（精密仪器及机械专业论文）存储式深井电子压力计的研究与开发(精密仪器及机械专业优秀论文).pdf

ab s t r a c t ab s t r a c t i t i s n e c e s s a r y t o m e a s u r e s t r a t u m p r e s s u r e i n t h e p r o c e s s o f d e v e l o p i n g o i l fi e l d . t h e p r e s s u r e d a t u m i s a n i m p o r t a n t m e a n s o f r e s e a r c h i n g t h e s p e c i a l i t y o f o i l s t r a t u m, m a s t e r i n g i t s s t a t u s a n d c h e c k i n g t h e p r o c e s s o f o i l e x t r a c t i o n . t o a c q u i r e t h e s t r a t u m p r e s s u r e , i t i s n e s e s s a r y t o u s e a l l k i n d s o f p r e c i s e p r e s s u r e m e a s u r e i n s t r u me n t . n o w , t h e r e a r e u s u a l l y t w o k i n d s o f p r e s s u r e m e t e r u s e d i n t h e o i l f i e l d , o n e i s m e c h a n i c a l , t h e o t h e r e l e c t r o n i c . t h e s t o r a g e e l e c t r o n i c p r e s s u r e m e t e r i s w i d e l y u s e d f o r it s h i g h p r e c i s i o n , r e l i a b l e p e r f e r m a n c e a n d c o n v e n i e n t o p e r a t i o n . t h i s p a p e r w i l l d i s c u s s s j d y i e l e c t r o n i c p r e s s u r e m e t e r w h ic h i s o n e n e w k i n d o f s t o r a g e e l e c t r o n ic p r e s s u r e me t e r . f i r s t l y , t h e p a p e r d i s c u s s e s w e l l l o g g i n g t e c h n o l o g y a n d t h e d e v e l o p m e n t o f t h e d o m e s t i c a n d f o r e i g n p r e s s u r e m e t e r s . t h e n p r o p o s e s t h e s y t e m s c h e m e d e s i g n o f s j d y - i e l e c t r o n i c p r e s s u r e m e t e r a n d b r i e fl y a n a ly z e s it s o p e r a t i n g p r i n c i p l e s e c o n d l y , t h e p a p e r e x p l a i n s i n d e t a i l t h e s o ft w a r e a n d h a r d w a r e d e s i g n m e t h o d . p r e s e n t s t h e d e s i g n t h o u g h t a n d fl o w c h a r t s o f e v e ry f u n c t i o n m o d u l e s . t h i r d ly , t h e p a p e r a n a l y z e s t h e p c p r o g r a m , i n t r o d u c e s s o f t w a r e w h i c h a d o p t s t h e f i l t e r a n d n o n l i n e a r r e g r e s s i o n m e t h o d s f o r i m p r o v e t h e s y s t e m p r e c i s i o n . i n t h e e n d , t h e p