入式开发环境一般需要仿真器，集成开发环境i d e 等。随 着调试技术的发展，很多c p u 都支持通过j t a g 口下载调试，目前特别 是在l i n u x 开发环境下，集成开发环境i d e 还不是很完善，通过j t a g 烧写f l a s h 工具和串口进行调试就成为了最好的选择。l i n u x 下的自由软 件g n ug c c 可以完成几乎所有知名c p u 的交叉编译，并可以用g d b 等 调试工具进行单步调试应用程序。 在进行嵌入式l i n u x 项目开发之前，首先要做的就是搭建交叉编译 环境。交叉编译简单地说，就是在一个平台上生成另一个平台上的可执 行代码。这里的平台，实际上包含两个概念：体系结构( a r c h i t e c h t u r e ) 、 操作系统( o p e r a t i n gs y s t e m ) 。同一个体系结构可以运行不同的操作系统， 同一个操作系统也可以在不同的体系结构上运行。在大多数情况下，由 于嵌入式目标平台上不能提供足够的资源供编译过程使用，或者是嵌入 式目标平台上根本无法安装对应所需要的编译器，只好采用交叉编译 器，将编译工作转移到高性的宿主机上进行。宿主机是开发平台，用于 运行各种开发工具，如交叉编译工具，最终生成目标平台的代码，目标 机则运行交叉编译好的目标代码。宿主机与目标机之间可以通过串口或 网络实现通信。 建立一个交叉编译工具链是一个相当复杂的过程，编译v i v i 可以直 接从网络上下载已经编译好的版本号为2 9 5 3 的交叉编译工具链， f l p ：f l p a r m 1 i n u x o r g u k p u b a r m l i n u x t o o l c h a i n c r o s s 一2 9 5 3 t a r b z 2 ，编译 内核和应用程序则应该使用版本号为3 4 1 的交叉编译工具链， f l p ：f l p h a n d h e l d s o r g p r o j f e c t s t o o l c h a i n a r m 1 i n u x g c c 一3 4 1 t a r b z 2 。将交 叉编译器均解压缩在u s f f l o c a l a r m 目录下。 3 1v ivi 移植 b o o t l o a d e r 是嵌入式系统软件开发的第一个环节，它将软硬件紧密 武汉t 程大学硕十学位论文 地衔接在一起，对于一个嵌入式设备后续的软件开发至关重要。v i v i 是 由韩国m i z i 公司开发的一种b o o t l o a d e r ，适合a r m 9 处理器，支持三星 的$ 3 c 2 4 1 0 x 处理器。和所有的b o o t l o a d e r 一样，v i v i 有两种工作模式， 即启动加载模式和下载模式。当v i v i 处于下载模式时，它为用户提供一 个命令行接口，通过该接口能使用v i v i 提供的一些命令集。对v i v i 的常 用命令总结如表3 - 1 所示。 表3 - 1v i v i 命令列表 命令功能 l o a d 把二进制文件载入f l a s h 或者r a m 中 p a r t 操作m t d 分区信息 p a r a m 设置参数 b o o t 启动系统 f l a s h 管理f l a s h ，如删除f l a s h 的数据 b o n 为f l a s h 分区 在网上下载v i v i 源代码，进行交叉编译。 3 1 1vivi 的m a k e l ：iie 修改 交叉编译前首先要修改m a k e f i l e ，选择使用交叉编译器进行编译。 打开m a k e f i l e 文件，修改如下行，保存。 a r c h ：= a r m l i n u xi n c l u d ed i r = u s r l o c a l a r m 2 9 5 3 i n c l u d e h o s t c c = g c c c r o s sc o m p i l e = u s r l o c a l a r m 2 9 5 3 b i n a r m 1 i n u x 一 3 1 2vlvi 的分区表修改 v i v i 分区指的是给引导程序、内核映象、文件系统等在n a n df l a s h 上分配空间及起始地址。根据本系统的需求，m t d 分区表的分区情况 第3 章r t u 端嵌入式l i n u x 移植 如表3 2 所示。 