（电力电子与电力传动专业论文）双参数测井仪控制系统研制.pdf

a b s t r a c t am 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 es t u d i e di nt h e d i s s e r t a t i o n t h ec o r eo ft h ee m b e d e ds y s t e mi sa8 0 c19 6 k cm c u ( m i c r o - c h i p c o m p u t e r ) t h e s y s t e m so p e r a t i o np r i n c i p l e ，c o n t r o li d e a ，f u n c t i o n sa n dr e a l i z a t i o no f e a c h c o m p o n e n t a r ed i s c u s s e di nd e t a i l t h em e t h o d so fam i n i m u m o p e r a t i o ns y s t e mo f m c u ，t h ep r i n c i p l ec i r c u i to f s i g n a la 囟u s t i n g ，d a t ac o l l e c t i n g ，k e y b o a r dc o n t r o l l i n g ， l e d d i s p l a y i n g ，s e r i a lc o m m u n i c a t i o n ，f l a s hm e m o r yd r i v i n g ，d i a g r a mp r i n t i n ge t c f i r ep r o p o s e da n dr e a l i z e d i nt h ed e s i g n a t i o no f s y s t e ms o f t w a r e ，t h ea u t h o ra p p l i e st h ee m b e dr e a l t i m e o p e r a t i n gs y s t e mp c o s i i t oe n h a n c et h es y s t e m s s t a b i l i t y o nb a s i so fs o f t w a r e e n g i n e e r i n g ，a d o p t st h e m o d u l a rd e s i g n i n gm e t h o d ，a n dm a k e sf u l l u s eo ft h e f u n c t i o n sw h a tt h em c u o f f e r s ，s u c ha sa df u n c t i o n ，i n t e r r u p tf u n c t i o n ，p w m f u n c t i o n ，a n ds o f t w a r et i m e rf u n c t i o n a sar e s u l t ，t h ef o l l o w i n gs u b r o u t i n e sa r e p r o g r a m m e d ：k e y b o a r ds c a n n i n g ，a i ds a m p l e ，l c dd i s p l a y i n g ，d a t ac o m p u t i n ga n d d e a l i n g ，s e r i a lc o m m u n i c a t i o n ，d i a g r a mp r i n t i n ga n dc o n t r o lm o d u l e s t h e s ed e s i g n s n o to n l ys i m p l i f i e dt h ep r o g r a m s t r u c t u r e ，b u ta l s oi m p r o v e dr e a l t i m ep e r f o r m a n c e ， s e c u r i t y a n dp r e c i s i o no ft h es y s t e m m o r e o v e lt h et i m eo fd e b u gt h e s y s t e m s s o f t w a r ei ss a v e d t h ed e s i g na i mi sa c h i e v e dt h r o u g ht h et e s t i n go ft h ep r o t o t y p e p e r f o r m a n c e e v e n t u a l l y , t h ep r o b l e m s ，s o l u t i o n sa n dt h ep e r s o n n e le x p e r i e n c ei nd e s i g n i n g a n d d e b u g