（电力电子与电力传动专业论文）综合测井系统的开发与研制.pdf

a b s t r a c t t h em e a s u r e m e n t so ft h ew e l ld e p t ha n di n d i c a t o rd i a g r a ma r et h em o s tc o m m o nt e c h n i q u e s i nw e l tl o g g i n gt e c h n o l o g y f o rt h et r a d i t i o n a li n s t r u m e n t st h e r ea r eal o to fd i s a d v a n t a g e ss u c ha s b i gv o l u m e ，l o wp r e c i s i o n w h i c hc o u l d n tm e e tt h en e e do fw e l l l o g g i n g ，t h i s t h e s i s m a i n l y d e s c r i b e st h ei n t e g r a t ei n s t r u m e n tw i t hm u l t i - f u n c t i o na n dw h i c hi sp o r a b l e ， i no u r s y s t e m ，t h et r a d i t i o n a li n s t r u m e n t so fw e l id e p t hm e a s u r e i n ga n di n d i c a t o rd i a g r a ma l e c o m b i n e di n t oo n e i nt h es i d eo fh a r d w a r e ，t h ee m b e d d e ds y s t e mw i t ht h ec o r eo f8 0 c 1 9 6i s d e s i g n e d w h a t sm o r e ，t h es y s t e mi n c l u d e sk e y b o a r di n p u t ，l i q u i dc r y s t a ld i s p l a ya n df l a s h m e m o r i z e r i nt h es i d eo f s o f t w a r e ，t h e r e a r es o m em o u d l e s s u c ha st h e m e a s ur e m en tso ft hew e i id e p t ha n d ind ica t ord i a g r a m ，i n q u i s i t i o n ， c o m m u n i c a t i o n ，c o m p u t i n g , d e m a r c a t e ，s e r i n g t h er e s e a r c hw o r ki nt h i st h e s i si sd e c r i b e da sf o l l o w s ： i s o m er e s e a r c h e sa r em a d eo nt h e p r i n c i p l e o fw 6 1 1 l o g g i n gt e c h n o l o g y , m e a s u r i n g m e t h o d sa n dt h et h e o r yo f s i g n a lf i l t e r i n gu s u a l l yu s e do nw e l ll o g g i n g t e c h n o l o g y 2 a c c o r d i n g t ot h ew e l ll o g g i n gr e q u i r e m e n t ，t h ee m b e d d e ds y s t e mw i t h8 0 c 1 9 6 ，i n t e r f a c e c i r c u i t ，a n dt h ec i r c u i to fs i g n a la d j u s t i n go nt h ew e l ld e p t ha n di n d i c a t o rd i a g r a ma l e d e s i g n e d 3 as o f t w a r es y s t e mw i t hs t r o n gf u n c t i o na n dc o n v e n i e n t o p e r a t i o ni sd e s i g n e d i naw o r d ，t h e t e s t i n gr e s u l tn i c e l yp r o v e st h es t a b i l i t yd e s i g ni nb o t hs o f t w a r ea n dh a r d w a r e k e yw o r d ：t h er e f l e c t i n g w a v ei n d i c a t o r d i a g r a m 8 0 c1 9 6 m c uw e l l l o g g i n g f i l t e r i n g 第一章绪论 1 1 引言 测井是油气藏工程的组成部分，它涉及到汕层物理、储层物性、流体胜质、 计算机技术、测试工艺和仪器仪表等各个领域，是勘探丌发油气f 升的主要技术手 段。