（材料加工工程专业论文）智能油井电参数测试仪的研究.pdf

摘要 随着能源消耗加大与开采量递减之间的矛盾日渐激化，国内各油田单位力争把节能 降耗贯穿于油田生产经营的整个过程。在油井系统工作的过程中，抽油机的拖动电机起 着核心作用，它的利用率的高低直接关系开采的成本和效益。油田野外生产作业，给油 并生产管理带来很大困难，而目前所使用的主要手段仍然是通过人工测试来强化油井管 理，局限性较大。针对这一现状，本课题以t m s 3 2 0 2 8 1 2 为核心芯片开发一套智能油井 电参数测仪来解决这问题。 本文引入了利用d s p 技术测试电力参数的思想，采用同步锁相技术实现同步采样。 本测试仪采用t i 公司t m s 3 2 0 f 2 8 12 作为核心处理器，利用电流、电压互感器测得到模 拟电信号，通过a d s 8 3 6 4 实现多通道的数模转换，由液晶显示屏显示出计算的电参数 结果，并可以通过i s p l 5 8 1 芯片实现u s b 传输给p c 。该系统具备3 路电压、3 路电流 信号的同步采集能力。同时，本文就系统中使用的有关键算法进行了论述。使用整周期 的采样序列均方根值来计算电压、电流有效值，使用整周波的同时采样的电压、电流采 样做乘积，再取平均值的方法来计算有功功率。采用数字信号处理技术进行电力参数的 测量，在提高测量精度、实时性和智能化、系统化水平方面都具有独特优势。 本系统的开发成功将进一步推进油井系统的自动化水平，更有利于油井系统管理人 员正确分析油井系统效率，实现油井系统的节能降耗。 关键字：t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 ，d s p ，油井，电参数，同步采样 ar e s e a r c ho na ni n t e l l i g e n tt e s t e ro fe l e c t r i c a lp a r a m e t e r sf o rt h eo i l w e l l l ic h e n g k a i ( m a f l 生t e r j a lp r o c e s s i n g _ , r ( 2 n + a ) m 2 n ( m 为最高谐波次数) 时，通过增加采样数据量 和增加迭代次数来提高测量准确度。它不要求采样周期与信号周期严格同步，不要求同 步环节，对第一次采样的起点无任何要求。准同步采样降低了对信号频率、采样时间间 隔和振荡器频率的要求，因此可以用要求低的振荡器代替同步采样中要求高的同步环 节，使测量装置简单，简化电路【1 3 1 。 准同步采样法的不足之处在于，它需要通过增加采样周期和采样点数，并采用迭代 运算的方式来消除同步误差，所需数据较多，计算量较大，运算时间长，不适合多回路、 多参量、实时性要求高的交流测量系统，而且受短暂突发性干扰的影响可能性比同步采 样法大【1 4 1 。 2 3 3 非整周期采样法 由于同步偏差会对谐波分析造成误差，人们采用准同步采样、加窗技术等，来抑制 l o 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 频谱泄漏误差。但在原理上，它们多少存在着测量方法上的误差。因此，哈尔滨工业大 学的张剑秋等提出了一种“非整周期采样理论”，所谓非正周期采样就是采样时间间隔 t s = k ( 1 一a ) t n ( i a i 为同步偏差，t 为信号周期，n 为采样次数，k 为采样周期数) ， 对连续周期信号进行采样。该方法适合于快速测量，但采样保持误差、a d 转换器误 差、外部或内部随机干扰以及计算机舍入误差等对非整周期采样谐波分析方法的影响， 还有待于进一步研究。 2 3 4 几种交流采样方法的比较 1 同步采样法在理论上只需一个周期的数据即可。但要求有同步触发脉冲需与被 测信号严格同步。软件同步采样法要求c p u 的时钟频率要高。 2 非同步采样法不需同步环节，但要求更高的采样频率，测量频率范围宽了。 3 准同步采样法不要求采样周期与信号周期同步，但增加了运算量和运算时间， 不适于实时测量。 本课题采用硬件同步采样法，利用锁相电路来构成频率跟踪电路，然后通过分频电 路来控制a d 转换的触发信号，从而实现同步等间隔采样。 