g i n g a r es u m m a r i z e d t h e a p p l i c a t i o np r o s p e c to f t h es y s t e m i sp r e s e n t e d k e y w o r d s ：e m b e d s y s t e m ，i n d i c a t o rd i a g r a m ， 8 0 c 1 9 6 m i c r o c h i pc o m p u t e r , p u l s e w i d t hm o d u l a t i o n ， r e a l - t i m ec o r e ，m u l t i - t a s k 西北t 业大学硕士论文 第一窜绪论 第一章绪论 1 1 课题的研究背景 嵌入式系统是指同时将操作系统和功能软件集成于计算机硬件系统之中的 一种系统。它以应用为中心，计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适应于特定应 用系统，对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。它 具有硬件上，体积小、重量轻、成本低、可靠性高等特点、使用专用的嵌入式 c p u 。软件上，代码小、效率高，要求响应速度快等特点，能够处理异步并发事 件，具有实时处理能力。因此从航天飞机到家用微波炉，嵌入式计算机系统广泛 应用到工业、交通、能源、通信、科研、医疗卫生、国防以及日常生活等领域， 并发挥着极其重要的作用。 嵌入式工业是以应用为中心的芯片设计和面向应用的软件开发。嵌入式系 统软件包括嵌入式操作系统和嵌入式应用软件。嵌入式系统在软件开发方面，由 汇编语言编程、高级语言c c 十+ 编程，转向在实时操作系统r t o s ( r e a lt i m e o p e r a t i n gs y s t e m ) 之上的编程。为进一步缩短开发时间、加强管理，平台观念 己逐步引入产品的设计开发过程中。从随意性开发转向平台开发模式是嵌入式应 用软硬件设计开发的发展趋势。 本文结合“油田双参数测井仪”设计开发过程，对嵌入式系统的开发方法、 软硬件设计过程进行了深入的研究。首先，介绍了嵌入式系统的结构、特点以 及设计开发方法。其次，介绍了测井仪的硬件设计原理及组成结构；再次，对于 软件的设计作了详细的说明，主要有：1 、对于实时操作系统基本概念的介绍， 包括它的发展现状、特点以及使用时需要注意的问题；2 、对于本项目中所采用 的实时操作系统j _ t e o s i i 的介绍，主要是该内核的特点、任务调度以及在 8 0 c 1 9 6 k c 上移植的具体方法：3 、结合测井仪的应用软件，详细介绍了各功能 模块的设计思想、流程及具体实现。最后，结合“油田双参数测井仪”的现场测 试结果，分析了该产品的优点以及还需改进的地方，并对此提出了自己的想法和 建议。 西北：工业大学硕士论文 第一章绪论 1 2 课题的应用背景 试井是油气藏工程的组成部分，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。 近几十年来，国内外试井技术发展很快。我国从一九八四年第一届试井工作 会议以来，试井工作有了很大的发展。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。 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，即图版拟合解释法。在计算机的辅助下，不同的曲线 反映不同的动态特征。本文的工作就是要根据油井的状态绘出曲线，通过对曲线 的分析来了解油井的动态特性。 在诸多的试井技术中，测量油井液面深度和抽油机井功图是采油工程中最常 用的两项试井技术。 为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。井深的测量一般是采用声波 钡4 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，即通过与套管连接的井口连接器，击发一颗发声子弹产生声 音信号，声音信号会沿着油套环形空间向井下传播，当遇到油管间的接箍、音标 和液面等障碍物会有部分声波信号发生反射，在并口使用微音器将反射回来的音 波信号接收并将之转换成电流信号，通过通道放大和电路整形滤波后，输出液面 波图形，据此来计算液面深度。 测取抽油机的功图是为了判断抽油机井、泵、杆的工作状况是否正常，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。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。其工作原理是把 贴有应变片的弹性体( 载荷传感器) 装在抽油机悬绳器上、下夹板中，把光杆负 载的变化转变为弹性体的形变，进而导致应变片电阻值的变化，从而产生对应于 就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，经 2 堕! 坚三些盔兰堡生堡苎 墨二至堡笙 过减速，带动电位器产生对应位移的电信号。