a p e r s u mm a r i z e s t h e d e s i g n a n d d e v e l o p m e n t m e t h o d l o g y o f t h e s j d y - i e l e c t r o n i c p r e s s u r e m e t e r a n d p o i n t s o u t t h e f u t u r e w o r k . k e y wo r d : s t r a t u m p r e s s u r e d o w n h o l e p r e s s u r e m e t e r m e a s u r e p r e s s u r e s i n g l e - c h i p m i c r o c o m p u t e r s y s t e m p r e c i s i o n v 4 北 业大学硕 仁 论 文 第 1 章 绪论 第1 章 绪论 1 . 1论文研究的背景及意义 试井是油气藏工程的重要组成部分，它涉及到油层物理、储层物性、流体 性质、渗流理论、计算机技术、测试工艺和仪器仪表、设备等各个领域，是勘 探开发油气田的主要技术手段和基础工作之一口在勘探评价、油气藏描述和编 制油气井开发方案等工作，试井工作中起着举足轻重的作用，是加速油气井勘 探开发进程和进行油气田动态监测的一项有显著经济效益的技术手段。 确定油井的地层压力是试井的主要目的之一。所测得的压力数据是油田开 发过程中的一项极为重要的资料，是地质工程师的眼睛和耳朵，是研究油层动 态特性、检查地面采油工艺流程的重要手段。因此，地层压力测量是油田开发 过程中必不可少的工作。为了确定油井的地层压力，人们必须借助于各种精密 的压力测量仪表，以获得相当精确的压力资料。 随着试井技术的深入发展，在油田勘探开发中，压力计的作用日 渐明显。 自 从上个世纪中期以 来，从用一支记录笔仅能记录井下最高压力的一种简单的 玻登管压力计，发展到现在，压力计的设计与研制己十分精细，并日 臻完善。 日前，常用的井下压力仪表主要分为机械式和电子式两种，而电子压力计以精 确度高、录取资料可靠及显示方法直观等特点，受到广大试井工程技术人员的 青睐。电子压力计已逐步取代机械压力计成为井下压力测试仪的主流工具。而 井一 存储式电子压力计就是电子式测压仪表之一。 国内电子压力计是随着国外电子压力计的引进，从二十世纪九十年代初陆 续发展起来的。由于国外压力计在电路上，普遍采用二次集成等加密技术，使 得深入了解国外的产品有一定的困难，从而迫使国内 厂家走自 主开发的道路， 1 9 9 4 年国产压力计开始正式投放市场。目前，国内有几十家单位从事压力计的 研制、生产和销售工作。 但由于国内生产厂家生产的压力传感器的整体水平不 高，高温电子器件的筛选也不严格，生产工艺也认不到要求，所以浩成了国产 两北 丁 业大学硕 ! _ 论 文第 i.绪论 电子压力计的整体性能和水平偏低。日前，在高精度、耐高温 ( 1 5 0 以卜 )的 压力计市场上，进口压力计仍然占据主流地位。但国产电子压力计的最大优点 是价格低廉，操作软件是纯中文的，方便用户的现场操作，因而国产电子压力 计也越来越多的得到了试井人员的认可。 存储式井下电子压力计是一种具有 良好投资价值和积极开发的产品，利用 国内外成熟的软硬件来研制高性能、低成本、高可靠性、高精度和耐高温的存 储式井下电子压力计，将有利于国内生产厂家研制具有相对竞争优势的存储式 井下电子压力计产品，可以在较短的时l o i 内打破国外发达国家在此应用领域的 垄断，缩短与国外发达国家之间的差距，是国内企业和研制单位在压力计领域 赶超国外发达国家先进技术并发展国产电子式井下压力计的大好机会。 日前，国内电子压力计市场潜力巨大，而存储式井下电子压力计由于具有 成本低、可靠性好、测量精度高等特点，因而在国内电子压力计市场中，存储 式电子压力计必将占主导地位。 1 . 2课题来源和论文研究的主要内容 本课题为西北工业大学 9 0 5教研室与西安石油仪器仪表公司的合作项目， 目的是为油田测量井下压力、温度而研制的新型存储式电子压力计，s j d y - i 型 存储式深井电子压力计。该压力计主要用于油井的流压、复压、静压及温度的 测量。 s j d y i 型存储式深井电子压力计采用离子束溅射薄膜压力传感器为测压元 件，测压结果存储于内部存储器中。通过r s - 2 3 2 串行接口 直接与p c机通讯， 用户可方便地利用基于中文wi n d o w s 操作平台的配套软件来完成工作参数的设 置、测量数据的回放、仪器管理及相应数据文件、打印报表文件和图形文件处 理等功能。其大致t - 作过程如下: . 首先通过p c机完成对工作参数的设置; . 利用电池作为电源， 根据所设置的工作参数， 将传感器输入的模拟信号 转换为数字信号，并存入数据存储器中: . 待测试完毕后，将测试取得的数据回传给p c机，由p c机进行数据处 理和资料乎 一 印。 11 叫匕 业大学硕 l 论 文第 1 章 绪论 s j d y - 1 型存储式深井电子压力计采用电池组供电，电池组和测量系统组成 一休，结构紧凑。