2 4 本章小结 本章介绍了频率的硬、软件测频方法，从理论上分析了本装置所需测量的电压、电 流有效值、有功功率、无功功率、功率因数的测量原理，并给出了具体计算公式。介绍 了交流信号采样的原理及其分类，对比了交流采样的同步采样、非同步采样、准同步采 样的特点。 第三章测试系统总体设计与主要芯片选择 第三章测试系统总体设计与主要芯片选择 3 1系统总体硬件设计 3 1 1 硬件设计准则 在系统设计中，硬件系统设计和软件系统设计两者互相渗透，不可分离。从时间上 看，硬件系统设计的绝大部分工作量在最初阶段，到后期往往还要做部分修改。改动一 次硬件往往要重新制板、安装和调试，因此硬件系统在设计时要通过仔细推敲、集体论 证来定稿，从而避免硬件电路的返工【1 5 】。为使硬件设计合理周全，减少或消除返工，在 硬件系统设计时应遵循以下几个原则。 1 采用功能强的芯片 设计中尽可能采用功能强的芯片，以简化电路，提高系统电路的集成度和可靠性。 功能强的芯片可以代替若干普通芯片，随着生产工艺的提高，新型芯片的价格不断下降， 体积不断缩小，具有较高的性价比，是硬件设计的首选芯片。在数据采集系统中，具有 高速数字信号处理能力的数字处理芯片( d s p ) 越来越被广泛应用。 2 留有余地 硬件电路设计时，要考虑到将来修改、扩展的方便，因此在硬件电路设计之初就应 该使各部分的硬件电路设计留有相当的余地。t 匕如r o m 存储空间、r a m 存储空间、i o 的端口数目、a d 和d a 的通道数以及分辨率，必要时还需要在印制电路板上留有机动 布线区。 3 以软带硬 电路设计时，原则上，只要软件能做到的，就不用硬件。硬件多了，不仅增加成本， 而且系统出故障的机会也会增多。一般硬件的工作方式是并行的，而软件是分时串行的， 因此当对系统的实时性要求较高时，不能用软件代替硬件。当对系统的实时性要求不高 时，以软带硬是合算和提倡的。但也要考虑开发周期，如果市场上已经有了具有某些算 法或功能的硬件，此时为了节省人力资源、缩短开发周期就没有必要自己开发软件，可 以使用已有的硬件。 4 抗干扰设计 在系统运行时，会有各种各样的电磁场干扰以及不可预见的一些故障。为了提高系 统的稳定性和可靠性，系统硬件设计除了考虑抗干扰措施之外，还要有相应的监控电路 和保护电路【阚。 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 3 1 2 系统总体结构 在考虑系统的总图框架时，最主要的原则就是在满足系统性能要求条件下，减少外 围设备的数量。系统的硬件选型非常重要，它直接关系到系统的性能和测量结果。由于 本测量系统所测量电参数范围较宽，精度和实时性的要求较高，所以硬件电路选用t i 公司的d s p t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 为核心，同时设计的主要电路模块包括：数据采集模块、d s p 控制处理模块、液晶显示模块l c m ( l c dm o d u l e ) 、u s b 传输模块。 数据采集模块，即用电压电流互感器测量电压电流，信号经互感器将所测信号变为 标准信号送入滤波放大电路，再由滤波放大电路传输出的信号经过a d 转换传给d s p 。 d s p 控制处理模块，通过研究d s p t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 芯片，利用其接口及其相关功能， 通过编程实现信息处理运算，把计算出来的电参数( 功率因数、有用功率、无用功率、 电压、电流等) 通过相应的端1 2 传输给可擦写的存储器中。 液晶显示模块l c m ，将l c d 控制器、驱动器、r a m 、r o m 和l c d 显示屏用 p c b ( p r i n t e dc i r c u i tb o a r d ) 连在一起，构成液晶显示模块l c m ( l c dm o d u l e ) 。使用时只 需向l c m 输入相应的命令和数据就可实现所需要的显示内容。 u s b 传输模块，通过u s b 接口与上位机传输，应用u s b 的数据传送的块传输( b u l k t r a n s f e r s ) 模式。 