现在，测井技术已经是准确发现油气层和精细描述油气藏必不可少的手段， 测井资料更是进行油气储量参数计算、产能评估及制定与调整丌发方案的重要依 据。测井仪器的发展也在不断的向智能化、可视化、高精度、便携式方向发展。 近几十年来，国内试井技术发展很快。我国从一九八四年第一届试井工作 会议以来，试井工作有了很大发展。我国引进了一批高精度的常规试井仪表、设 备，以及电子压力计测试系统、地层测试仪等先进设备，使我国的测试技术装备 状况有所改观。1 9 8 7 年石油科技装备委员会成立，石油科技司和装备委员会对开 发试验提出的要求是在部分引进的基础上实行开发试验仪器国产化。 在诸多的试井技术中，测量油井液面深度和抽油机的功图是采油工程中最 常用的两项试井技术。 为了了解油井的供液能力，掌握生产动态，测量油井的液面深度是一项经 常性的工作。井深的测量一般采用声波测量法，利用声波在空气中传播遇到障碍 物会发生反射的原理，通过与套管连接的井口连接器，击发一颓子弹产生声脉冲， 声脉冲通过套管环隙中的空气向下传播，当遇到油管间的接箍、音标和液面等障 碍物时便产生反射脉冲，返回的声脉冲由井口的微音器接收并转换成电流信号， 通过两个通道放大和整形滤波后，输出液面波图形并可计算液面深度。 为了了解抽油机井、泵、杆的工作状况，需测取抽油井的功图( 所谓功图， 指的是根据抽油机光杆负荷变化与位移变化画出来的二维曲线) ，并将测得的功 图曲线与功图曲线库中的曲线对比，及时发现油井存在的问题。其工作原理是把 载荷传感器装在抽油机悬绳器上、下夹板中，把光杆负载的变化转交为弹性体的 形变，导致应变片电阻值的变化，从而产生对应于光杆载荷变化的电信号。位移 的测量是利用抽油机游梁带动位移传感器线轮，进而滑动内部电位器产生对应位 移的电信号。抽油机井工作状态的豁测包括对抽油机驴头悬点载茼的峪测、抽油 机游粱位移的监测、油井压力的监测等。其中抽油机驴头悬点载荷的监删意义卜 分重大，有了它可以实现事故超限e i 动停机报警剪j 功图自动连续采集。霄r 载街 传感器和位移传感器，抽油机控制器就可连续采集功图信息，并把它传回中控 窒，阿应用功图渗断软件输出包括地面功图和井下泵功图等内容的渗断报告， 根据这些报告提供的数据和信息，提出对抽油井的措施建议。 液面探测仪和抽油井功图测试仪器作为油用采油系统的必备工具，需求量很 大。而目前我国油田上所使用的这两种试井仪器功能单一，只能测试液深或功图 数据中的一种，并且存在着体积大、造价高、测量精度低等缺点，给测井工人带来 极大的不便。基于这种现象，国内已有这方面的开发研制，这不仅能推动了我国 采油试井系统的发展，也是智能仪器的一个大的市场。 本文就是智能综合试井系统的个开发研制实例，这种测井仪将传统的液 面探测仪和抽油机功图测试仪两种仪器合为一体，不仅提高了设备的集成度、智 能化和测量精度，也便于试井队的携带使用，有很高的实用价值。不过本文仅是对 综合试井系统的初步研制，还有许多问题有待进一步的研究和完善。 1 2 本文的主要工作 本论文在充分研究试井技术原理的基础上，参考单片机测试系统结构以及 信号滤波技术的有关文献资料，经历了方案论证、硬件系统设计、软件丌发、系 统调试和现场试验等几个阶段实现了一定的预期目的。 本文的主要工作有： 第一章：绪论简述本论文研究工作的背景、重要性与目的。 第二章：测井仪开发的理论基础详细介绍本文所用到的试井技术原理， 对常用的硬件滤波方法也做了论述。 第三章：测并仅的总体设计介绍了测井仪的软硬件总体设计。根据试井 要求设i f - t 以8 0 c 1 9 6 为核心的硬件体系结构；对软件系统作了模块划分。 第四章：测井仪的硬件设计介绍了硬件电路的具体实现，包括单片机系 统及其接口电路、液面功图信号调理电路以及m b m 3 0 l 0 0 6 4 硬件电路的设计 等。 第五章：测井仪的软件设计对各软件模块的具体实现作了深入的阐述。 第六章：现场测试结果分析 介绍现场测试环境和测试方法，分析洲试结 果，总结本试井系统的可行之处及不足之处并提出改进方法。 第二章测井仪开发的理论基础 本测井仅主要用来测试汕井的液面深度和抽油机的功图。下面介绍这两 种试井方法的原理以及试井过程中经常用到的模拟滤波方法。 2 1 井深测量的基本原理 为了了解油井的供液能力，掌握生产动态，需要经常测试油井的液面深度。 2 1 1测量反射波的基本原理 通常油井液面深度测量仪是按照声波回波原理进行工作的，图2 - 1 为油井液 面深度测量的现场示意图。 在实际操作中，为了不干扰油井中的抽油杆，通常把测井仪接到油井套管环隙 处。