根据所采得的载荷信号与对应的位 移信号画出相应的曲线。 由于试井系统所用的传感器信号比较微弱，且一般都会带有一定的随机噪 声，严重影响测量结果，所以必须对接收的传感器信号进行软硬件滤波处理。因 此，本试井系统中信号滤波是一项重要的环节。 目前，油f = 闩使用的测井仪器功能单一，只能测试液深或功图数据中的一种， 并且它们一般存在着体积大、造价高、测量精度低的缺点，给测并工人带来极大 的不便。基于这种现象，本论文中研究的油田智能综合试井系统是将传统的液面 探测仪和抽油机井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。 1 3 主要研究工作 本文的研究内容是在导师的指导下进行的，根据系统性能指标要求，进行系 统设计方案的论证，完成了系统硬件电路与系统软件的设计工作，并且对设计的 系统样机进行了调试。 1 3 1 系统硬件电路的设计与制做 主要工作包括： 系统设计方案的论证：根据系统性能指标要求，确定系统控制方式及硬 件控制电路中单片机以及外围芯片： 根据系统方案完成系统电路原理图设计工作： 制作p c b 电路板，并进行基本功能测试，包括a d 采样、键盘模块、液 晶显示模块、大容量存储器、串行通讯等测试工作。 1 3 2 系统软件的设计与调试 在传统的嵌入式系统软件设计中，多采用单任务顺序机制。此机制的优势在 于流程直观，但它常带来一个重要的问题一系统安全性差，即程序运行中任一环 节出错都会导致系统混乱，只能依靠系统复位重新运行。在双参数测井仪系统中， 现场干扰严重，若使用单任务顺序机制，虽存在多种硬件抗干扰措施，系统有时 亘! ! 三些盔兰堡主笙塞 一 苎二兰! 壹鱼 仍需频繁复位以致无法达到满意效果。为此在此系统中，作者将嵌入式实时操作 系统p t c o s i i 用于单片机8 0 c 1 9 6 的软件设计中，较好地解决了该问题。 设计一个好的应用软件，应考虑如下的一些设计原则： 软件在结构上应清晰、简洁、流程合理。 各功能子程序应实现模块化、子程序化，以便于调试、连接、移植和修 改。 程序存储区、数据存储区应合理规划，做到既节约内存容量，有方便操 作。 运行状态应实现标志化管理，对各功能程序的运行状态、运行结果以及 运行要求都要设置状态标志以便查询。 另外，对需要特殊抗干扰的系统，应采用软件抗干扰措施，以提高系统的可 靠性。 在此项目中，软件设计的主要工作包括以下几点： 全面分析系统要求以及实现功能，确定软件流程框图； 在8 0 c 1 9 6 k c 上移植嵌入式实时操作系统p c o s - l l ； 分别编写模块化功能子程序，主要包括：a d 采样子程序、键盘扫描予 程序、打印机驱动子程序、液晶显示子程序、大容量静态存储器的驱动 子程序、上下位机的串行通讯子程序以及整个程序的主控制程序等； 组成完整程序进行调试和主要性能指标测试。 1 3 3 课题难点与重点 由于本系统要实现的功能复杂，并且工作量大、时间紧，因此，相对来说难 度较大。其中主要的难点有： 测井仪中用来存储数据的芯片m b m 3 0 l 0 0 6 4 的使用。m b m 3 0 l 0 0 6 4 型存储 器是日本富士公司出的大容量f l a s h 型存储器。它有8 m + 2 5 6 k 的容量，但只有8 个普通的i o 口和8 根控制线，故所有的地址信号、数据信号都要通过8 个i o 的输入输出来实现，因此对它的读、写、擦除等操作都有一定的难度。 d 西j 匕工业大学硕士论文 第一章绪论 8 0 c 1 9 6 k c 单片机驱动大型打印机打印图形的程序。因为此单片机系统的 所有程序，包括硬件驱动程序都要自己编写，没有现成的打印机驱动程序可以调 用，而e p s o nl q l 6 0 0 系列打印机打印图形时，每打印一个点都需要向打印机输 入3 个字节的数据，以控制2 4 针的运作情况。所以打印未知曲线具有很大的挑 战性，需要设计一个合理的算法及反复测试，来保证打印的准确性。 1 4 论文的组织安排 第一章：绪论。简述本论文的研究背景、重要性与目的，课题的应用背景， 以及该课题的主要设计开发任务，最后列出论文的章节安排。 第二章：系统硬件设计。介绍本文所用到的试井技术原理以及实现方法；详 细介绍单片机多片系统及其外围接口电路的原理。 第三章：操作系统。：嵌入式实时操作系统基本概念的介绍，本项目中所使 用的实时操作系统“c o s i i 的特点及移植方法。 第四章：应用软件设计。根据用户的功能要求，在硬件及操作系统的基础上 设计相应的应用软件。 第五章：测试结果分析。分析测试结果，总结本试井系统的可行之处及不足 之处。 西北工业大学硕士论文第二章系统硬件设计 第二章系统硬件设计 首先阐述了系统的组成原理与控制方嘉其次重点研究系统硬件组成结构及 具体电路的实现方法。 2 1 测量井深的原理 为了了解油井的供液能力，掌握生产动态，测试油井的液面深度是一项经常 性的工作。下面介绍测量液面波的基本原理和计算液深的方法。 2 1 1 测量反射波的基本原理 图2 一i 为油井液面深度测量的现场 示意图。 