（地球探测与信息技术专业论文）油井参数测试器下放深度智能监测系统研究与开发.pdf

大庆石油学院硕十研究生学位论文 摘要 油升测试通常是将油井参数测试器下到井下预定深度，对目的层的参数进行测试，下井仪器能 否准确下到预定深度将对油井测试质量有重要影响。本文所研究的油井参数测试器下放深度智能监 测系统，可以用丁试井过程中监测下井仪器下入深度，并可以实时显示、自动存储深度数据，以便 准确跑将仪器下鲻井下预定位置。本监测系统是由具有键盘和液晶显示的革片机应用系统构成，可 实现信号调理、数据采集、键盘控制及串口通讯等功能。该系统还有实时计时功能，能够准确记录 试井过程中的关井时间、开井时间以及完成其它必要的计时工作。本系统在现场的应用，将提高试 井深度测量的精度，解决传统试井深度记录中因机械或人为因素导致深度误差较大的问题，且操作 方便，简单实用。 本文首先对浊井深度测量方法、深度信息的采集及光电编码器使用原理做了简要介绍。然后对 深度监测系统的硬件结构及设计特点进行了分析，并对软件部分的几个主要模块进行了介绍。本文 的研究工作表现在以下几个方面：第一，研究试井技术原理和深度测量方法，根据试井要求设计以 8 0 c 3 2 单片机为核心f f 勺智能深度监测硬件系统以及外葡接口电路：第二，在充分考察现场工作情况 及试井操作要求的基础上，设计了一套操作方便、界面简洁、功能强大的软件系统；第三，样机调 试考察本监测系统的软件及硬件的运行效果。调试结果表明软件及埂件的设计合理、运行可靠，同 时也发现在一些设计上的不足，有待于进一步研究。 关键词：地球探测与信息技术：油并参数测试器；深度铡量；单片机；监测系统 i i i a b s t r a c t d u r i n go i lw e l lt e s t i n g ，t h ew e l lt e s t e rw a su s u a l l yd e s c e n d e dt oap r e d e t e r m i n e dd e p t ha n dt h e n t e s t i n gt h ep a r a m e t e r so ft h es t r a t u m ，w h e t h e rt h ew e l lt e s t e rw a sd e s c e n d e dt ot h er i g h tp l a c eo rn o tw i l l i n f l u e n c et h eq u a l i t yo f w e l lt e s tg r e a t l y t h ed e p t hm e a s u r e m e n ts y s t e md i s c u s s e di nt h i sp a p e rc a l lb eu s e d t om o n i t o r i n gt h ed e p t ho fw e l lt e s t e rw h e ni td e s c e n d i n gi naw e l lt h es y s t e mc a na l s od i s p l a yt h ed e p t f l d a t u mi nr e a lt i m ea n ds t o r a g et h ed a t aa u t o m a t i c a l l y , s ot h a tt h ew e l lt e s t e rc a nb ed e s c e n d e dt ot h ee x a c t d e p t h t h em e a s u r e m e n ts y s t e mw a sm a d eu po fas i n g l ec h i ps y s t e mw i t hk e y b o a r da n dl i q u i dc r y s t a l d i s p l a y i th a st h ef u n c t i o n so fs i g n a lc 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 , s e r i a lc o m m u n i c a t i n ga r i ds oo n t h es y s t e ma l