先关上井口套筒阀门，测量井口套压，如果5 m i n 内套压没有上升，说明并筒内 没有形成饱和油气柱，这时启动安装在井口外面的高压气枪，向井内发射一个声脉 冲，声脉冲通过套管环隙中的空气向下传播，当遇到油管接箍、音标( 预先埋设 的一个比较大的障碍物) 和液面时便向上反射，反射回的声脉冲由微音器( 安装在 井口) 接收并转换成电脉冲，通过两个通道放大、滤波后，将两路声脉冲波形输 出显示。一路信号程录原始的声反射波信号。包括高频信号：另一路信号只记录 液面、音标和接箍反射波的低频信号。 图2 - 1 液深测量原理图 f f 常情况下采集到的液面波7 肜丘图2 2 所示。 l 【l 下图可以看出，随着声波信号进入井的深度逐渐加大，遇到接箍时反射回 米的声波信号越来越弱。当遇到较大的障碍物如音标时，反射回束的声波信号较 图2 - 2液面波形图 强所以，波形会有一个较大的波动。同样，当遇到液面时，声波进入不同的介质，绝 大部分的声波信号都将反射回来。 下面具体介绍测量井深的基本原理、仪器设备和井深计算方法。 2 1 2测量仪器组成 测声部分主要由两大部分组成：发声一转换系统和记录仪表。 l 、发声一转换系统 发声一转换系统包括发音器、收音室 ( 1 ) 发音器包括枪机、枪体、子弹和枪管。 ( 2 ) 收音室安装在枪体侧面，通过枪体上的声道孔接收反射回的声压信 号。收音室内装有换能器，它将收音室接收到的声压信号转变成电信号输 出，供二次仪表接收记录。 2 、记录仪表 记录仪表包括放大一滤波电路、数据采集扳、充电器。反射波电信号经电缆 输往记录仪表，通过滤波电路和数据采集板，山输出设备将反射波形输出。 2 1 3 液深测量步骤 本测井系统测液面深度时，在连接好发音一转换器后，首先要输入待测井的 井号；然后设定此次测量的放大倍数( 1 8 ) ，回车进入等待界面；击发子弹， 测井仪开始采集数据。测井仪将采集到的数据存入缓冲区，同时在l c d 液晶屏 幕上显示液面波波形。若测井工人认为所测波形f 确，则将所测数据及井号、f 1 期存入f l a s i 。若测井工人认为所测波形不j i 二确，则重新测量，直至满意为止。 2 1 4 液深计算方法 i 、计算原理 液深计算采用比例算法。印 童塑鋈鏖：茎鋈 一油管氏度 音标波距起始位的长度液而波距起始位的跃度接箍渡丽：i ；反 图2 3 为所测得的声反射波示意图。下面具体晓明井深的汁算方法。 如下图所示，已知： 图2 - 3 声反射波示意图 油管长度为l ( 两接箍间的距离) ： 音标的深度为l ( 音标是预先埋置的，其长度已知) ： 通过液晶显示屏可知一个接箍波显示点数为一，起始位到音标波的显示点数为 ”：；起始位到液面波的显示点数为m ： 设液面的深度为i - i ； 液面计算方法有两种：接箍法和音标法。 1 ) 接箍法：取接箍波个数为n ( 从任意位置开始取) ， 旦：堕：一个采样周期内反射波传播的距离 f i lnx h 所以， = 土竽，由上式可以看出，实际计算时，取的接箍波个数越多越 精确，一般取1 0 个左右。 2 ) 音标法 尝：三：一个采样周期内的反射波传播的距离 ，” 盯、 所以，：尘竺 ”、 2 、液深计算的基本步骤 本测井系统计算液面深度时，首先按井号将数据从f l a s h 中渊出，然后 选择计算方法：接箍法或音标法。若选择接箍法，需要设定接箍即油管长度，一 般系统默认油管长度为9 8 米，若有变化可输入实际值；若选择音标法，则需要 设定音标深度。设定好计算方法后，回车在l c d 上显示反射波波形，按动键盘 一、一键，可控制l c d 屏幕上的定位光标左右移动。若是选用接箍法， 将光标分别定位到接箍波起始点、距起始点后1 0 个接箍波位置和液面反射波位 置，并将三点的液晶屏幕位置数据存入寄存器。若是选用音标法。则将定位光标 分别定位到音标波位置和液面反射波位置，并将两点的液晶屏幕位置数据存入寄 存器。最后调用计算井深的公式，将标志位参数代入即可得到计算结果。 2 2 测功图原理 。 将石油从地下几百米乃至几千米的油层里输送到地面有两种方法。其一是依 靠石油本身在油层中所具有的静液柱压力和天然气的膨胀能量，通过油管将石 油从井底自举到地面；其二是因油井压力不足，需利用机械装置把石油采出地 面。我国的油田以机械采油为主，在机械采油井中应用最广泛的抽油机是油梁 式抽油机，其突出优点是结构简单、工作可靠、制造容易。为了给准确及时地提 供深井泵在井下工作状况的可靠资料，我们测取和解释功图，结合液面资料、出 油情况等可分析判断油田工作制度是否合理，进行抽油机参数的调整。 2 2 1 测试功图方法 图2 - 4 为测试功图的现场示意图。 首先将抽油机停止，将压力传感器平正的夹牢在抽油机悬绳上、下夹板之 i 可，压力触点朝上承受：悬绳夹板作用力，同时将位移传感器的线轮固定在井口。 测量前，首先输入井号，接着选定压力和位移信号的参数范围。压力有o 。3 0 k n 、 0 - 5 0 k n 、0 - 7 5 k n 、0 - 1 5 0 k n 四个范围，位移有o 2 0 m 、0 4 0 m 、0 、6 0 m 、0 - 8 0 m 四个范围。