仪器用钢丝系吊下井，接通电源即能工作，操作简单，使用 方便， 可广泛应用于油水井的静压、 流压和地层恢复爪力等的测量。 同时， s j d y l 型存储式深井电子压力计具有功耗低、可靠性高等特点，是一种理想的试井测 压仪器。 在实践的基础上， 本文跟踪研究当前的最新相关技术以及存在的相关问题， 设计和研制了s j d y - i 型存储式深井电子压力计， 并为如何分析和设计此类系统 提出了一些新的见解和思路。在项目的设计和开发过程中，本人所作的主要工 作如下: . 熟悉并了解了存储式电子压力计的工作原理; . 对整个系统的硬件环境进行了深入的了解， 掌握了构成硬件的各个功能 模块所要完成的任务和功能，并开发出对应的应用软件; . 结合实例开发出实际系统， 采用面向对象的程序设计方法， 利用b o r l a n d c + + b u i l d e r 实现了上 位机应用程序软件; . 对本系统进行了总结和展望。 对于研究和开发电子压力计，特别是存储式深井电子压力计的设计、开发 和应用，本文都具有很好的指导意义和参考价值。 1 . 3论文的组织结构 本文首先对试井技术做了一个综述， 然后比较系统地、 完整地讨论了s j d y 1 t f, g 存储式深井电子压力计的组成和总体设计方案，包括系统的工作原理、硬件 设计方案、上位机程序设计方案和下位机程序设计方案。各章节的内容安排如 下: 第一章 绪论:简要介绍了论文的研究背景、 论文研究的现实意义，并介绍 了论文的课题来源和研究的主要内容，以及论文的章节安排等口 第二章 压力计发展状况及系统总体方案设计: 首先介绍了试井技术的概念 及其发展状况。接着探讨了井下电子压力计的发展过程以及主要性能指标。最 后简要介绍了s j d y i 型存储式深井电子压力计 一 的组成部分， 并进行了该系统的 总体方案设计。 西北 工业人学倾 i s 论文第 1 章 绪论 第三章 单片机系统设计方案:首 先简要介绍了系统的硬件组成， 然后重点 讨论了单片机系统硬件设计方案，并分析和设计了构成单片机软件系统的各个 功能模块所完成的任务和实现的功能。 第四章 上位机程序设计:比较详细地讨论了上位机程序设计方案， 然后深 入地分析了上位机程序的各个功能模块，包括仪器管理功能模块、仪器# a 、 定功 能模块、 仪器参数设置功能模块、 数据显示打印功能模块、数据处理功能模块、 通讯功能模块以及在线帮助功能模块。并由此实现系统上位机程序。 第五章 数据处理: 详细讨沦了信号处理中经常用到的滤波技术及非线性校 正技术，并针对本系统压力及温度信号的特点，提出了具体的处理方法。 第六章 总结: 对论文的工作进行了总结， 讨论了相关技术的发展方向以及 进一步工作的重点。 西北下业大 学硕 卜 论文第2敖 it力计发展状况及系统总体设门 第2 章 压力计发展状况及系统总体设计 - 2 . 1试井技术概论 试井是一门新兴的综合性学科，与其它学科相比还很年轻。自从_ l 个世纪 中期以来， 从用一支记录笔仅能记录井下最.氰 压力的一种简单的玻登管压力计， 发展到现在，压力计的设计与研制己十分精细，并日臻完善。由记录、走时和 感压三大关键系统组成的机械式压力计已能录取井下压力变化的各种特征，测 量压力的精度达到 0 . 2 %，井下工作时间达到 3 6 0 4 8 0小时，其工作温度达到 1 5 0 -3 7 0 c，种类己达几十种之多。 试井理论从上个世纪中期以来有了很大的发展。二十世纪四十年代以前， 人们只认识到测静压。二十世纪四十年代以后，发现静压的测取与关井时间有 关，以及压力恢复时i司的长短反映了井周围地层渗透性的好坏等问题。1 9 3 3 年 穆尔 ( mo c r e ) 等人最早发表了利用压力动态数据确定地层渗透率的论文。1 9 5 0 年两篇文章的问世奠定了 现代试井理论的基础。 一篇是霍纳 ( h o m e y ) 发表的， 提出用图解法解释测试的压力资料， 即压力恢复值与生产时间加关井时间的和， 除以 关井时间的对数值成线性关系。 另一篇是米勒 ( m i l l e r ) . 戴斯 ( d y e s ) 、 哈 钦森 ( h u t c h i n s o n )合著的，提出压力恢复值与关井时间的对数值成线性关系。 这两种方法是我们沿用至今的霍纳法和 md h法。一般说来，前者适应于尚未 全面开发油田的新井，后者适应于老油井。这就是通常称之为常规试井分析的 方法。 试井理论的发展与计算机应用技术的结合， 使试井分析方法形成为一 套比 较完善的现代试井分析方法，即图形拟合解释法。在计算机的辅助下，不同的 曲线反映不同的动态特征，因此试井测试技术是认识油气藏，进行油气藏评价 和生产动态监测，以及评估完井效率的重要手段。近三十年来，计算机技术有 着 匕 速发展，同时也不断应用到试井领域。试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。 上个世纪九十年代末， 美国h p ( h e w l e t t 西北 1 业大学硕 卜 论 丈第2章 it . 