井口连接器处安装微音器及发声装置，击 发一颗发声子弹产生声脉冲，声脉冲沿着 油管向井下传播，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 面等障碍物时部分声波信号会发生反射， 图2 1液面探测原理图 返回的声脉冲信号由微音器接收并将之 转换成电信号，通过两路信号调理电路( 对不同频带进行滤波、放大) ，将两路 声脉冲波形输出显示。正常情况下采集到的液面波形如图2 - 2 所示。 如图2 2 所示，击发子弹以后产生一声波信号，此声波信号沿着井口向下传 播，随着声波信号进入井的深度逐渐加大，遇到相同的障碍物接箍时反射回 来的声波信号越来越衰弱，这就是接箍波渐趋平缓的原因。当遇到一个较大的障 酉北工业大学硕士论文第二章系统硬件设计 碍物音标时，反射回来的声波信号较强，所以，波形会有一个较大的波动。同样 当遇到液面时，声音进入不同的介质，绝大部分的声音信号都将反射回来。 2 1 2 液深计算方法 l 、计算原理 图2 2声反射波示意图 液深计算采用比例算法。即 音标深度井深 油管长度 吾；i 丽磊蕊蕊丽2 丽丽疆面丽丽2 霸两丽 图2 - 3 为所测得的声反射波示意图。现以液晶显示波形方式为例具体说明 井深的计算方法。 如上图所示，已知 图2 3声反射波计算示意图 油管长度为l ( 两接箍间的距离) 面北工业人学硕士论文 第= 章系统硬件设计 音标的深度为l ( 音标是预先埋置的，其长度已知) 通过液晶显示屏可测得一个接箍波显示点数，起始位到音标波的显示点 数 ：，起始位到液面波的显示点数尬 设液面的深度为h 液面计算方法有两种：接箍波法和音标法。 1 ) 接箍波法：设取接箍波个数为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 所以，：坐，由上式可以看出实际计算时，为了提高计算精度，可以数5 n 1 个或者1 0 个接箍波作为基准。 2 ) 音标法 旦：生：一个采样周期内的反射波传播的距离 朋2 所以，h ：垃 ，7 2 2 、液深计算的基本步骤 本试并系统测取液面波形的步骤是，首先需要输入待测并的并号；然后设 定此次测量的放大倍数( 晟大为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，同时根据采集到的数据在l c d 液晶屏幕上显示液面波波形。若测井工认为所测波形正确，则将所测数据及井号、 月期存入r a m 。若测井工认为所测波形不正确，则重新测量，直至满意为止。 西北工业大学硕士论文 第二章系统硬件设计 计算液深时，首先选定计算方法：接箍波法或音标法。若选择接箍波法， 须设定接箍间距即油管长度，油管长度默认值为9 8 米：若选择音标法，则须设 定音标深度。将所要计算井的数据从r a m 中调出，显示液面波波形，按动键盘左 右键以移动定位光标。若是选用接箍波法，将光标分别定位( 通过按回车键) 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位 置和液面反射波位置，并将两点的液晶屏幕位胃数据存入寄存器。调用计算井深 公式，即可得到计算结果。 2 2 测量功图的原理 我国的油田以机械采油为主，主要使用配有杆泵的抽油机即深井泵采油。为 了测试抽油井机、泵、杆工作状况、抽油井的抽油量以及井下渗漏，需测取抽油 机功图，作为判断依据。 2 2 1 测功图方法 首先将抽油机停止，将载荷传感器夹在抽油机悬绳上、下夹板之间，压力触 点朝上，同时将位移传感器的线绳固定在井口。启动抽油机。载荷传感器将悬绳 夹板作用力转变为电信号。同时，当抽油机游粱上下抽动时拉动位移传感器的线 绳，滑动电位器产生对应位移的电信号。载荷和位移信号通过五芯电缆传送给测 井仪，由测井仪来采集电信号。图2 - 4 为测功图的现场示意图。 2 2 2 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。这是由于深井 泵在井下工作受到多种因素的影响，限制了它的效率发挥。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，是抽油井管理的重要方面。影响深 9 两北工业大学硕士论文第二章系统硬件设计 抽 油井_ 厂悬绳上夹 弧压力触霉 矗一压力位移传感 f 悬绳下夹藤赫线绳 缴i sf i 图2 - 4测功图原理图 井泵生产效率的因素很多主要有两个方面，即来自地层方面的蜡、气、砂的影 响和深井泵本身结构的影响。 ( f l 图2 - 5 典型功图实例 图2 5 中的6 个图，是几种比较典型的功图。图2 - 5 ( a ) 表示深井泵工作正 常，可以安全作业采油。图2 - 5 ( b ) 表示石油中含气体量较高，需要排气处理。 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 ) 翌! ! 三些查堂堡主丝苎 差三兰墨塑堡! ! ! l 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 ( f ) 表示深井泵或抽油杆断脱，这是因为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。 从以上6 个图形可以看出，只要测量出抽油井的功图，就可以判断出抽油 井的工作是否正常以及产生故障的原因。 