参数范围没定完毕，启动抽油机，压力传感器把光杆负荷的变化转变 为传感器壳体的形变，导致传感器应变，；+ 咆阻值的变化，从而产生对应于光杆戟 倚变化的 i ! i 信号。同时，抽汕机游梁f j _ t t l 动时带动位移f 。感器的线轮，经过l 成 速，带动电位器产生对应位移的电信号。r l j j 、位移信号通过五芯电缆传送给测 井仪。待工作稳定后，洲井仪7 l ：始采集数据。采完数据，将功圈曲线、最火钱衍、 最小栽衙、冲程和冲次等参数显示在l c d 屏幕上。测试完毕后，切断电源，墩 下传感器，拆除全部电缆并绕好。 fl 悬绳下夹板了 陪绳厶 ， i 缪羹簿耋萋j 蘩 兰兰：= 二输油管 j 黪爹爹雾誉荔 n s 醛n 沁薅瀑、o 心 j 荔黪荔渗j 曲淹i 蕊漱 j 缓荔瀵鬻 蕊沁蕊心 ：斗：t n j 沁心、 图2 - 4测试功图原理图 2 2 2 测量仪器组成 主要由载荷和位移传感器以及记录仪组成。 1 、载荷和位移传感器 ( 1 ) 载荷传感器采用应变电阻式压力传感器，测量光秆负荷。 ( 2 ) 位移传感器采用线绕电位计式位移传感器，测量光杆位移。 2 、记录仪表 记录仪表包括数据采集板、信号滤波电路、显示电路。载荷和位移传感器产 生的电信号经电缆输往记录仪，通过滤波电路和数据采集电路，由输出设备 将功图绘出。 2 2 3抽油井工作状态判断 在实际生产中，抽油井的产量往往低于深井泵的理论排量。这是“t 于深井 泵在井下工作受到多种因素的影响，限制了它效率的发挥。因此，排除和减少不 利因素，充分发挥深井泵的生产效率与保证安全作业，成为抽汕井管理的重要方 面。影响深井泵生产效率的因紊很多，主要有两个方面，b 口来自地层方面的蜡、 气、砂的影响和深井泵本身结构的影响。 图2 5 中的6 个图，是j l , l ； b 比较腆型的示功图。图2 5 ( a ) 表示深- j i - 泵s f 4 - - f 常，可以安全的进行采汕作! 址。图2 5 ( b ) 表示石油中气体含量较高，需要做排 气处理。图2 5 ( c ) 表示固定凡尔严重漏失，致使抽油效率大为降低，需维修。图 2 5 ( d ) 表示深井泵蜡卡，可能造成断杆事故，必须立即断电停机，进行紧急处理。 图2 5 ( e ) 表示原油粘度过大，需采取措施降低粘度，不然有可能损坏深井泵。图 2 - 5 ( i 5 表示深井泵或抽油杆断脱，这是因监控人员脱岗或没有及时处理报警信息 造成的，需立即断电处理。 ( e ) 图2 - 5 示功图实例 ( c ) 从以上6 个图形可以看出，只要测量出抽油井的示功图，就可以判断 o 7 0 7 时，将出现峰值。由图 还可看到当叫峨2l 和q 2 0 7 0 7 的情况下，2 0 1 9 l a ( j a o a 。i = 一3 d b ；而叫。 = 1 0 时，2 0 1 9 l a ( j ) a 。j = 一4 0 d ba 显然，它比一阶低通滤波器的滤波效果要好 2 0 1 9 ( d b ) 0 1 1 0 a _ ，c o 。 图2 一1 4 二阶低通滤波器的幅频响应 第三章测井仪的总体设计 此阶段的主要工作包括硬件体系结构的鼓计和上下位机软件各模块的舰划 及开发工具的选择。 3 1 测井仪的硬件总体设计 考虑到产品的造价，本测井系统采用8 0 c 1 9 6 k c 单片机作为控制芯片。为了方 便现场使用，人机交互采用键盘、l c d 液晶显示，液晶显示器可以实时显示液面波 形、功图波形，还可以显示其他界面。为了解决存储容量的问题，系统中使用大容 量闪存m b m 3 0 l 0 0 6 4 ，并通过r s - 2 3 2 将所测得的数据传送到上位机。 压 力滤 一选择 l 8 0 c 1 9 6 。l l c d 显 传 斗 波 l 量程i 监 7 匣 感片 器机 多 _lr 一 位 叫r s _ 2 3 2h ! ! 塑 移滤 i 诜棵 l 系 传 斗 波 量程 统 。厂 感及 7 i 翌竺墨i 器外 放 丽 。广 微双 极 接 7 鬯! _大 通 口 j 倍性 电 广 日 数 斗 道 斗 转 路 7 剧选 滤 换 器波 择 传感器信号调理电路单片机多片系统及其外围接口电路 图3 一l系统结构示意图 为了使观察更直观，系统还与大j 氆打印机接 j 。 试井系统的硬件框架由传感器外围轩6 助f 乜路和_ f | 片机多片系统及其外围接 l 1r n 路两大部分组成。整个系统的简单框图如图3 - 1 。 l 【j 图3 一l 可以看出，测试系统主要由六个馍块组成：传感器，传感器信号调 理电路、c p u 最小系统、液晶显示模块，打印机和单片机一p c 机通讯系统。 传感器输出信号经过信号凋理电路，由8 0 c 1 9 6 内管的l o 位a d 转换器进行 数据采集，数据存储在8 m 闪存m b m 3 0 l 0 0 6 4 中。 测井仪带有l e d 图文显示界面和键盘控制微型系统，控制测井系统的数掘采 集、存储、滤波处理和图形显示及打印。测井仪通过m a x 2 0 2 e 电平转换芯片与上 位机连接，采用r s 一2 3 2 协议将测井仪数据上传至p c 机。上位机软件对大量测井 数据分类存档、显示打印。 