方波转换与锁相环分频电路来调节a d 转换和d s p 之间的时序。 系统总体结构见图3 1 ： 图3 - 1 系统总体结构 f i g3 - 1s y s t e mo fb l o c kd i a g r a m 1 3 第三章测试系统总体设计与主要芯片选择 3 1 3 测试仪测量精度 智能油井电参数测试仪的设计精度如下： 电压量程4 8 0 v 电流量程2 0 q a 系统频率测量误差 _ 0 5 电压测量误差 d 1 5d a t a 【15 】 b g n d v s s t 1 5 4 9 a d s 8 3 6 4 与d s p 2 8 1 2 连接系统结构图 f i 9 4 9c o n n e c t i n ga d s 8 3 6 4a n dd s p 2 8 1 2o fs y s t e mb l o c kd i a g r a m 4 2 d s p 控制处理模块 4 2 1d s p 系统电路设计 1 时钟电路 锁向环( p l l ) 模块主要用来控制d s p 内核的工作频率，外部提供一个参考时钟输入， 经过p l l 倍频或分频后提供给d s p 内核。2 8 1 2 d s p 有4 位倍频位，能够实现0 5 - - 1 0 倍的倍频。本课题采用的内部振荡器方式。选用的外部晶振为2 0 m 的电路。如图4 1 0 。 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 图4 - 1 0 时钟电路 f i 9 4 - 1 0 c l o c kc i r c u i t 2 复位电路 复位电路：虽然通过软件编程可以实现看门狗对程序的监控，但在某些情况下仍需 要设置复位电路，以适应紧急情况的发生。复位电路的基本功能是：系统上电时提供复 位信号，直至系统电源稳定后，撤消复位信号。为可靠起见，电源稳定后还要经过一定 的延时才撤消复位信号，以防电源开关引起的抖动而影响复位。使用专门复位芯片 s p 7 0 8 r ，保证d s p 芯片可靠复位p 6 1 。如图4 - 11 。 ：l 量、，、，、i 一d2 黔黑 8r s t 7瓜s t s t 一专叫土。色矛= 6 5 o 丌南面广 - ： 图4 - 1 1 复位电路 f i 9 4 - 11 r e s e tc i r c u i t 4 2 2 外扩r a m 电路 选用的r a m 型号为i s s i 公司的i s 6 1 l v 2 5 6 1 6 a l 芯片，容量2 5 6 k x l 6 b i t 。 i s s i i s 6 1 l v 2 5 6 1 6 a l 是一个高速4 ，1 9 4 ，3 0 4 位的静态r a m ，可组成2 6 2 ，1 4 4 个字1 6 位， 该器件由i s s i 的高性能c m o s 技术制造而成将这种高可靠性的处理技术与创新的电路 设计技术相结合就产生了高性能和低功耗的i s 6 1 l v 2 5 6 1 6 a l 器件。当o e 为高电平( 不 选) 时，器件处于等待模式，功耗随着c m o s 输入电平一起降低芯片，使能输入和输出 使能输入o e 可方便实现存储器的扩展。低电平有效的写使能控制着存储器的写和读操 作，高字节u b 和低字节l b 控制信号控制着对数据字节的访问【3 7 1 【3 8 】。i s 6 1 l v 2 5 6 1 6 a l 功能结构图如图4 1 2 ，i s 6 1 l v 2 5 6 1 6 a l 连接电路图如图4 1 3 。 3 l 盅虹 i 第四章 电参数测试系统的硬件设计 a 0 - a 1 7 v d d g n d i 0 0 - 唧 l o w e tb y t e l ，0 1 8 1 ，0 1 5 u p p e rb y t e 图4 1 2i s 6 1 l v 2 5 6 1 6 a l 功能结构图 f i 9 4 1 2 b l o c kd i a g r a mo fi s 6 1 l v 2 5 6 1 6 a l 图4 - 1 3i s 6 1 l v 2 5 6 1 6 a l 连接电路图 f i 9 4 - 1 3 c o n n e c t i o nc i r c u i td i a g r a mo fi s 6 1 l v 2 5 6 1 6 a l 3 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 4 2 3外扩f l a s h 电路 外扩的f l a s h 型号为s s t 3 9 v f 8 0 0 ，容量5 1 2 k x l 6 位，用于存储程序与计算出来 的电参数结果。