力计发展状况及系统总休设训 p a c k a r d )计算机公司研制成功了世界上第一支石英晶体电子压力计，测量精度 可以达到0 . 0 2 5 %， 灵敏度达到。 0 0 0 1 4 mp a ， 采样速度达到每秒 1 个测点。 石英 b e 。 体电子压力计可遥控测试，井下压力变化可从地面二次仪表观察，测试时间 的长短可根据需要控制。这样，显著地提高了试井分析的有效性。日前电子压 力计品种有几 1 一 种，有的可以在地面直读井下压力、温度参数，有的可将录取 的资料在井下存储起来，仪器取到地面后再进行回放等。迄今为止，石英晶体 压力计仍是精度和灵敏度最高的一种。这种高精度电子压力训的出现，进一步 拓宽了试井技术的应用领域。 我国试井技术的应用始于上个世纪五十年代中期，近五十年来有了很大的 发展。玉门油田是我国最先开展试井工作的油田，上个世纪六十年代初，大庆 油f r3 的发现和升发，十分重视录取第一手资料，充分利用压力资料指导油田的 i f 发，这一期间我国试井技术有了迅速的发展。上个世纪八 卜 年代以来，随着 我国引进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了很大的改观，试井工作也 有了巨大的发展。试井工作领域由开发扩展到勘探，由生产井、注水井测试扩 展到深井测试，由单井测试扩展到一定控制面积内的多井测试。在测试工具仪 表装备上，随着电子压力计的引进，促进了国产井下仪器的发展。除了机械式 压力计的性能指标不断完善提高外，振弦式、固阻式等电子压力传感器的研制 也己经取得巨大的成功。 综上所述， 试井测试技术是认识油气藏， 进行油气藏评价和生产动态监测， 以及评估完井效率的重要手段。试井测试所录取的资料是各种资料录取中，唯 一的在油气藏处于流动状态下所获得的信息;资料的分析结果是最能代表油气 藏的动态特性。日前，应用试井测试手段可以确定油气藏的地层压力 ( 包括静 压、 流压、 复压等) 、 储层物性、 生产能力，以及判断油气藏边界和估算储量等。 随着我国试井技术应用的不断深入和发展，试井测试在油气藏勘探开发中的地 位将愈加明显。 2 . 2测试系统简介 测试技术是研究实现信息采集、转化、处理的一门基础技术，测试仪器行 两北丁 业人学硕 l : 论 x第2 章 1 + 力计发展状况及系统总休设i i 业是一个高新技术产业。 在信息化的今天， 测试技术不仅是检验和计量的标准， 也是系统调试和分析的工具，测试技术及仪器已涉及到国民经济的各个行业。 测试技术的基础地位正在不断加强，测试技术的水平也反映出个国家的生产 力发展和现代化水平。 通常将进行测量、数据处理、传输，并以适当方式显示或输出测试结果的 系统称为测试系统。在测试系统中，整个测试工作都是在预先编制好的测试程 序统 一 指挥下白动完成的。 目前，国内外测试系统的发展具有以下几个共同特点: . 军事电子技术是现代测试技术发展的主要动力之。 以雷达、 综合电子战为代表的军事电 子技术， 以预警机和卫星通讯为代 表的航空、 航天技术以及以导弹精密制导为代表的兵器技术等都离不开 测试技术， 测试仪器是军事技术的检验标准和开发工具， 军事技术为测 试技术提供了难得的发展机遇和广阔的市场前景。 . 测试技术与计算机技术同步发展。 计算机技术与测试技术相结合， 测试仪器进入智能化时代， 使采用误差 修正的高精度测量、 实时测量和自 动测量成为可能。目 前有两种设计思 想:一是以测试技术为核心进行仪器设计， 根据测试的需要， 采用 一 个 或多个微处理器来完成仪器的测量控制、 数据采集、 数据处理和图形显 示等功能; 二是以通用p c机为基础， 增加测试功能、 数字接口 和控制 接口，充分利用计算机的图形显示、数据处理、外设接口和软件功能， 通常的仪器用少 界面就是计算机界面。 其中， 第丁 种设计思想是近几年 的最新发展，即虚拟仪器技术 ( v i r t u a l i n s t r u m e n t s简称v d. . 测试技术的发展超前于应用对象。 测试仪器采用最新技术不断改进性能、 增加功能和推出新产品， 打破传 统仪器的分界线，为用户提供了新型测试仪器和测试技术。 . 集成化测试系统的发展受到普遍重视。 现在电子系统的复杂程度越来越大，需要检测的性能指标也越来越多， 有些功能指标己达到或超过仪器的检测范围， 仅用单台测试仪器不能充 分发挥仪器的潜力和群体优势， 因此系统化和集成化是电子测试仪器的 西北 业大学硕 f 论文 第0 章 压力计发展状况及系统总体设汁 一个发展方向。 电子压力计便是一个将测试系统应用于试井测试工作的 典型例子。 2 . 3井下电子压力计的发展 电子压力计是随着传感器技术及电子电路技术的发展而不断发展和成熟起 来的。我国是从上个世纪八十年代末开始，陆续引进井下电子压力计，先后从 美国、加拿大引进了 g r c , p a n e x, f l o p t e r , a l p i n e , mc a l l i s t e r , s p a r t e k , p p s 和d d r等多 种压力计。 这些压力计从生产的年代和性能来看， 大抵可分为三代产品。 2 . 3 . 