下面对i n t e l 8 0 c 1 9 6 k c 单片机做一下简要介绍： 酗3 - 28 x c l 9 6 k c 单片机组成框幽 8 0 c t 9 6 k c 单片机是c i f m o s l 9 6 系列单片机，它是i n t e l 公司九十年代初期推 出的性能较强的第三代c m o s 芯片。它带有4 8 8 b 寄存器r a m ，其数据地址线均为 1 6 位，使用m c s 一9 6 家族共享的指令系统。它主频可运行到2 0 m h z ，有8 位和1 0 位可编程采集和转换时间的a d 转换器，有4 个输入输出口并与其他外设复用。 带有水平和垂直窗口映射功能。 图3 2 显示了8 0 c 1 9 6 k c 单片机的框架，其内部框架山中央处理单元和存瞄控 制器组成。c p u 含有寄存器阵列和寄仃辨讳术逻辑啦元，通过16 位内部总线与存 储器控制器和中断控制器相连，总线进一步扩展与内部周边f 5 芝量相连。 内部外设模块提供了特殊功能的应f e f f 。8 0 c i 9 6 1 ( c 有7 个【ov i ，h jp 0 p 6 。 每个端l 】都是复用的，既可以作为标准的 o 口，也可以作为特殊功能信号端口 配置和定义( p 3 和p 4 例外，它要么配置为标准i o 口，要么配置为地址数据总 线) 。p 0 仅有输入口功能和a d 变换输入功能。p l 、p 2 和p 6 口是标准的双向i o 口。p 3 、p 4 、p 5 是双向i o 口：p 3 、p 4 用于外部地址数据总线：p 5 是总线控制 信号，也提供从口功能。 串行口是同步异步口，包括异步接收和发送器( u a r t ) 。u a r t 有一个同步模 式( 模式0 ) 和三个异步模式( 模式1 、2 、3 ) 。异步模式是全双工位，即可以同时发 送和接收数据，接收和发送都有缓冲区，这就允许连续地接收和发送。 定时器1 和定时器2 都是1 6 位向上向下计数的定时器计数器。如果内部 定时，则称为定时器，如果外部计数则称为计数器。 a d 变换可以将模拟量转换为等价的数字量，分辨率为8 位或1 0 位。采样和 转换时间可编程，转换值在模拟地和参考地之间。a d 变换的主要构件是采样保 持电路、8 位或l o 位逐次逼近a d 变换器。 3 2 测井仪的软件总体设计 总体设计阶段，必须回答的关键问题是：”应该如何解决这个问题? ”，印要设 计出软件的结构，确定系统的模块及它们之间的关系。 在总体设计阶段要完成如下任务： 1 ) 设想供选择的方案。为了达到系统说明书的要求必须考虑各种可能的实现方 案，并从中选取几种合理方案。 2 ) 选择最佳方案。根据上步得到的若干种合理方案，经过认真地、全面地分析， 还要征求用户的意见，从中选出最理想的方案。 3 ) 功能的抽象与分解。该阶段的任务是确定程序是由哪些模块组成的，一般情况 下，就是指对数据流图进行抽象和细化的过程。 4 ) 设计软件结构。模块确定以后，每个模块的子功能电就随之确定下来了，把这 些模块自顶向下地组织成一种良好的层次调用关系，就完成了软件结构设计 的任务。 3 2 1 下位机软件总体设计 本试井软件系统包括键盘操作、液晶屏幕显示和主板控制的小型系统，下 面就本系统的模块设计、液晶显示界面殴计、主程序的总体结构殴计利键黜接 程序设计分别加以介绍。 3 2 1 1 下位机软件模块设计 本系统主要由六大模块组成：测量、查询、通讯( 上传到p c 机) 、计算、标 定和设置。 ( 1 )测量模块。测量模块主要完成对反射波和功图信号的采集处理、显示 和存储。为了测出正确的波形，应当有一个合理的数据采集方法。数 据处理部分也是本模块的重要组成部分。因为要对采到的数据进行存 储，所以还要编制m b m 3 0 l 0 0 6 4 的存储、擦除程序。 ( 2 )查询模块。通过查询功能可以查询最近所测地若干口井的反射波波形 和功图资料，并可查询最近所计算过的液深数据。因为要把数据提取 出来，所以还要编制m b m 3 0 l 0 0 6 4 的读程序。查询模块还包括驱动大型 打印机打印波形。 ( 3 )通讯模块。将所存储的反射波波形或功图资料上传到p c 机，p c 机的 接收程序由高级语言v b 编写，可实现液面和功图波形显示、液深计 算、打印输出和显示日期等功能。 ( 4 )计算模块。将测得的反射波波形通过接箍法或音标法计算出油井的液 面深度。接箍法是通过在反射波上确定三条直线，其中前两条直线用 来确定两个采样点间对应的实际距离，另外一条直线用来确定液面的 位置：音标波是通过在反射波上确定两条直线，一条用来确定音标的 位最，另一条确定液面的位置。 ( 5 )标定模块。为了保证测量的准确性，减小山于零漂等原因造成的误差， 应该定期对仪器进行标定。以标定载荷为例说明标定的方法：输入两 个标准的载荷，测得它们对应的采样值，并计算出对应的系数，以后测 得的采样值根据该系数可求出对应的实际采样值。 ( 6 )设置模块。本模块包括没置密码和设置时间。密码的设置是为系统的 安全考虑，防止其他人改变标定系数：如果时问错氓，可以重新对 d a i 。l a s 的时州进行设置。 