s s t 3 9 v f 8 0 0 a 是s s t 公司开发的f l a s h 存储器。其主要特点有：高性 能、低功耗的c m o s 结构；可在2 7 3 6 v 电压下实现编程和擦写；只需向其命令寄存 器写入标准的微处理器指令，具体编程、擦除操作均由内部嵌入的算法实现，并且可以 通过查询特定的引脚或数据线监控操作是否完成【3 9 1 ；可以对任一扇区进行读、写或擦除 操作，而不影响其他部分数据；具有硬件和软件的数据保护功能。2 5 6 2 k b 1 6 b i t 的 s s t 3 9 v f 8 0 0 a f l a s h 首先被映射为b f 5 3 1 的外部异步存储区，地址为o x 2 0 0 0 0 0 0 0 - - - 0 x 2 0 0 f f f f f ，共2 5 6 段，以1 6 位方式实现并行引导装载【4 0 】1 4 1 】。s s t 3 9 v f 8 0 0 的结构如 图4 1 4 ，s s t 3 9 v f 8 连接电路图如图4 1 5 。 胬4 1 4s s t 3 9 v f 9 0 0 1 韵结构图 f i 9 4 1 4b l o c kd i a g r a mo fs s t 3 9 v f 8 0 0 3 3 第四章电参数测试系统的硬件设计 a o2 5 a 52 0 - _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - - _ - _ - _ _ - - - _ _ _ _ _ _ _ _ 一 a 6 1 9 _ _ - - - _ _ _ _ - - _ - - _ _ _ - _ - _ _ _ - _ - _ - _ _ _ _ _ _ - 一 a 718 a 88 _ _ - _ - - _ - _ _ _ - _ _ - - _ - _ _ _ _ - _ _ - _ _ _ _ _ - - - - _ _ _ _ 一 a 97 a 1 06 a l71 7 - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ - _ - _ - _ _ - _ _ _ _ a 181 6 。一 w rl l r d2 8 c s 22 6 a o a 1 a 2 a 3 a 4 a 5 a 6 婚 a 8 婚 a l o a 1l a 1 2 a 1 3 a 1 4 a 1 5 a 1 6 a 1 7 a 1 8 w e o e c eu u z z g n d q d u u u u o z z z z z d 1 0 d 1l d l2 d 13 d 14 d l5 4 6 2 7 图4 1 5s s t 3 9 v f 8 0 0 连接电路图 v c c 5 2 ： 0 4 f i 9 4 - 1 5 c o n n e c t i o nc i r c u i td i a g r a mo fs s t 3 9 v f 8 0 0 4 2 4 未用的引脚的处理 1 未用的输入引脚不能悬空不接，而应将它们上拉活下拉为固定的电平。 2 非关键的输入引脚，将它们上拉或下拉为固定的电平，以降低功耗。 3 关键的控制输入引脚，如r e a d y 、h o l d 等，应固定接为适当的状态，r e a d y 引 脚应固定接为有效状态，h o l d 引脚应固定接为无效状态。 4 无连接( n c ) 和保n ( r s v ) 弓i 脚，( n c ) 引脚这些引脚悬空不接，r s v 引脚：应根 据数据手册具体决定接还是不接。 