s oh a st h ef u n c t i o no fr e c k o nb yt i m w , t h e ni tc a r lw r i t ed o w nt h et i m ew h e nc l o s i n go r o p e n i n gt h ew e l la s w e l la sa n yo t h e rt i m ei n d i s p e n s a b l et ow e l lt e s t t h ea p p l i c a t i o no ft h e d e p t h m o n i t o r i n gs y s t e mi no i lf i e l dw i l li n c r e a s et h ep r e c i s i o no ft h ed o w n h o l ed e p t hm e a s u r i n gd fw e l lt e s t e r , w h a t sm o r e ，o p e r a t i n gc o n v e n i e n t l y f i r s t ，t h ed e p t hm e a s u r e m e n tp r i n c i p l ew a si n t r o d u c e d ，t h e nt h eh a r d w a r es t r u c t u r ea n dt h ed e s i g n i n g c h a r a c t e r i s t i c so ft h em o n i t o r i n gs y s t e mw e r ed e s c r i b e d ，a n dt h e nt h es o f t w a r ew a si n t r o d u c e d ，s e v e r a l i m p o r t a n ts o f t w a r ef l o w c h a r t sw e r eg i v e n t h er e s e a r c hw o r ki nt h e s et h e s e si sd e s c r i b e da sf o l l o w s ：f i r s t l y , r e s e a r c ho f ft h e o r yo fw e l lt e s t i n gt e c h n o l o g ya n dd e p t hm e a s u r i n gw a y s a c c o r d i n gt ot h ew e l lt e s t i n g r e q u i r e m e n t ，t h es i n g l e c h i ps y s t e mw i t h8 0 c 3 2a n di n t e r f a c ec i r c u i ti sd e s i g n e d s e c o n d l nas o , w a r e s y s t e mw i t hs t r o n gf u n c t i o n ，c o n v e n i e n to p e r a t i o na n dc o n c i s ei n t e r f a c ei sd e s i g n e db a s e do nc a r e f u ll o c a l e c h e c k i n ga n dt h eo p e r a t i o no fw e l lt e s t i n g ，t h i r d l y , t h et 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 n b o t hs o f t w a r ea n dh a r d w a r ea s p e c t s ，a tt h es a m et i m e ，s o m e t h i n gw a i t i n gf o rm o r es t u d i e sw e r ea l s of o u n d k e yw o r d s ：g e o d e t e c t i o na n di