2 3 系统硬件概述 本系统硬件电路根据系统的需求，由以8 0 c 1 9 6 k c 单片机为核心的主控电路 以及其外围接口电路组成。包括单片机多片系统及其外围接口电路和信号调理电 路。前向通道接口电路包括各种模拟信号、数字信号与单片机的接口信号调理电 路，主要完成信号的极性转换、放大滤波等任务。外围接口电路是根据试井系统 存储容量、波形显示和打印方式以及串行通讯等要求设计的，是硬件系统的核心 部分。主控电路以单片机为核心展开的，包括单片机最小系统、存储器扩展，复 位电路等。考虑到通用性，人机交互采用键盘、l c d 液晶显示和大型打印机；为 了解决下位机存储器容量有限的问题，本系统通过r s 一2 3 2 将所测得的数据传送 到上位机保存；考虑到测试现场环境，系统应提供充电电源。其中各种接口电路 设计的好坏直接关系到系统运行的稳定性。 本系统硬件主要组成部分有：键盘模块、液晶显示模块、大容量存储器、 串行通讯、打印机驱动电路以及前向通道的信号调理电路。整个系统的框图如图 2 - 6 所示。 由图2 - 6 可以看出，测试系统主要由五个模块组成：传感器、传感器信号 调理电路、c p u 最小系统、液晶显示模块和单片机一p c 机通讯系统。 两北工业大学硕士论文第二章系统碗件设计 压力传感器位移传感微音器按键信号输入 上上上上土上上 模拟信号调模拟信号调滤波、极性按键处理 理理转换 信号 土上上l ii 主控模块( 以8 0 c 1 9 6 k c 为核心) 上上上上彳f l c d 显示打印机驱 p c 串行通复位电 驱动电路动电路讯 路 图2 - 6 硬件结构框图 传感器输出信号经过信号调理电路，由8 0 c 1 9 6 单片机内置的1 0 位a d 转 换器进行数据采集，数据存储在外部扩展的f l a s h 中。 测试仪带有l c d 图文显示界面和键盘控制微型系统，控制试井系统的数据采 集存储、滤波处理和图形显示和打印。测试仪通过m a x 2 0 2 电平转换芯片与上位 机连接，采用r s 一2 3 2 协议将测试仪数据上传至p c 机。上位机软件对大量测井数 据分类存档、显示打印。 2 4 主控制器电路 控制器是系统的控制核心，本系统拟采用i n t e l 公司的8 0 c 1 9 6 k c 单片机， 它的整体特征可以概括为：它是新一代1 6 位单片机，集成度高，集成有4 路1 0 位a d 转换和3 路p w m 输出，而且内带1 6 k 的e p r o m 和2 5 6 字节r a m ：速度快， 1 2 西北工业大学硕士论文第二章系统硬件设计 当采用1 2 m h z 的晶振时，绝大多数指令只需1 u s 时间：功能强大，逻辑判断和数 据处理容易灵活：抗干扰性好，工作性能稳定。 在项目调研分析阶段，我们发现别的同类设计中的核心控制器选用了c s 一5 1 片机，现在由于1 6 位单片机发展的已经相当成熟，我们拟在项中选用了8 0 c 1 9 6 k c 单片机，下面就1 6 位单片机的一些性能与5 1 单片机做以比较。 m c s 一9 6 系列芯片大体可归纳成6 类。第一类产品是n h m o s 的8 x 9 x 。其中8 0 9 8 芯片在我国应用极广。第二类以c h m o s 的8 0 c 1 9 6 k b 为代表，它保留了8 x 9 x 芯片 的基本硬件结构，作了局部性的改进，除了可以工作于2 种节电方式下，没有增 添新的功能。第三类以8 0 c 1 9 6 k c 为代表，它的一个重要特征是增加了外设事务 服务器( p t s ) ，大大提高了中断事务的实时处理能力。第四类以8 0 c 1 9 6 k r 为代 表，增添了同步串行口和适于主从机通信的从口功能，并以事件处理器阵列代替 了原来的高速输入输出部件。第五类以8 0 c 1 9 6 m c 为代表，其主要特征是增添了 一个三相波形发生器，特别适用于电机控制。第六类包括8 0 c 1 9 6 n t n p ，该类芯 片的主要特征是寻址空间由6 4 k b 扩大到1 m b 。 较m c s 一5 1 系列相比，m c s - 9 6 系列单片机至少在以下几个方面提高了系统的 实时性： c p u 中的算术逻辑单元不采用常规的累加器结构，改用寄存器一寄存器结 构，c p u 的操作直接面向2 5 6 字节的寄存器，消除了一般c p u 结构中的累加器 的瓶颈效应，提高了操作速度和数据吞吐能力。 2 5 6 字节寄存器中，2 4 字节是专用寄存器，其余2 3 2 字节均为通用寄存 器。其通用寄存器的数量远比一般c p u 的寄存器数量多。这样就有可能为各种中 断服务程序中的局部变量指定专门的寄存器，免除了中断服务过程中保护寄存器 现场和恢复寄存器现场所支付的软件开销。 1 3 西j e 工业人学硕士论文第二章系统硬件设计 有一套效率高、执行速度快的指令系统。可以对带符号数和不带符号数进行操作， 还有符号扩展、数据规格化( 用于浮点数计算) 等指令，3 位操作数指令大大减 少了指令效率。 8 0 c 1 9 6 k c 以后的芯片中，增加了一个外设事务服务器p t s ，专门用于处 理外设中断事务，和普通中断服务程序相比，p t s 服务大大减少了c p u 的软件开 销。 