4 3 液晶显示模块l c m ( l c dm o d u l e ) 由于l c d 属于慢速设备，如果将总线直接与该器件相连接，就要插入很长时间的 ”一一弘一一诣一如一铊一一如一勉一一一”一钉一钙一钙 唧叫妣唧附晒晒叼郧聊剐刑琊邺州娜 唧 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 硬件等待状态，就会对整个系统的运行速度产生极大的影响，就不能进行实时信号处理 - - 4 2 1 。该接口的数据线都经过了7 4 l v c 2 4 5 进行了缓冲。电路连接图如图4 1 6 。 v c c f 、 c 7 4 2 31 2 5 l4 8 匝2 6 s e2 7 c s6 9 6 3 2 9 i o p e 53 0 i o p e 6 3 2 d 0 d 1 d 2 d 3 d 4 d 5 d 6 d 7 3 3 3 5 3 6 3 7 3 8 4 0 41 4 3 4 4 4 6 4 7 3 4 39 4 5 2 8 u 1 v c c 2v c c l v c c 2v c c l 2 0 e2 d r 10 el d r 2 a 72 8 7 2 a 62 8 6 2 a 5 2 8 5 2 a 4 2 8 4 2 a 3 2 8 3 2 a 2 2 8 2 2 a 12 8 1 2 a 0 2 b o l a 71b 7 1 a 61b 6 1 a 51b 5 1a 41b 4 1a 31b 3 1 a 21b 2 1a 11b l la 0lb 0 g n d g n d g n d g n d g n d g n d g n d g n d 4 a l v c l6 2 4 5 g n d ! uo 1u 妥咎了 ；1 d i l = 。 2 3l c ds e 2 2l c dm e ； 2 0l c dc s6 9 6 3 19l c di o p e 5 17l c di o 雎6 16 14 图4 1 67 4 l v c 2 4 5 连接电路图 f i 9 4 - 1 6 c o n n e c t i o nc i r c u i td i a g r a mo f7 4 l v c 2 4 5 液晶显示采用f y d l 2 8 6 4 0 4 0 2 8 1 2 8 x 6 4 图形l c d 扩展接口电路( 见附录3 ) 。 f y d l 2 8 6 4 0 4 0 2 b 是一种具有4 位8 位并行、2 线或3 线串行多种接口方式，内部含有 国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为1 2 8 6 4 ，内置 8 1 9 2 个1 6 1 6 点汉字和1 2 8 个1 6 8 点a s c i i 字符集。利用该模块灵活的接口方式和简 单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。可以显示8 x 4 行1 6 x 1 6 点阵的 汉字，也可完成图形显示。低电压低功耗是其又一显著特点。由该模块构成的液晶显示 方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比，不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得 多。其组织图如图4 1 7 。 3 5 薹薹茅 第四章电参数测试系统的硬件设计 r s ( c s ) ，勘啊( s x u ) 图4 - 1 7f y d l 2 8 6 4 - 0 4 0 2 b 结构图 f i 9 4 - 1 7 b l o c kd i a g r a mo ff y d l 2 8 6 4 0 4 0 2 b f y d l 2 8 6 4 0 4 0 2 b 基本特性如下： 低电源电压( v d d ：+ 3 o + 5 5 v ) 显示分辨率：1 2 8 x 6 4 点 内置汉字字库，提供8 1 9 2 个1 6 x 1 6 点阵汉字 内置1 2 8 个1 6 x 8 点阵字符 2 m h z 时钟频率 显示方式：s t n 、半透、正显 通讯方式：串行、并口可选 内置d c d c 转换电路，无需外加负压 无需片选信号，简化软件设计 工作温度：0 。