表3 - 2j g i d 分区情况 分区名分区的作用分区大小分区地址范围 v i v i 区 存放v i v i1 2 8 k 字节 0 x 0 0 0 0 0 0 0 0 0 x 0 0 0 2 0 0 0 0 p a r a m 区存放引导内核k e r n e l 的命“k 字节 0 x 0 0 0 2 ( ) 0 0 0 0 x 0 0 0 3 0 0 0 0 令行参数 k e r n e l 区 存放内核镜像z l m a g e 1 8 5 6 k 字节 0 x 0 0 0 3 0 0 0 0 0 x 0 0 2 0 0 0 0 0 r o o t 区存放根文件系统 6 0 m 字节 o x 0 0 2 0 0 0 0 0 0 x 0 3 c 0 0 0 0 0 打开v i v i 源代码下的a r c h s 3 c 2 4 1 0 s m d k c 文件，按照如下所示修改， 保存。 # i f d e fc o n f i g $ 3 c 2 4 1 0 n a n d b o o t m t d _ p a r t i t i o n _ td e f a u l t _ m t d _ p a r t i t i o n s 】= n a m e ： ”v i v i ， o f f s e t ：0 ， s i z e ：0 x 0 0 0 2 0 0 0 0 ， f l a g ：0 ) ， n a m e ： p a r a m ”， o f f s e t ：0 x 0 0 0 2 0 0 0 0 ， s i z e ： o x 0 0 0 1 0 0 0 0 ， f l a g ：0 ) ， n a m e ： k e r n e l ”， o f f s e t ： o x 0 0 0 3 0 0 0 0 ， s i z e ： o x o o l d 0 0 0 0 ， f l a g ：0 ) ， n a m e ： ”r o o t ， o f f s e t ：0 x 0 0 2 0 0 0 0 0 武汉t 程大学硕士学1 1 ：) ：论文 ) ； # e n d i f s l z e ： f l a g ： 0 x 0 3 c 0 0 0 0 0 ， m fb o n f s 3 1 3vivi 的头文件修改 由于v i v i 文件中对处理器的配置都是通过调用外部定义常数或宏来 实现，所以针对$ 3 c 2 4 1 0 x 处理器，只需要修改外部定义的初始值即可。 打开v i v i i n c l u d e p l a t f o r m s m d k 2 4 1 0 h 头文件，根据具体的硬件目标板资 源来修改相关的参数，包括串口波特率、处理器时钟、通用i o 口初始 值、v i v i 引导参数和物理内存映射地址等。 3 1 4vivi 的配置和编译 v i v i 修改好后，在宿主机的串口终端中，进入v i v i 的根目录下，输 入如下命令进入配置界面。 r o o t l o c a l h o s tv i v i # m a k em e n u c o n f i g 进行简单的配置后，即可输入m a k e 进行编译，将会在当前目录下 生成v i v i 二进制镜像文件。如果a r m 板是第一次烧写v i v i ，则只能通 过j t a g 接口下载v i v i 镜像，如果a r m 板中已经固化有v i v i ，则可以 通过串口下载v i v i 镜像。 3 2 嵌入式l in u x 2 6 16 移植 l i n u x 系统采用单一内核机制，但这丝毫没有影响l i n u x 系统的平 台无关性和可扩展性。一方面，通过分离硬件相关代码和硬件无关代码， 使上层代码不必关心底层代码如何实现，而且硬件相关部分的代码不 多，所以更换硬件平台后，需要改动的代码不多。另一方面，l i n u x 使 第3 章r t u 端嵌入式l i n u x 移植 用内核机制很好地解决了扩展问题，一系列代码可以在需要的时候轻松 地加载或卸下。 l i n u x 内核可以看作由5 个功能部分组成：进程管理( 包括调度和 通信) 、内存管理、设备管理、虚拟文件系统、网络。它们之间有着复 杂的调用关系，但是在移植过程中不会触及太多，因为l i n u x 内核良好 的分层结构使得开发者只需要关心那些与硬件平台相关的代码。 从开源网站( w w w k e r n e l o r g p u b l i n u x k e r n e l v 2 6 ) 上下载内核源代 码l i n u x 2 6 1 6 t a r b z 2 。在p c 宿主机上l i n u x 系统开发环境的终端下解 压缩。 项层目录的m a k e f i l e 文件是整个内核配置编译的核心文件，负责组 织目录树中子目录的编译管理。