除上述几点，m c s 一9 6 系列单片机还集成了更为丰富的外设装置： 振荡器和时钟发生器： 定时器计数器： 标准输入输出口； 全双工异步和同步输入输出口； 8 x c l 9 6 的某些型号还增加了硬件同步串行1 ：3 ，可支持若干种标准同步串 行传输协议； 监视定时器( w a t c h d o g ) ，用于提高系统抗干扰能力； 高速输入输出器( h s i o ) 或事件处理器阵列( e p a ) 。用于记载引脚上输 入事件( 信号电平的跳变) 的发生时刻和按预定时间执行操作。两者区别是，h s i f i f o 面向所有h s i 引脚，h s oc a m 面向所有h s o 引脚：e p a 的捕获比较模块或比 较模块与固定的输入输出引脚一一对应； 脉宽调制输出，可用于直接驱动电机类的执行元件，或滤波后获得直流 输出。 图2 7 为8 0 c 1 9 6 k c 单片机的内部结构框图。 随着单片机系统的不断发展，许多原来属于单片机系统扩展部分的硬件现在 已经集成到单片机内部，仔细的发掘这部分资源，对于以单片机为核心的系统 1 4 西爿e 工业大学硕士论文第二章系统硬件设计 设计是相当重要，以下就与本系统设计时性能密切的集成外设做以概括的阐述。 2 4 1 a i d 功能 图2 78 0 c 1 9 6 k c 单片机结构图 8 0 c 1 9 6 k c 的集成a d 转换器框图如图所示。由一个8 通道的模拟多路转换 开关，一个采样保持电路、一个1 0 位逐次逼近型a d 转换器、a d 命令寄存器、 a d 结果寄存器和控制逻辑等组成。 外部模拟信号被选通后，由采样保持电路采样和保持后。逐次与内部a d 转 换器的输出作比较，若比较1 0 次，每次花费8 个状态周期，另外还需8 个状态周期 用于装载和贮存数据，故一次转换需8 8 个状态周期。 1 5 西北工业大学硕上论义 第二章系统硬件设计 n a l o 口i n p u t s 。 图2 - 88 0 c 1 9 6 k c 内部a d 结构图 执行h s o 的o f h 通道命令或者向a d 命令寄存器的g o 位写一个“l ”，就启 动了转换过程。无论用哪种方法启动转换，都会把一个启动转换信号送入a d 转换器的控制逻辑。若采用h s o 命令方式，当定时器1 计数增值时，转换过程就 真正开始了。对于那些采样周期要求很严格的应用场合，采用这种启动方式较合 适，因为t l 延时时间是相等的，连续两次采样周期的偏差大约为5 0 i - t s 。用a d 命令寄存器的g 0 位启动转换，在该指令执行后的3 个状态周期内，转换过程都 可能真正开始，这将造成0 7 5 9 s ( 1 2 m h z 时) 的采样周期偏差。 一旦a d 单元接收到开始转换信号后，在采样前将有一个状态周期的延时 ( 采样延时延时) ，在这一段时间内，逐次逼近寄存器将复位，多路转换开关选 通到适当的通道上。采样延时后，多路转换开关的输出将连接到采保电容上，并 保持接通4 个状态周期( 采样时间) 。4 个状态周期后，“采样窗口”关闭，多路 转换开关与采保电容断开，因而在转换过程进行中，模拟输入脚上的信号变化不 会改变采保电容上贮存的电荷。“采样窗口”一关闭，比较器自动调零，转换开 始。采样延时和采样时间的不确定性与时钟速度有关，大约都有5 0 m s 左右。 1 6 西北工业太学硕j ：论文 第二章系统硬件设计 为完成实际的a d 转换，采用逐次逼近算法。转换器的硬件包括：一个2 5 6 级梯形电阻网络、一个比较器、耦合电容、一个1 0 位逐次逼近寄存器和一个控 制逻辑。当参考电压为5 1 2 v 时，电阻网络的阶梯为2 0 m v ，而采用电容耦合后， 在2 0 m v 的梯形电压又形成了5 m v 的阶梯。因此，有1 0 2 4 级的内部参考电压可用 来与模拟电压作比较，形成了l o 位转换结果。 逐次逼近的基本原理是：把一个二进制规则变化的参考电压序列逐次与模拟 输入作比较，以寻找一个与输入最接近的参考电压。首先，以满量程参考电压的 l 2 作为测试电压，与输入作比较，相当于把1 0 位二进制值的0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 b 与 输入作比较。若输入模拟电压小于测试电压，则让s a r 的位1 0 为0 ，再使位9 为0 ，即把满量程电压的i 4 4 ，c o n v ：6 1 4 ；对于8 位转换模式，应设置s a m 2 c o n v = 5 1 8 。 为了与8 0 c 1 9 6 k b 的a d 相兼容，在8 0 c 1 9 6 k c 中仍保留了2 种转换速度这 2 种转换速度由i o c 2 4 选择。当i o c 2 4 = 0 时，时钟定标器被接通，a d 转换需 1 5 6 5 个状态周期；当i o c 2 4 = 1 时时钟定标器断开，a d 转换需8 9 5 个状态 周期。同时，a d 时间寄存器的功能也受i o c 2 控制。 使用8 0 c 1 9 6 k c 的a d 时，应注意 a ) 对于1 次a d 转换，寄存器的初始化顺序为：a d 时间寄存器、1 0 c 2 、和 a d 命令寄存器； b ) 当a i d 转换器正在以与8 0 c 1 9 6 k b 兼容的模式进行转换时，不要启动另一 次要用到a d 时间寄存器的转换，因为前一种转换必须使1 0 c 2 4 = 0 ，而 后一种转换却使i o c 2 4 = i ，两者是冲突的； c ) 决不要把0 值赋给a d 时间寄存器。 