3 2 1 2液品显示界而的总体设计 山图3 3 可以看出需要没均界面艰多。为此，叮以将一些显示棚蚴昀界丽 设计成通用的，例如可以：瞄测量中的波形显示界面与查询、计算中的波形显示界 面共用。界面中还考虑到系统的容错，比如测量功图界面，如果4 秒钟之内不加信 号，就显示未加信号界面：选档界面中，如果第一次选错了，可以重选，不必把原来 选的取消等等。液晶界面显示程序主要包括初始化子程序、判断状态位和对显示 功能的设置。 3 2 1 3 主程序的总体结构设计 图3 - 4 为主程序部分的流程图。系统上电后，首先初始化一些寄存器变量， 然后进入主循环程序。主循环采用w i n d o w s 消息循环原理，即有事件触发才进入 相应的处理程序。主循环部分首先判断上位机有无通讯测试请求，若有则发送应 答信号：否则进入下一部分。接下来判断有无键按下。若有则进入相应的键盘处理 程序：否则继续循环。 3 2 1 2 键盘接口程序设计 界面及界面处理程序是程序的重要组成部分，而程序从一个界面进入另一个 界面以及对该界面进行相应的处理，都要用到键盘扫描程序。键盘扫描程序提供 一个接口，即当某一个键按下时，都有一个相应的值与之对应。接口要求如表3 1 所示。 3 2 2 上位机软件总体设计 上位机程序采用v b 编写。上位机接收下位机发送来的数据并保存，具有液面 和功图显示、液深计算、打印输出等功能。 ( 1 ) 数据接收部分。采用v b 提供的m s c o m i 控件首先进行通讯测试( 以 检查线路连接是否完好) ，若测试成功，表示可以接收数据。上位机把下位机发 送过来的液面或功图数据接收过来，并存入文件。 ( 2 ) 查询部分。查询接收过来的功图或液面数据，可按井号或测量f i 期进 行查询，并可将波形显示，对于液面数据，还可计算液深。 ( 3 ) 显示和打印波形部分。作显示器或打印纸卜显示或打印某口- ) b 晌液而 或功图波形。 图3 3 试井软件系统功能流程图 图3 4主程序流程图 健值 ol23456789 键号 o123456789 健值 1 0l l1 21 31 41 51 61 71 81 9 键号 + v | _ 一 卜一 t 表3 - - 1健值 第四章测井仪的硬件设计 本试井系统的的硬件电路由单片机多片系统及其外围接口电路、传感器信 号调理电路两大部分组成。单片机多片系统及其外围接口电路是根据试井系统的 测量内容、存储容量、波形显示方式和打印方式及串行通讯等要求设计的，是硬 件系统的核心部分，本章将做较为详细的介绍。传感器信号调理电路根据传感器 信号特征设计，主要完成传感器信号的极性转换、放大滤波等任务。 4 1存储空间的扩展1 1 9 j 9 6 系列单片机在外部存储空间上采用了普林斯顿结构，即程序存储空间与 数据存储空间统一寻址。9 6 系列c p u 的地址总线是1 6 位，外部数据和程序存 储空间总共只有6 4 k 字节。 但是为了提高试并的工作效率，要求试井仪器的数据存储量足够大。本测 井仪要求总共可以存储这么多口井的数据资料：功图1 8 0 0 ( 每口井2 7 0 b ) ，液面 1 8 2 0 ( 每口井3 2 6 2 b ) ，所需存储量共约6 2 7 2 k 字节。因此系统中使用了闲速存储器 m b m 3 0 l 0 0 6 4 。同时由于试井要求有较复杂的键盘控制以及多页液晶显示界面 程序存储量也比较大，大约需3 2 k 字节的空间。因此，必须扩展存储空间。 4 1 1外部存储空间分配 本硬件设计中，扩展存储空问采用的是扩展地址总线的方法。 程序存储空间为3 2k b ，占用地址空问0 0 0 0 h - 8 0 0 0 h ，地址总线a o a i 。对 应r a m 芯片地址总线的a 。a 1 4 0 选用一片m 2 7 c 2 5 6 b 作为程序存储器，a 。，作 为肯选信号。 数据存储区为1 6 k b ，占用地址空问8 0 0 0 h - c 0 0 0 h ，地址总线从a o a 旷 选用1 片6 4 k b 字节的r a m ( d s l 6 4 4 ) ，a ”a l ，通过可编程逻辑器件输出片选 信号。系统采用1 6 位数据地址总线。地址总线a 。a ，对应r a m 芯片地址 总线的a 。a 如图4 - 1 所示。 c p u 为外部设备分配地址空f f i jc 0 0 0 h f f f f h ，a ，、a 。、a 7 、a ”a l5 w k 和r d 通过地址译码电路，输出各外设的选通信号。 闪存的硬件设计将在后面介绍。 f f f f h c 0 0 0 h 8 0 0 c 岍 0 0 0 0 h 外部设备地址 数据存储区 程序存储区 图4 - 1 外部存储空间分配 4 1 2硬件电路实现 外部存储器与c p u 的连接如图4 2 所示。一片7 4 l s 3 7 3 芯片通过a l e ，另 一片7 4 l s 3 7 3 芯片通过k e y i 锁存信号，起到地址数据总线分离的作用。r d 分别与m 2 7 c 2 5 6 b 和d s l 6 4 4 的o e ( 输出允许) 相连，1 l r e 与d s l 6 4 4 的w e 相连。 争郴兰 蓬f 萋蓁垂冀耋。