内核源码的项层目录下有许多子目录， 分别组织存放各种内核子系统或者文件。具体的目录说明如表3 3 所示。 表3 - 3l i n u x 内核源码树目录说明 a r c h 体系结构相关的代码，如a r c h a r m ，a r c h i 3 8 6 c r y p t o在c r y p t o 目录下是各种加密算法的实现 d r i v e r s 各种设备驱动程序，如d r i v e r s c h a r ，d r i v e r s b l o c k d o c u m e n t a t i o n 内核文档 f s 文件系统，如f s e x t 3 ，f s j f f s 2 i n c l u d e 内核头文件，i n c l u d e a s m 是体系结构相关的头文件，它是 i n c l u d e a s m a r m 、i n c l u d e a s m i 3 8 6 等目录的链接。i n c l u d e l i n u x 是l i n u x 内核基本的头文件 i n i “ l i n u x 初始化，如m a i n c i p c 进程间通信的代码 k e r n e l l i n u x 内核核心代码 l i b 各种库子程序，如z l i b ，c r c 3 2 m m 内存管理相关代码 n e t 网络支持代码，主要是网络协议 s o u n d 声音驱动的支持 武汉丁程大学硕士学位论文 s c r i p t s 内部或者外部使用的脚本 u s r 用户的代码 3 2 1lin u x 的m a k e riie 修改 打开l i n u x 一2 6 1 6 根目录下的m a k e f i l e 文件，这里需要修改的主要 内容是定义目标代码的类型和为编译内核指定一个编译器，编译内核采 用版本号为3 4 1 的交叉编译器。按照如下所示修改，保存。 a r c h：= a r m c r o s s c o m p i l e = u s r l o c a l a r m 3 4 1 b i n a r m l i n u x - 3 2 2lin u x 的分区修改 l i n u x 2 6 内核的m t d 分区能够支持r o m 、r a m 、f l a s h ( n o r 和 n a n d ) 等存储芯片。m t d 同时可提供两类m t d 驱动程序，一类是m t d 设备地址空间的映射，提供直接访问设备的操作；另一类则为建立文件 系统提供基础。在基于l i n u x 2 6 内核的$ 3 c 2 4 1 0 开发板上，n a n df l a s h 上各段存储空间都被定义成m t d 分区来管理的，各分区都可以通过 l i n u x 系统中的设备文件来访问。所以在内核中必须有m t d 对引导程 序、内核映像、文件系统在n a n df l a s h 上的分区信息。 从n a n df l a s h 启动时，$ 3 c 2 4 1 0 硬件会自动把n a n d f l a s h 前4 k 代 码拷贝芯片内部r a m 空间，c p u 其实是从内部r a m 开始执行代码的， 所以v i v i 必须放到n a n d f l a s h 顶端。v i v i 开始执行后将初始化硬件设备、 建立内存空间映射表，为调用内核做好准备；然后把压缩的内核映像加 载到s d r a m 中；最后跳转到内核映像入口，启动内核。 内核m t d 分区必须与v i v i 分区相一致。因为，v i v i 分区中的地址 是引导程序、内核映像及文件系统下载到n a n df l a s h 的真正地址；而内 核启动时，内核并不是去读v i v i 分区中的地址，而是去读内核m t d 分 区设定的地址；所以，如果内核m t d 分区与v i v i 分区不相同，很可能 导致不能正常启动内核及读取文件系统。 第3 章r t u 端嵌入式l i n u x 移植 在内核a r c h a r m m a c h s 3 c 2 4 1 0 d e v s c 文件中： 增加头文件 # i n c l u d e # i n c l u d e # i n c l u d e 建立n a n df l a s h 分区表，分区大小、类型和之前v i v i 的m t d 分区保 持一致。由于l i n u x 2 6 1 6 默认没有分区信息，所以需要手动在内核中 增加分区表信息。 ( 1 )在* n a n dc o n t r o l * 前建立n a n df l a s h 分区表 s t r u c tm t d _ p a r t i t i o ns 3 c _ n a