在本系统中，a d 转换模式使用的是1 0 位模式，a d 时闻寄存器中的控制 7 为o a a h , 眦帅的转换公航胛 箸 。 酉北工业大学硕士论文第= 章系统硬件设计 2 4 2 存储器配置 由于8 0 c 1 9 6 k c 单片机的程序存储器与数据存储器是合而为一的普林斯顿 结构，不是采用哈佛结构那样程序存储器空间与数据存储器空间分开，而且与i o 口统一编址的。另外，它内部自带的r a m 多达4 8 8 个字节，对于本系统而言需 扩展一片e p r o m2 7 1 2 8 ，一片r a m6 2 2 5 6 ，以及闪存m b m 3 0 l 0 0 6 4 。数据总线 配置为8 位。c p u 给程序存储区、数据存储区、液晶显示器、打印机、键盘、 量程控制选择电路都各自分配了地址空间，在此地址空间内的任一地址都可作为 选通信号。本系统中的地址译码电路由数字逻辑器件g a l l 6 v 8 完成。7 4 l s 3 7 3 作用是将低8 位地址锁存，起到让数据线与地址线分离的目的。 根据试井要求仪器的数据存储量应该足够大。本试井仪要求一次能够存储 1 0 2 5 口液面数据( 双通道，每口井要存3 2 6 2 b 数据) 和2 0 5 0 口功图数据( 每口 井2 7 0 b ) 资料。同时由于试井要求有较复杂的键盘控制、多页液晶显示界面、 数字滤波以及打印驱动程序，因此程序存储量比较大，扩展存储空间问题不可避 免。 m b m 3 0 l 0 0 6 4 型存储器是日本富士公司出的大容量f l a s h 型存储器。它有 8 m + 2 5 6 k 的容量，分成1 0 2 4 块，每块1 6 页，一页有5 2 8 字节。它只有8 个普 通的i o 口和8 根控制线，故所有的地址信号，数据信号都是通过8 个i o 的输 入输出来实现的。硬件连线如图2 1 0 所示。引脚连线说明： l 、g n d 2 、c l e 控制命令锁存允许，在高电平期间可以往f l a s h 写入命令字； 3 、a l e 地址命令锁存允许，在高电平期间往f l a s h 写入地址值； 4 、w e 写命令引脚，直接连c p u 的写信号引脚； 5 、w p 写保护命令引脚，在低电平时不允许对f l a s h 进行擦除或者 西北工业大学硕士论文 第二章系统硬件设计 图2 1 0m b m 3 0 l 0 0 6 4 硬件连线图 写数据； 6 1 7 ，2 8 3 9 、空引脚； 1 8 2 l ，2 4 2 7 、连接相应的数据线： 2 2 、g n d 地线： 2 3 、接5 v 电源，它是为了和普通t t l 电平兼容： 4 0 、s e 空闲区域允许，在f l a s h 的每一页上有多余的1 6 个字节空间，如 果接低电平，在读f l a s h 时，读完高2 5 6 字节后会自动读取( 或写) 这1 6 个字 节，在实际中如果不需要此空间，可以接高电平从硬件上以防止去读( 或写) 此 1 6 字节数据。当然可毗通过软件人为的设置计数值，防止去读( 或写) 这块数 据。比如读完下半页的2 5 6 字节就停止读，下一读( 或写) 从下一页开始读或写。 4 1 、r b 空闲繁忙引脚，在往f l a s h 写数据时，写完后要判断是否写完， 那么要读此引脚来判断当这个引脚为低电平时，表示还没有写尧要继续等待 直到变为高电平为止。 2 1 西北工业大学硕士论文 第二章系统硬件设计 4 2 、r e 一般情况下，接c p u 的读引脚，但是由于此芯片的片选信号不能通 过译码的方式产生片选地址，那么在脱机时，从e p r o m 读指令，并操作对象是 f l a s h 时，两个芯片片选同时有效，会产生数据竞争，所以解决办法就是在读 e p t i o m 时不读f l a s h ，那么将这个读引脚加一个译码地址，这个地址与e p r o m 的 地址是不冲突的，所以就消除了数据竞争。所以它要接r d + 译码地址。 4 3 、c e 芯片允许。是位选，原因是给f l a s h 送地址后，c e 还必须保持低 电平一段时间( 7 微秒) ，用译码方式无法做到这一点。 4 4 、v c c 芯片电源电压( 2 7 v “3 6 v ) 。 2 5 主控电路与外设接口 2 5 1l c d 液晶显示模块 本试井系统的显示设备选用的是2 4 0 ( 列) x1 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的液晶显示器件，以内 藏控制器型图形液晶显示模块的形式出现。其特点： t 6 9 6 3 c 控制器是点阵式液晶图形显 示控制器，能直接与8 位微处理器接口： t 6 9 6 3 c 的字符字体由硬件设置，其字 体有4 种：5 8 、6 8 、7 8 、8 x 8 ； 以图形方式、文本方式及图形和文本 合成方式进行显示，以及文本方式下的特征显 示，还可以实现图形拷贝操作等等； l c d t 6 9 6 3 c 具有内部字符发生器c g r o m ， 图2 1 1l c d 与单片机接口 共1 2 8 个字符，t 6 9 6 3 c 可管理6 4 k 显示缓冲 2 2 西北工业大学硕士论义 第二章系统硬件设计 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2 一1 1 所示： d 0 0 。