n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y ；w e l lt e s t e r ；d e p t hm e a s u r e m e n t , s i n g l e c h i p m o n i t o r i n gs y s t e m 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的研究成 果据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已经发表或撰写 过的研究成果对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并 表示谢意。 作者签名： 冲毖魄毕垆 学位论文使用授权声明 本人完全了解大庆石油学院有关保留、使用学位论文的规定，学校有权保留学位论 文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版有权将学位论文用于非 赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅。有权将学位论文的内容编入有 关数据库进行检索有权将学位论文的标题和摘要汇编出版保密的学位论文在解密后 适用本规定 蝴签名象悻骖 嗍：聊孑哆 导师娩荔必 十4 日期： a 耳 7 j 弓戍2 争毽 大庆石油学院硕士研究生学位论文 创新点摘要 本文所研究的深度监测系统对深度信息的采集是通过光电编码器实现的，井下仪器在井下的移 动位移经过光电编码器的转换，变成相位相差9 0 。的电脉冲信号，对此电脉冲信号进行记录即实现深 度的监测，由于仪器在井下的运动方向是上下两个方向的，所以对脉冲的计数即要能加计数又要能减 计数。通常对脉冲的这种可逆计数可通过纯软件或纯硬件的方法来实现，本文采用了软件和硬件相 结合的方法，硬件采用单片机8 0 c 3 2 内部定时，计时器t 2 和一片驱动整形芯片c d 4 0 5 0 和一个双d 触发器c d 4 0 1 3 ，配合软件编程实现了电脉冲信号的可逆计数。该方法的特点是克服了纯硬件方法计 数电路复杂的缺点，同时也避免了纯软件方法占用资源多，且计数速度较慢的不利之处。仅占用单 片机8 0 c 3 2 的一个i o 口和一个内部计数器郎实现可逆计数的功能。实践表明，该方法简便易行， 计数效果稳定可靠，完全能满足试井深度监测的精度与速度要求，有效提高了深度监测的分辨率。 v 大庆石油学院硕士研究生学位论文 引言 在油田开发和油藏动态监测过程中，深度的测量具有十分重要的意义。特别是在油 井测试作业中，经常需要对油井的不同阶段进行各分层段地层渗透率、静止压力、含油 饱和度等参数的测试。根据这些参数，可以进行采油量及井喷预测，并做出最好的油田 开发后续工艺设计，以获得最大的经济效益。这些数据的获得需要将测试器准确下到井 下预定层位，然后进行各种参数的测试。测试器的位置下入的准确与否，将直接影响测 试的质量，深度误差可能导致各别层位以至整个剖面资料的错误，即使是不到一米的垂 直深度误差有时会导致重大的经济损失。由此可见，深度测量在地层评价测试过程中具 有重要意义。 与其它的一些地层评价测试技术的快速发展相比，深度测量技术发展相对缓慢。最 初，确定储层深度仅依靠钻杆的深度，有油从钻杆流出时的累计钻杆长度即为油层深度 ”j 。当电缆测试器出现并被应用后，可以通过测量下入井下的电缆长度来得到测试器在 井下的准确位置，由此可以将测试器测得的储层物理参数与深度较好的对应起来，以便 对储层进行精确的评价和动态监测。目前，各油田广泛采用钢丝( s l i c k i n e ) 或钢缆 ( w i r e li n e ) 来将井下工具或井下仪器送至井下预定位置，对深度的测量通过测量钢丝或 钢缆下放到井下的长度来实现，采用的测量方法主要有两种：一种是磁记号检测法，另 一种是采用测量轮的方法，不同的测量方法各有所长。随着对油井解释精度要求的不断 提高，各项测试井技术不断的改进与完善，地层参数的精确解释越来越要求试井深度数 据的准确性，尤其是在进行点测、连续测吸水剖面或压裂井温测并过程中，需要有准确 的测点地层深度i z j 。传统的试井深度的测量，依靠机械转速表、人工读取转数，再经过 计算得到深度值，由于人为因素或机械故障等原因会给深度测量结果造成很大误差，己 不能很好地满足目前试井的要求，并且所得的深度数据不便于针对不同的测量情况进行 自动校正。