1第一代电子压力计 第一代电子压力计生产于上个世纪八十年代末九十年代初，以 g r c, p a n e x和f l o p t e r系列压力计为代表。 由 于传感器技术和压力计电 子电 路技 术相对落后，这一代压力计存在以下特点: . 传感器综合性能较差。 传感器多以 应变平衡电桥式、电 容式为主， 压力计的精确度较低， 多为 0 . 1 %. 虽然p a n e x压力计的传感器采用的是石英电容的传感器， 压力 计精确度可达到0 .0 5 %，但传感器的抗震性及稳定性不好; . 电子压力计功能比较单一。 一支压力计只有直读或存储一种功能，无法满足用户多种需要; . 压力计现场使用比 较繁琐。 这一代压力计的使用大多需要配备专用的计算机接日卡和压力计的接 口箱，中间环节过多将直接影响压力计工作的可靠性; . 电子电路技术的局限。 由于当时电子电路技术的限制， 这一代压力计的存储容量较小， 仅为一 万多组数据点。 另外， 由于电子器件的集成化不高， 导致压力计体积大、 功耗高、电路故障率高; . 压力计软件操作较为繁琐。 两北1 二 业大学倾 论义第 2 帝 帐力汁发展状况及系统总体vi 汁 压力计操作软件多为d o s 版本软件，操作较为繁琐。 2 . 3 . 2第二代电子压力计 第二代电子压力计生产于上个世纪九十年代中期，以 a l p i n e和 m c a l l i s t e r系列压力计为代表。 这一代压力计与第一代压力计相比， 有了明 显的进步。这一代压力计主要有以下特点: . 传感器水平明显提高。 这一代压力计可分为应变式、 石英品体两种类型， 应变式压力计尽管仍 然是平衡电桥设计，但精确度已提高到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0 .0 2 5 %。 并且其抗震性能普遍提高; . 电 子压力计功能多样。 由于电路的改进， 压力计大多同时拥有直读、存储两种功能。 基本上淘 汰了计算机接口卡，压力计与接口箱连接后，直接可与计算机的标准 r s - 2 3 2 串行口 连接通讯，方便了 用户的操作: . 压力计的存储容量较大。 电子技术的发展使压力计的存储容量进一步扩大，存储容量达到 6 4 k 左右; . 压力计软件操作较为简单。 压力计操作软件由d o s 版本软件逐步向wi n d o ws 版本过渡， 增加了 许多数据处理功能。 2 . 3 . 3第三代电子压力计 第三代电子压力计生产于上个世纪九十年代后期，以 s p a r t e k , p p s和 d d r系列电子压力计为代表。 这一代压力计是当今电子工程技术的结晶， 在设 计和使用中也体现出以人为本的理念，代表着未来电子压力计发展的潮流和方 向这一代压力计主要有以下特点: . 压力传感器的精度高。 西北 r 业大学硕 卜 论文 第2 章 压力l l 发展状况及系统总休设日 压力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 o 精确度及分辨率高， 分别可达到。 0 2 5 % 和0 . 0 0 0 4 % ; . 存储容量大。 压力计的电路部分采用大规模集成电路设计，采用表面贴焊的封装工 艺，增大了压力计的存储容量，其存储容量可达到5 0 万至 1 0 0 万组数 据点，降低了仪器的功耗，增长了压力计的连续工作时间; . 压力计可靠性高。 压力计的外筒采用耐酸镍基合金 ( i n c o n e 1 7 1 8 ) , 增强了压力计的抗腐蚀 能力， 能够满足在酸化作业环境及含硫化氢井中测试的要求， 保证压力 计的正常、可靠_ 作; . 压力计的软、硬件设计都体现出以人为本的理念。 首先， 压力计的使用和维护更加简单， 不再象前两代压力计在使用前需 要对缓冲管进行保养注油， 对缓冲管外筒加入硅油或黄油， 这一代压力 计均为免维护设计。另外， 如s p a r t e k压力计的三重直读方式设计， 可以确保用户在计算机甚至接口 箱故障的情况下，获取井下资料。p p s 压力计的数据自 动分块存储方式的设计， 方便了 用户多井次连续作业的 需要。这些设计都极大地方便了现场工程人员对地质资料的录取。 2 . 4国产电子压力计 随着国外电子压力计的引进，国内电子压力计在上个世纪九十年代初期就 陆续发展起来了，其中以阿达尔， 凯山等系列电子压力计为代表。目前，国产电 子压力计水平大抵在第一、第二代之间。由于国外进口压力计在电路上，普遍 采用二次集成等加密手段， 使得深入了 解国外产品有一定的困难， 也迫使国内 生产厂家走上自主开发的道路。由于国内生产厂家投入产品开发的经费有限， 并且一味追求低成本，所以目前的国产压力计只是对进口 压力计的简单模仿。 而且由于国内生产的压力传感器的水平不高，高温电 子器件的筛选不严格，压 力计外筒材料一般等因素，决定了国产电子压力计的整体性能和水平偏低。但 是国产电子压力计的最大优点是价格低廉，操作软件是纯中文的，方便了用户 的现场操作。 西北 i - , ik 人学硕土 _ 论文 第2令 压力汁发展状况及系统总体设认 2 . 5主要性能指标及指标分析 目前在国内，这几代电子压力计均在不同场合使用着。