藿蠢一冀； 餐。滓+ 善罄。 ； 1 罐f 蕊蓥干四 一1 + 塞 l3 = = =，圭耋笋。= ，耋4 ； + 一科l + = ：兰 - l 写= * 至 - 一一一一、j 图4 28 0 c 1 9 6 单片机系统存储扩展图 4 2 地址译码电路1 2 j c p u 给程序存储区、数据存储区、液晶显示器、打印机、键盘、刚存、量 程控制选择电路都各自分配了地址空州，在此地址空问内的任地址都可作为选 通信号。本系统中的地址译码电路山数字逻辑器件g a l l 6 v 8 完成。 4 2 1 硬件电路实现 本系统泽码电路的信号连接如图4 3 所示。 v c cu 7 l11 r f n ( o o f l f l l - i 一7 f f f i i n o c l ki o o a 气91 r f1 ( g o o f l i - i r f f f l n li o l a 611 df a r wr r 0 9 0 h l n 21 0 2 a 741sm p r r 岛r r 8 4 0 1 - i n 31 0 3 a 1 4e1 6 ir nr r f l o n t i n 41 0 4 a ls61 7r 7 f v i r r n 6 n i i n 51 0 5 w f7t rk f y ， r r f l r o i - i n 61 0 6 r nr1 qp r i n t rr r n a r l n 71 0 7 n ro i n 8 n f 1 l i n 9 ，o e 图4 3g a l l 6 v 8 译码电路 i n l i n 9 为信号输入端，1 0 0 1 0 7 为信号输出端，输入信号为部分地址线、 写信号、读信号线。根据系统要求按各个管脚的输入信号对g a l l 6 v 8 进行逻辑 编程，g a l 器件即可将输入信号的逻辑运算结果输出至对应的输出管脚上。 4 2 2g a l 器件的编程 利用p l d 编程软件，可对g a l 器件进行逻辑编程设计。 本系统利用g a l l 6 v 8 作为地址译码电路。根据系统需要，7 个输入端，8 个 输出端，可由一片g a l l 6 v 8 实现，逻辑表达式如下： a 5 a 6 a 7a 1 4a 15 w rr d c e 0c e lf l a s hm p c c sl c dk e y lk e y 2p r i n t c e 0 2 a i5 c e i 。a 1 4 + a 1 5 f l a s h = a 1 4 + a 1 5 + a 5 + a 6 + a 7 + r d m p c c s 2 w r + a 1 4 + a l5 + a j + a6 + a7 l c d = a l l + a l5 + a5 + a6 + a7 n k e y l = w r + a 1 4 + a l5 t a 5 + a6 + a7 k e y 2 = r d + a 1 4 + a l5 + a5 + a + a 7 p r i n t = w r - + ，a 1 4 十，a 1 5 + ，a5 十a6 + a7 由图4 3 可知各路译码输出地址。 p l d 编程软件用的是f m 软件，下面简单介绍一下f m 开发软件。 f a s 卜m a p 是一种汇编型软件，简称f m 软件。它的作用是将用户输入 的布尔表达式翻译成标准j e d e c 码，并产生列表文件和熔丝图文件。 f m 可将用户编写的描述逻辑功能的源文件汇编成三个文件： ( 1 ) 说明文件，扩展名为l s t ，它包括源文件和p l d 管脚分配图。 ( 2 ) 熔丝图文件，扩展名为p l d ，它是供设计人员阅读的编程模式图，以 便于核对。 ( 3 ) j e d e c 文件，扩展名为j e d ，它存放对p l d 编程的数据。 4 3 上位机一下位机通讯 本试井系统具有串行通讯功能，将下位机的数据上传至p c 机。8 0 c 1 9 6 k c 单片机的串行口具有全双工异步通讯功能，共有4 种通信模式，本系统通讯采用 模式1 ，即标准异步通信模式，是最常用的模式。在这种模式下，串行通信的每 帧数据由1 0 位组成，l 位起始位，8 位数据位，1 位停止位。该模式下，t x d 用 束发送数据，r x d 用来接受数据。波特率设为4 8 0 0 ，通讯协议选用的是r s 2 3 2 协议。r s 一2 3 2 是一种串行通讯总线标准，传输距离般不超过1 5 米。本系统中，9 针连接器只用其中的三个引脚，即t x d ，r x d ，g n d ( 2 ，3 ，7 号引脚) 。由于p c 机输出 的是e i a 电平( 一1 5 v 计l5 v ) ，而8 0 c 1 9 6 k c 单片机串行口输出的是t t l 电平 ( 0 5 v ) ，因此在通讯连接线路中必须通过电平转换器m a x 2 0 2 e 。从单片机向p c 机传送数据时，m a x 2 0 2 e 将t t l 电平转换为e i a 电平；从p c 机向单片机传送 数据时，m a x 2 0 2 e 将e i a 电平转换为t t l 电平。 