因此，相关领域的研究人员不断的尝试改进深度监测方法和设备，不断开发 研制能自动记录并存储深度数据的地面智能监测仪器。比如：文献 3 和文献 4 中介 绍了一种地面电子深度测量系统( a d v a n c e dm e a s u r i n gs y s t e m 简称a m s ) ，a m s 采用电 了计数和有效的深度校正算法来实现连续的、快速的深度校正，使试并深度测量精度达 到5 f t l o ，0 0 0 f t 。另外，美国的k e r rm e a s u r e m e n ts y s t e mi n c 公司主要从事深度测 量设备的研究与开发，由他们开发生产的产品被多家石油公司采用。多年来，我国的测 井仪器技术一方面走引进、改造与仿制的路子，另一方面进行自主研究和开发，虽然近 几年国内的测井仪器技术有了较快发展，但与发达国家相比还有明显的差距。在试井深 度测量仪器方面，目前国内已有研究人员从事这方面的研究与开发，比如：郑州解放军 信息工程大学的胡念英等人推出的一种基于d s p 的张力、深度、速度测量系统和鞍山钢 铁学院的赵明等人研制的以8 9 c 5 2 为核心的深度测试仪都取得了较好的效果，并得到相 关领域研究人员的广泛关注。 目前，我国国内自主开发出来的多功能数控测井地面系统中，深度张力系统由于生 引言 产厂家的不同而在功能上也各有所区别，但都或多或少地存在一些缺陷，况且这些深度 系统的设计都是根据其地面系统的本身而研制的，不易推广。目前国外的测井系统中， 特别是成像系统中，其深度系统大都采用一个大的显视屏来显示各种信息，醒目且直观， 但其造价比较昂贵。本论文中研究的油井参数测试器下放深度智能监测系统就是在借鉴 前人的成果并考察目前现场实际的基础上，研究开发一种智能深度监测系统，从而实现 自动监测并记录深度数据，并可以通过串行口与p c 机联机通讯，实现测量数据的进一 步计算机处理。该监测系统合理借鉴了前人的优点的同时也不乏自己的特点，对其所做 的研究也有助于数控测井及成像测井地面系统中深度系统的研究与开发。 一、课题来源及主要研究内容 ( 一) 课题来源 本课题来源于大庆石油学院科技发展基金项目( y j j x m 2 0 0 4 0 1 5 ) 。 ( 二) 主要研究内容 本课题的研究内容是在对深度信息的采集、处理与计量方法研究的基础上，以深 度监测系统电路原理图方案及系统软件的设计为主，其目的是完成一套智能深度监测 系统的样机模型，并通过深度系统样机的整体调试。论文全文共包括四章，各章的主 要内容如下： 。 1 第一章介绍了深度监测的基本原理及深度信息的采集与处理方法，并对深度采集传 感器( 增量式光电编码器) 的使用原理以及单片机内部定时计数器的功能进行了简 单的介绍。 2 第二章详细介绍了各部分硬件电路的具体实现，包括单片机系统及其接口电路等， 3 第三章介绍了智能深度监测系统的软件，对主要的软件模块进行了具体的介绍并给 出了程序框图。 4 第四章对智能深度监测系统样机的调试及结果进行了分析，并对深度测量过程中的 误差进行了分析，针对不同的误差给出了具体校正方法。 二、智能深度监测系统的功能及主要技术指标 完整的智能深度监测系统构成主要包括有深度信息采集、电缆张力信息采集、单片 机测量控制和p c 机数据回放四个部分，通过四个部分的工作来达到的准确监测井下测 点位置的功能。系统的构成如图o 一1 所示。由于时间原因，本文没有涉及电缆张力信息 采集部分的内容，有待以后的研究。 ( 一) 智能深度监测系统的功能 本文所设计的油井参数测试器下放深度智能监测系统的功能主要有以下几个方面： 1 实时记录、存储试井深度随时间的变化，以便对试井工序进行实时监测，为提高试 井资料的解释精度提供了必要的基础数据。 2 可实时预置并存储试井井号、测试日期、试井班组、报警深度等重要信息，同时还 可通过预置滑轮周长，以便消除因钢丝对滑轮的磨损而造成的误差。 3 采用r s 一2 3 2 串行口与p c 机联机后，便可随时回放深度一时间关系曲线。回放界面 2 大庆石油学院硕士研究生学位论文 采用中文菜单提示，从而可方便现场实际操作。 4 可在预置报警深度范围以内进行报警，以提示操作人员在某些重要层段进行测量。 