那么，如何根据井 况、试油工艺的不同，选择最适合现场使用的电子压力计昵?针对这些问题， 有必要对电子压力计的主要性能指标进行充分、深入的了解，进而做出正确的 选择。 . 电子压力计量程。电子压力计量程包括压力计的压力量程和温度量程， 这是保证压力计正常工作的极限压力及温度环境。 因此所选择压力计的 量程必须高于现场施工中井下的压力及温度; . 电子压力计精确度。 电子压力计精确度是电子压力计的系统误差和随机 误差的综合表现， 即精密准确的程度， 它是衡量压力计的测量值与真实 值的一致程度的指标。 为了获取真实可靠的地层压力资料， 电子压力计 的精确度越高越好。 . 电子压力计灵敏闽。 电子压力计灵敏阑是能够影响压力计示值按规律变 化的最小压力。 可以想象， 如果该压力计的灵敏闽较差的话， 电子压力 计录取的压力曲线也同样会出现机械压力计 t 常见的走台阶现象。 . 电子压力计漂移。 电子压力计漂移即电子压力计的稳定性， 是压力计在 同样稳定的压力条件下，压力计的示值随时间变化的程度。 表2 . 1 几代压力计主流产品性能指标 x #uilesesd， 一5 图3 .2信号输入及转换电路 的逻辑输入控制端 i n相连，通过程序控制来实现对压力与温度信号的选择。 m a x 1 3 2 的p o 端为0 时，即向ma x 3 1 9 的逻辑输入控制端i n输入0 信号， 从 而 ma x 3 1 9选择器选择常闭端 ( 即选通压力传感器的输出端) ， 进而实现对压 力信号的传输。反之，可实现对温度信号的传输。 3 . 3 . 3电源管理电路 由于本系统要长期在井下工作，因而对功耗的要求比较高，为此采用了多 利 : 方法来降低功耗。其中一种方法就是对系统各部分电源实施有效的控制 即 采用电源管理电路) 。在电路设计中， 采用分模块供电，其指导思想是在某些芯 片不工作时切断其电源，从而达到降低功耗的目的。 西北 巨1y 大学硕 论文 第 3章 单片机系统设计方案 电源管理电路是山两块 ma x 8 8 3芯片和一块 ma x 8 6 0 芯片组成。 其中的 块m a x 8 8 3 ( 1 ) 提供+5 v的电压， 给存储器阵列、 时钟芯片、 供电，一直处于供电 状态，即将其控制端/ o f f ma x 8 8 3 具有较宽的输入电压范围( 2 . 7 - 1 1 v ) , 与逻辑 “ 1 ” 单片机和复位电路 或电池正极相连接。 因而， 对于多种规格电池都适用 木系统采用+ h v电 源为其供电。 另一块m a x 8 8 3 ( 2 ) 和m a x 8 6 0 一起提供+ 5 v 和一5 v的电压， 给模数转换芯片ma x 1 3 2 、 二选一模拟开关ma x 3 1 9 、 压力传 感器和温度传感器供电。 只有当开始采样的信号到来时， m a x 8 8 3 ( 2 ) 的 控制端 / o f f才跳变为高，从而输出+5 v电压，ma x 8 6 0 把它转换为一5 v电压，给信 号转换电路和传感器供电。否则， m a x 8 8 3 ( 2 ) 的控制端为低电 平，输出为o v , 这时电 池耗电 在 i p a以下，从而达到节省电量的目 的。 m a x 8 8 3 ( 2 ) 的控制端 / o f f 由单片机的并行1 / o口 线p 1 .5 经程序控制， 使其置位与复位， 进而达到供 电和节电的日的。图3 . 3为ma x 8 8 3的接线示意图。 7 -. 目 曰叫 1一 -州 o f f ( s tby ) l日o f , f_令一in 1 一 . -州l . 日1 o u t一一4乌 ; .w i l 1 m ax8 8 3 口2阴 on口 卜因5 0. l uf丈犷 2 . 2 u f 图3 . 3 ma x 8 8 3 接线图 其引脚功能如下: . p i n1 :电池低电压检测输出端 ( l b o) 。当电池的电力不足时，向单片 机发出中断请求，单片机便进行中断服务报警、提醒用户更换电池; . p i n 2 : 输出电压设置端 ( s e t ) 。 接地时输出端为5 v ， 接分压电阻时可 设置输出，其设置范围为+1 .2 5 -1 1 v ; . p i n 3 . p i n 6 :接地端; .p i n4 : .pi n5: 电压输出端 电) l 输入端 ( ou t) : ( i n) : 西北 业大学硕 1 丁 论文 第3 章 单片机系统设汁方案 . p i n 7 :关闭控制端 ( / o f f ) ,接入逻辑 + 0 ”时，处于关断状态，此时 电流消耗减小到 i u a以下;接逻辑 i ”或正电源时，ma x 8 8 3处于 工作状态，为其它设备提供+ 5 v电源; . p i n 8 :电池低电压检测输入端 ( l b l ) ，不用时接i n端。 图3 .4为ma x 8 6 0 在本系统中的应用电路图 图3 .4 ma x 8 6 0 应用电路图 其部分引脚功能如下: . p i n 1 :频率控制端f c 。接地时输出反相输入电压，接输入电压时输出 两倍输入电压; .pi n5: .pi n7: 电压输出端; 开关控制端 ( / s h d n ) 。