m a x 2 0 2 e 为r s 2 3 2 和v 2 8 通讯接口殴汁，每个发送器输出f t i 接受器输入 均可容忍15 k v 的静念咆压尖峰，可达到12 0 k b p s 的数据传输速率。它在啦端 j v 的r 1 源供应下即可一常工作。 8 0 c 1 9 6 单片机的p 2 0 利p 2 1e 1 是复用端e l ，既可做i i o 1 ，血可做”f x d 墨q z e 图4 4 串行通讯接口电路 和r x d ，即串行输入输出口。本系统采用m a x 2 0 2 e 的典型电路接法如图4 - 4 所示。t 1 i n 和r 1 0 u t 接单片机的复用口p 2 o 和p 2 1 ，t 1 0 u t 和r i i n 接p c 机的串行口t x d 和r x d 端。 4 4 单片机与打印机接口电路 本试井系统使用的是l q 一1 6 0 0 k 中英文打印机，它是e p s o n 先进的2 4 针 击打式点阵打印机中的最新机型，具有高性能、宽行打印机可靠性好的特点。 数据线经过7 4 l s 2 4 5 驱动直接与打印机数据线相连，打印机与单片机的接口 有2 5 根线，现在只用1 9 根，其中8 根数据线，1 根状态线，2 根控制线，8 根地线。状 态线为b u s y ，输入线，以插入高电平的形式出现，表明打印机处于忙状念，不能再 接收数据。2 根控制线分别为s t b # 和s l i n # ，s t b # 是输入输出线，低电平有效，表 明数据线上有有效数据到达。s u n # 是输出线，低电平有效，表明已经选中的打印 机。硬件连线如图4 一兄 4 5l c d 液晶显示模块 本测井系统的显示设备选用的是2 4 0 ( 列) 1 2 8 ( 行) t 6 9 6 3 c 控制器点阵 图形液晶模块。t 6 9 6 3 c 液晶显示控制器多用于中小规模电路的液晶显示器件中， 以内减控制器型图形液晶显示模块的形式出现。本系统液晶屏的结构为单屏，其 特点为： i 能直接与8 位微处理器接口： 2 t 6 0 6 3 c 的字符字体山硬件i 殳截有4 种：5 8 、6 8 、7 8 、8 8 ， 2 8 图4 5 单片机与打印机的接口电路 本条统用的是8 x 8 ： 3 可以图形方式、文本方式及图形和文本合成方式进行显示，还可进行 文本方式下的特征显示； 4 t 6 9 6 3 c 具有内部字符发生器c g r o m ，共1 2 8 个字符，t 6 9 6 3 c 可管 理6 4 k 显示缓冲区及字符发生器c g r a m ，并允许m p u 随时访问显示 缓冲区，甚至可以进行位操作。 t 6 9 6 3 c 控制器液晶模块与单片机的接口如图4 - 6 ，为直接访问方式。 d o 。d o ，：t 6 9 6 3 c 与m p u 接口的数据总线： r e s e t ：为低电平有效的复位信号，它将行、列计数器和显示寄存器清 零，并关显示： l c d ：为低电平有效的液晶片选信号c s 。 w r ，r d ：写、读选通信号，低电平有效，输入信号； a 1 ：通道选择信号c d ，l 为指令通道，0 为数据通道。 v o ：为液晶显示模块的工作电源驱动，接负厩用束调整显示屏对比度。 f g ：框架地，为外壳接地点。 f s ：在文本应用中为接地端，即图4 6 中的1 8 脚，f ( ：和【? s 共同确定字符字 体。 液晶显示器l c d 通过7 f 6 9 6 3 c 与r ! l 片h l 的八位数据总线十日连接受c p u 的 即 l c d 图4 6l c d 与单片机接口 各种指令，控制l c d 显示。t 6 9 6 3 c 使用w r ，r d ，c s 和a l 作为与 8 0 c 1 9 6 数据总线接口的控制信号。读信号用来选通t 6 9 6 3 c 的输出缓冲器； 写信号在其上升沿将总线上的数据锁入：片选信号当c p u 与l c d 通讯时， 为低电平，它由地址译码器g a l l 6 v 8 b 提供片选地址；al 是指令数据通 道选择信号，它与w r 和r d 信号一起，控制存取t 6 9 6 3 c 的方式，当 a i = i 时为指令口地址，此时可接受指令，当a1 = o 时为数据口地址，此 时可按受数据。 4 6键盘电路 4 6 1键盘原理 本试井系统选用4 行5 列非编码式键盘，键盘识别方法采用行扫描法。原 理图如图4 7 所示。 c p u 向行扫描li 至l4 依次轮流送低电平“0 ”。且当一行送的信号为低电 平0 时，其余三行送高电平“l ”。若没有键按下，c p u 从s1 一s5 读取 的值全为“l ”：若有键按下，则量( b l ，2 ，3 ，4 ，5 ) 中的一列读取值为“0 ”。通过 软件编程可判断是哪个键按下。 4 6 2 硬件实现 本系统键盘电路如图4 - 8 、4 - 9 所示， 行 扫 描 li ifii ll l2 l3 l4 sls2s3 s4s5 读取嚣列的高低电平 图4 7 键盘控制原理图 i d 1 0 i d 2 0 1 l d i , d 峋 j d 蛳 d 叼 柏 帕 图4 - 8 键盘行读取电路 u 2 8