5 液晶显示窗口采用宽温、背光式设计，因而便于在低温环境及夜间进行测量。 6 仪器外挂存储卡，便可实现内外同时存储数据功能：当一口井测试完毕后，更换存 储卡，便可实现对另一口井的测试任务，从而提高了工作时效。 图0 - i 智能深度监测系统构成框图 f i g 0 - 1t h ef r a m eo fi n t e l l i g e n td e p t hm o n i t o r i n gs y s t e m ( 二) 智能深度监测系统的主要技术指标 1 电源 额定电压：+ 1 2 v 工作电流：4 0 0 m a ( 含背光) 充电电压：a c2 2 0 l o 5 0 h z ( 单相) 充电时间：2 4 小时 充电次数：正常工作时，每3 天4 天充电一次 2 使用环境 温度：一2 0 c + 7 0 夜间：可用背光照明 3 主要测量参数指标 测量范围：0 米5 0 0 0 0 米 测量精度：l 米千米 分辨率：0 1 米 深度修正：1 9 存储容量：4 0 0 0 组数据 时钟：月走时误差小于3 0 秒 采样时问：1 秒9 9 秒 图圈 引言 报警深度：0 米5 0 0 0 0 米 连续工作时间：7 2 小时2 0 0 小时 三、研制油井参数测试器下放深度智能监测系统的意义 油井参数测试器下放深度智能监测系统采用单片机控制技术，将计算机硬件和软件 有机结合，使得信息传递迅速准确，数据采集量大，自动化程度高，对油田的生产有着 重要的现实意义。主要表现在以下三个方面：( 1 ) 可以杜绝测试操作过程中的人为因素， 现场深度不用人工填写，由仪器记录，使深度达到真实可靠；( 2 ) 通过该系统可以限制 仪器下放速度，以防仪器碰撞，缠绕；( 3 ) 由于深度记录准确，可使现场施工对资料的 影响减到最小程度，使试井资料精度提高。因而，该仪器的研制成功，将能够对现场旎 工质量进行可靠监督，从而确保试井资料录取准确、可靠，为油田进步高产、稳产提 供了一定的依据。 图o 一2 深度智能监测系统深度测量仪样机 f i g 0 - 2t h es a m p l eo fi n t e l l i g e n td e p t hm o n i t o r i n gs y s t e m 大庆石油学院硕士研究生学位论文 第1 章深度监测的基本原理及深度信息的采集 地层评价和油井动态监测中，深度是一项重要的测量数据。从深度的定义上说，可 分为测量深度( m e a s u r e dd e p t h ) 和真垂线深度( t r u ev e r t i c a ld e p t h ) ，测量深度即 指沿井眼中心线上的长度；用测量深度数据和井眼偏移( 方位角，) 数据经转换可得到真 垂线深度【l 】。最初深度的测量依靠钻杆的长度，随着电缆测井的出现，深度的测量可通 过测量下入井中电缆的长度来实现。由此，入们习惯上把测量深度因测量方法不同又分 为“钻头深度”和“电缆深度”。 电缆深度的测量通常有两种方法：一种是磁记号检测法，在测井电缆固定的间隔位 置上预先做好磁记号，在电缆下井时，通过井口的磁记号检测器来检测磁记号的个数， 通过转换得到深度数据；另一种方法是通过压靠在下井电缆上的测量轮来测量电缆下入 的长度，通常人们采用的是用一个测量轮，美国专利文献( 专利号4 1 1 7 6 0 0 ) 中介绍采 用两个测量轮，两个测量轮彼此校对可以减小电缆与轮之间的打滑给结果造成的误差。 1 1 深度测量原理 图卜1 所示为深度测量原理示意图。井下参数测试器通过绞车的钢缆下放至油井井 眼内，并按要求上下运动。绞车收放时，钢缆将带动深度传感器( 光电编码器) 与测试 滑轮同轴转动。测试轮的半径设计为1 5 9 1 5 4 9 m m ，这样测试轮每转动一周相当于钢缆运 动l m 。假设光电编码器每转动一周输出4 0 0 0 个脉冲，那么每个脉冲对应钢缆移动的距 离为0 2 5 m m ，即表示井下参数测试器在井眼内运动。0 2 5 m m 。通过单片机将光电编码器 的输出脉冲个数n 实时记录下来，然后利用公式h = o 2 5 n 就可以方便地换算出井下参数 测试器在井眼内的实际运行深度。 