接逻辑 0 ”时，处于关闭状态，此时 电流消耗减小到i p a以下，不用时接v d d ; . p i n8 :电源输入端 ( v d d ) . 3 . 3 . 4 时钟控制电路 时钟控制电路采用飞利浦公司的具有 i z c总线的低功耗时 钟旧历芯片 p c f 8 5 8 3 ，可以准确的实现在预定时间产生脉冲，以 触发单片机工作，进行数 据采样。 由 于p c f 8 5 8 3 是 带 有i z c总 线的 时 钟 旧历芯片， 而 且在本系 统中主 要 是采用 i z c总线技术来简化电 路、实现仪器小体积和提高系统稳定性的。因而 一下面首 先介绍一卜 i z c总线技术的一些相关基础知识。 西北 下 业大学倾士论 史第3 帝 i ii . 片机系统e1 计方案 3 . 3 . 4 . 1 1 2 c总线概述 i z c ( i n t e l - i n t e g r a t e d c i r c u i t ) 总线是荷兰的飞 利浦公司于 上个世 纪八十年代 初推出的一种芯片间串行总线扩展技术。无需地址总线、数据总线、控制总线， 只通过两根线 ( 一根数据线s d a、一根时钟线s c l )便可完成总线上主机与器 件以及器件之间的全双工同步数据传送，大大简化了接口的复杂性，充分有效 的利用了单片机的有限 u o资源，并且可以方便地构成多主机系统和外围器件 扩展系统。 i z c总 线支持所有n m o s , c m o s , t t l 等工艺 制造的 器件， 其上 所 有的节点都连到同名的s d a , s c l上。i z c总线接口， 都集成在器件中， 采用 硬件编址、软件寻址的方法，数据传送都有相同的操作模式，各器件接口的电 器特性相同且相互独立， 可在系统供电情况下从系统中移去或增加i c芯片。 凡 有丁 2 c总线接口的 外围 器件都具有应答能力， 读写片内 单元时， 有地址自 动加1 的功能，易实现多个字节的自 动操作。 近年来，国际上有关公司制造了多达几 百 种具有i z c总线的器件， 如8 0 5 1 系列单片机8 x c 6 5 2 , 8 x c 7 5 2 , l c d驱动器、 r a m, i / o接口 等芯片都使用了i z c总线接口。 另外， 随着电 子技术和计算机技 术的 不断发展， 在智能 化测试仪器的 应用中， 基于串 行用户接口 的i z c总 线正 在或己经取代基于并行总线的接口方式。 i z c总线是一 种双线串行总线， 它提供一种小型网络系统， 总线上的电 路共 享的两根公共总线中，一根是串 行数据线 ( s d a ) ，一根是串行时钟线 ( s c l ) . 表3 . 1 i z c总线的名词解释 术语说明 土器件启动数据传送并产生时钟信号 从器件被土器件寻址的器件 发送器发送数据到总线上的器件 接收器从总线上接收数的器件 多土器件一个以上的主器件能同时企图控制总线而不破坏信息 仲裁一个以上的土器件能同时企图控制总线时，只允许一个有 效，从而保证数据不被破坏的过程 同步使两个或多个器件的时钟信号同步的过程 西北工业大学硕士论文第39 单片机系统设计方案 总线和器件间的数据传送均由这两根线完成。每一个器件都有唯一的地址，以 区别总线上的其他器件。它具有引出线少、设计简单，可靠性高、抗干扰能力 强、 可大大减小印制板面积等优点。有关i z c总线的名词术语解释参见表3 . 1 0 i z c总线支持多主机通讯， 系统中可有多 个主机， 但在确定的时刻只有一 个 主机，由 它产生同步时钟。 主机之间的切换是由 竞争机制来实现的，由i z c接 口 逻辑予以保证。图3 .5 是i z c总线的典型结构图。 图3 .5 i z c总 线的典 型结 构图 本文 仅讨论一 主多 从的 情况。 图3 .6 为 本系 统i z c总线的 结构图。 其中， 主 器件为中 心微处理器8 7 c 6 5 2 ， 从器件由时钟 旧历芯片p c f 8 5 8 3 和7 个e 2 p r o m c 2 4 l c 6 5 )组成，创门 的前四位地址是固定的 “ 1 0 1 0 ，接下来的三位为器件 的组合地址，由器件 ( 2 4 l c 6 5 的a 2 . a 1 , a o 或p c f 8 5 8 3 的a o ) 端的组合逻 辑电平决定， 最后一位为读写位， 1 ” 表示读命令， 0 ” 表示写命令，见图3 . 7 . 图3 .6 s j d y 1 电子压力计单片机系统1 2 c总线结构图 西北下业大学硕 论文第3 章 单片机系统设计方案 图3 . 7从地址位图 总线上，每传送一次数据，都是由主器件发送起始信号开始，然后送出同 步时钟，地址/ 数据从 s d a 串行移出，传送结束由主器件发送停止信号结束， 见图 3 . 8 . 牛/ 一 一 一 一 洲 一 一 一 一 一 /一 一一/ sdascl 停1 l t 0 r . 图3 . 8 i z c总线开始停比 时 序图 当主控器件发送完起始控制命令后，地址与自己相符的从器件会产生 一 个 应答信号a c k ( 低电平有效)到s d a，如图3 .9 。