c + 5 5 ，存储温度：2 0 + 6 0 此液晶显示模块不仅可以显示字符、数字、各种图形、曲线及汉字，可由硬件设置 多种字符字体，还可以通过编程进一步实现一定的动画功能。在每显示一屏之前，必须 进行刷新，即清屏的工作。在这里用高级语言c 语言设计应用程序，合理规划软件的功 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 能，以多屏菜单选择、提示菜单与图表显示相结合的方法，很好地解决了一般图形液晶 显示中文菜单、图表和图形的问题。 4 4 u s b 传输模块 4 4 1u s b 接口方案选择 通用串行总线( u s b ) 是近年来开发的一种串行总线标准，主要用于p c 与外围设备 的互联。u s b 总线具有使用简单、即插即用、易于扩展和传输速度快等优点。其协议主 要有u s b l 1 和u s b 2 0 二个版本，u s b l 1 的传输速率最高可以达到1 2 m b s ，u s b 2 0 最高可以达到4 8 0 m b s ，因此可以满足大部分数据的传输需要。 目前，用于u s b 接1 5 1 的电路主要有二类：一类是带u s b 接口的微控制器( 如c y p r e s s 公司的e z u s b ，i n t e l 公司的8 x 9 3 1 等) ；另一类是纯粹的u s b 接口电路，它需要一个外 部微控制器( 如n a t i o n a ls e m i c o n d u c t o r 公司的u s b n 9 6 0 2 ，p h i l i p s 公司的p d i u s b d l 2 和i s p l 5 8 1 等) 。通常在开发u s b 设备之间必须根据具体要求选用合适的u s b 接口电路， 以降低开发成本，减少开发时间【4 3 1 。 本课题选用p h i l i p s 公司的i s p l 5 8 1 型接口电路作为u s b 接口，以t i 公司的 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 型d s p 作为微控制器来实现u s b 数据传输。 4 4 2i s p l 5 8 1 芯片简介 i s p l 5 8 1 是p h i | i p s 公司推出的一款高性价比的u s b 2 0 接口电路。它完全遵循它完 全遵循u s b 2 0 规范，支持7 个i n 端点，7 个o u t 端点和一个固定控制i n o u t 端点。 i s p l 5 8 1 支持s u b 2 0 的自检工作模式和u s b l 1 的返回工作模式，可以在高速或全速条 件下正常运行。内部集成有串行接口引擎( s t e ) 、p i e 、8 k b 的f i f o 存储器、数据收发 器、p l l 的1 2 m h z 晶体振荡器和3 3 v 的电压调整器。该电路可直接与a t a a t a p i 外 设相连，并具有高速d m a 接1 ：3 。同时，可通过软件控制与u s b 总线的连接( s o f t c o n n e c t ) ， i s p l 5 8 1 内部具有上电复位电路，支持3 3 v 和5 v 二种电源工作方式。 i s p l 5 8 1 与外部微控制器的通信主要通过一个高速通用并行接口来实现。它与微控 制器的连接有二种模式：断开总线模式和通用处理器工作模式。在断开总线模式下， a d 7 - o 】为多路复用的8 位地址数据总线，d a t a 1 5 - o 为单独的d m a 数据总线；在 通用处理器工作模式下，a d 7 - o 为单独的8 位地址线，d a t a 1 5 ：o 】为1 6 位控制器 数据总线，此时，d m a 将多路复用到d a t a 1 5 - 0 】控制器的数据总线上。i s p l 5 8 1 适 合p d a 、存储器类、通讯设备类、数码相机类、复印机类和扫描仪类等大多数u s b 设 3 7 第四章电参数测试系统的硬件设计 备类的设计h 4 。 4 4 2i s p l 5 8 1 的接口设计 由t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 ( 以t 简称f 2 8 1 2 ) f f l i s p l 5 8 1