d o ，：t 6 9 6 3 c 与m p u 接口的数据总线： w r ，r d ：写、读选通信号，低电平有效，输入信号； 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， 关显示； l c d ：为低电平有效的液晶片选信号c s ； a 1 ：通道选择信号c d ，i 为指令通道，0 为数据通道。 液晶显示器l c d 通过液晶显示控制器t 6 9 6 3 c 与单片机的八位数据总线相 连，接收c p u 的各种指令，控制l c d 显示。t 6 9 6 3 c 使用w r ，r d ，c s 和a 1 作为与8 0 c 1 9 6 数据总线接口的控制信号。读信号低电平有效，选通t 6 9 6 3 c 的 输出缓冲器；写信号，低电平有效，在信号的上升沿将总线上的数据锁入：片选 信号低电平有效，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 提供片选地址；a l 是指令数据控制信号，它与w r 和r d 信号一起，控制存 取t 6 9 6 3 c 的方式，可实现读写指令或接收数据，当al ：“1 ”时，为接收指令 状态，当a1 = “o ”时，为接收数据状态。点阵式l c d 无论显示字符或图形，都 是通过对显示r a m 写入不同数据来实现的。 2 5 2 单片机与打印机接口电路 在该系统中，系统主要任务是实时采集声波、位移及载荷的电压信号，在对 此信号分析的基础上，判断油井工作状况。考虑到专用的微型打印机的输出效果 不太理想，并且系统完成实时测试后可以让出大部分的系统资源，为单片机直接 驱动通用打印机创造了条件，所以选用e p s o n 的l q - 1 6 0 0 k 3 + ，将实时采集到的 数据以图形和文字的方式提供给用户。 萌北工业大学硕士论文第二章系统硬件设计 单片机将打印机当作其外部数据存储单元来进行数据的传送与设备管理。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，现在只用其中的1 8 根线。其中8 根数据线，1 根状态线，1 根控制线，其 余均为地线。硬件电路如图2 - 1 2 所示。 图2 - 1 2 单片机与打印机接口电路 图2 1 3 为系统主板的实物图。 图2 1 3 系统主电路板 2 4 西北工业大学硕士论文第二章系统硬件设计 2 6 硬件抗干扰措施 硬件抗干扰措施可以从以下几个方面考虑 电源线加粗，合理走线、接地，三总线分开：减少互感振荡。 c ? u 、r a m 、r o m 等主芯片，v c c 和g n d 间接电解电容及瓷片电容：去掉高、 低频干扰脉冲。注意高频电容的布线，连线应靠近电源端并尽量粗短，否则，等 于增大了电容的等效串联电阻，会影响滤波效果； 布线时避免9 0 度折线，减少高频噪声发射。注意晶振布线。晶振与单片 机引脚尽量靠近，用地线把时钟区隔离起来，晶振外壳接地并固定。此措施可解 决许多疑难问题。 电路板合理分区，如强、弱信号，数字、模拟信号。尽可能把干扰源( 如 电机，继电器) 与敏感元件( 如单片机) 远离。 用地线把数字区与模拟区隔离，数字地与模拟地要分离，最后在一点接 于电源地。a d 、o a 芯片布线也以此为原则 单片机和大功率器件的地线要单独接地，以减小相互干扰。大功率器件 尽可能放在电路板边缘。在电路板布局时，m o s 管均靠近板子边缘。 在单片机i 0 口，电源线，电路板连接线等关键地方使用抗干扰元件如 磁珠、磁环、电源滤波器，屏蔽罩，可显著提高电路的抗干扰性能。，该项目前 没有使用，但是在板子整体组合装配后，最好能采用此类措施。 以上是本项目系统中所采用的硬件抗干扰措施以及所对应的理论依据。当然 作为单片机系统的硬件抗干扰措施有很多，针对不同的系统，随着复杂程度的不 西北工业大学硕士论文第二章系统硬件设计 通和系统要求的不同，对硬件抗干扰措施提出的要求也不同。这些都需要在不断 的工程实践中摸索与积累。 西北工业大学硕士论文 第三章操作系统 第三章操作系统 长期以来，计算机科学专家们的杰作一实时系统( r t o s ) 与嵌入式应用产品 开发工程师的理念之间存在着一道明显的沟壑。多数应用领域的开发人员习惯于 画一块印刷线路板，画个程序框图，编一个软件，试一试，于是产品开发就完成 了。从计算机科学的角度来看，不但开发出的产品存在着诸多的不安全隐患，这 种开发产品的方法本身就不够科学。r t o s 是计算机专家们多年潜心研究的成果， 使用r t o s 不仅增加了嵌入式应用系统的可靠性，缩短了产品的开发时间，而且应 用程序的维护也会方便许多。 3 1 实时操作系统r t o s 的介绍 嵌入式实时操作系统( r e a lt i m ee m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m ) 是一种实时 的、支持嵌入