具体进行读还是写操作，由 r / w位来决定。 主控器发 出的s c l 信号 发送器发出 的s d a 信号 接受器发出 的应答信号 开始 应答信号 图3 .9 i z c总线应答时序图 3 . 3 .4 . 2 i z c总线的数据传输 3 .3 . 4 . 2 . 1接口特性 1 2 c总线接口的数据线s d a和时钟线s c l 须经过上拉电阻 接到正电 源v d d 西北 业大学硕士论文第 3章单片机系统 设计方案 上， 各个1 2 c接口电 路输出 端必须是 漏极开路或集电极开路，以 便完成 “ 线与” 的功能，如图3 . 1 0 所示。 护 . 一 - ov d d sclsda s d a 出、 乙 牙 1 s c l t s d a 1 i - f i s c l ;h 骊 万 灭、丁s c l 入 器件1 s d a 入、 闷s c l 入 器件2 图3 . 1 0 i z c总线器件结构图 1 2 c的s d a和s c l 都是双向 传输线。 当总线空闲时， 两线都为逻辑a l l, ( 即 高电 平) 。由 于 不同的 器件都 会接到1 2 c总 线， 逻辑+ 0 ( 低电 平) 和逻辑“ 1 ( 高电平)的信号电平取决于v d d 的电压。总线上能连接的最大器件数取决于 其电容容限。 3 .3 . 4 . 2 .2 1 2 c总线上的传输时序 i c总线上每传输一位数据都有一个时钟脉冲相对应，在标准模式下可达 1 0 0 k b i t/ s ，高速模式下可达 4 0 0 k b i t/ s 单的 主 / 从关系 ( m a s t e r / s l a v e ) ， 只有 带c p u 总线一次完整的数据传输。 ，总线上依据器件功能不同可建立简 的 器 件 才可 成主 控器。 图3 . h为i z c 停止信号 图3 . 1 1 i z c总线一次完整的数据传输格式 在数据传送的过程中，s c l为高电平时，s d a状态必须稳定，只有当s c l 西i l i 业大学顿 卜 论文 第 3章 单片机系统设计方案 为低电平时，刁 一 允许s d a状态发生变化。s c l保持高电平期间，s d a出现山 高至低的转换将启动i z c总线， 出 现由 低至高的 转换将停止 数据传输。 起始和终 止信号由主控器产生。 在 i z c总线上传送数据时，启动和停止之间传输的字节数是不受限 制的。 但每个 8 位字节后必须跟一个应答位。一般情况下，应答信号是接收器在s d a 卜 产生的低电平信号。高电平为非应答信号，非应答信号是当主控器作为接收 器时，接收到最后一个字节数据后，必须发送一个非应答信号给被控发送器， 使被控发送器释放数据线，以便主控器发停止信号，终止数据传送。当从器件 不能再接收字节时也会出现非应答信号这种情况。 i z c总线上的器 件一般有两个 地址: 受 控地址 和通用 广播访问 地址， 每 个器 件有唯一的受控地址用于定点通信，而相同的通用广播访问地址则用于主控方 同时对所有器件进行访问。如图3 . 1 1 所示，起始信号后主控器发送的第一个字 节就是被读器件的受控地址，称作寻址字节。寻址字节由高 7位地址和最低位 ( 即方向 位) 组成，方向 位为“ 0 ” 表明主控器对被控器的写操作( w ) ， 方向 位 为 “ 1 ” 表明 对被控器的读操作( r ) 。总线上每个器件在起始信号后都把自 己 的 地址与寻址字节的前 7位相比较，如相同则器件被选中，产生应答，并根据读 写位决定在数据传送中是接收还是发送。无论是主发从收还是从发主收，都是 由上 器件控制，数据传送完后，主控器都必须发停止信号。 3 . 3 .4 . 3 p c f 8 5 8 3芯片简介 p c f 8 5 8 3 是飞利浦公司 推出 的一 款带 有i z c总线， 具 有极低功耗的 多 功能 时钟/ 日历芯片。p c f 8 5 8 3 具有多种报警功能、定时器功能、时钟输出功能以及 中断输出功能， 可以完成各种复杂的定时任务。内部时钟电路、内部振荡电路、 内 部 低电 压检测电 路以 及两 线制的i z c 总线通 讯方式， 不仅使外围电 路极 其简 ， 到 3! 一 4 产) p cf 85 8 3 8 7 6 5 vdd i nt s cl s da 图3 . 1 2 p c f 8 5 8 3 管脚排列图 西北 业大学硕 l 论文第 3牵 单片机系统设计方案 洁而且 增加了芯片的可靠性。p c f 8 5 8 3是一种性价比极高的时钟芯片，广泛应 用于电话、便携式仪器以及电池供电的仪器仪表等领域。 p c f 8 5 8 3的管脚排列及管脚说明如图3 . 1 2 和表 3 . 2 所示。 表 3 . 2 p c f 8 5 8 3 管脚说明 符号管脚号描述 os ci1振荡器输入端 os lo2振荡器输出端 ao3地址输入端 vss4接地端 s da5串行数据输入输出端 s cl6串行时钟输入端 a nt7中断输入端 vdd8 正电源输入端 图3 . 1 3 为p c f 8 5 8 3 的接线图。 a o 是接逻辑 “ i ” 还是 “ 0 ”由用户自 行安 排。本系统中a o 接地即逻辑 11