图卜1 油井深度测试原理图 f i g ，l 一1p r i n c i p l ed i a g r a mo fw e l ld e p t hm e a s u r e m e n t 1 2 光电编码器介绍 1 2 1 光电编码器的工作原理 光电编码器是一种高精度的角位移传感器，它在角度测量、位移测量和速度测量中 第1 章深度监测的基本原理及深度信息的采集 有着广泛的应用。因其具有直接输出数字量、响应快、精度高、抗干扰能力强、分辨率 高、输出稳定等特点，其应用范围不仅仅局限于角位移，角速度测量等场合，在直线位 移，尤其是大位移测量领域也越来越广泛i s 。 光电编码器主要由安装在旋转轴上的编码圆盘( 码盘) 、狭缝以及安装在圆盘两边的 光源和光敏接收元件组成，基本结构如图1 - 2 所示1 6 j 。码盘一般由光学玻璃制成，其上 刻有许多同心码道，每位码道上都有按一定规律排列的透光和不透光的部分，即亮区和 暗区。光源将光投射在码盘上时，当旋转轴带动码盘转动时，通过亮区的光线经狭缝后， 由光敏元件所接收，把码盘上按照一定码制刻画的角度信息转换为电信号，根据需要把 电信号经电路处理或给计算机处理，得到所需要的角度量。 图卜2 光电编码器原理图 f i g 1 2p r i n c i p l ed i a g r a mo fo p t o e l e c t r i ce n c o d e r l2 2 光电编码器的分类 随着工业自动化事业的发展，光电编码器的应用领域的不断扩大，市场上不断涌现 新技术原理新结构型式的光电编码器。光电编码器的开发与制造正在形成一个独立的行 业与产业。根据光电编码器在其工作原理上、结构上及其输出信号上的不同，对光电编 码器的分类也有不同的方法。其中，按输出信号的特征分类，光电编码器可分为增量式、 绝对式和正弦波式三种，下面仅对这三种编码器进行简要介绍。 l ，增量式光电编码器： 输出轴转角被分成一系列位置的增量，敏感元件对这些增量响应，每当出现一个单 位增量时，敏感元件就向计数器发出一个脉冲，计数器把这些计数脉冲累加起来，并以 各种进制的代码形式在输出端给出所需要的输入角度瞬时值信息。当前，这种光电编码 器的用量最大，约占光电编码器总用量的8 0 。这种光电编码器的最大优点是结构简单、 价格低廉；缺点是无固定零位，遇到停电等故障所有信息全部丢失。为了避免这个缺点， 最近研制出一种带固定零位的增量式光电编码器，兼容了绝对式光电编码器的特点【”。 增量式光电编码器按每转输出的脉冲个数分为低脉冲( 小于2 0 0 个) 、中脉冲( 2 0 0 个 大庆石油学院硕七研究生学位论文 1 0 0 0 个) 、高脉冲( 1 0 0 0 个5 4 0 0 个) 、超高脉冲( 大于6 0 0 0 个) 4 种，增量式光电编 码器示意图如图卜3 所示【甜。增量式编码器给出了a 、b 两相信号的相位关系( 见图卜5 ) ， 利用该两相基本输出信号来判断被测对象的运动方向是正转还是反转，以便由计算机跟 踪处理脉冲个数的增减，精确测得对象的位移。 l 件 信号 参考标志 圈l 一3 增量式光电编码器示意图 f i g 1 3s k e t c hm a po fi n c r e m e n t a lo p t o e l e c t r i ce n c o d e r 2 绝对式编码器 绝对编码器也q 空间编码器或直读式编码器。转角的代码是由一个多圈圆心码道的 码蛊给出的，具囱崮定零位，绝对式编码器能在每一个确定的角位置给出一个确定的数 值( 码值) 。当编码器上电时，码值就会立即输出。绝对式光电编码器的优点是具有固 定零位，角度的代码单值化，无累计误差，抗干扰能力强，缺点是敏感件多，码盘图案、 制造工艺复杂，成本也商。 3 ，正弦波光电编码器 作为a d 转换器的光电编码器，一般输出矩形波脉冲信号。当输出信号要求进一步 细分提高分辨率或需要输出模拟量时，往往要用输出正弦波的光电编码器。为提高细分 精度，对这种编码器输出的信号要求有严格的正弦性、等幅性和正交性。 根据所监测参数的特点，试井深度计数既包括加计数也包括减计数，因此本系统选 用增量式光电编码器，通过增量式光电编码器输出的a 、b 两相脉冲的相位不同、软件 编程实现深度的加减记录。 1 3 深度信息的采集与处理 在深度测量原理中已介绍，油井参数测试器下放深度对应编码器输出的脉冲数，通 过对编码器输出脉冲的处理可监测到深度值的变化情况。深度值的变化包括油井参数测 第l 章深度监测的基本原理及深度信息的采集 试器下放时深度增加和上提时深度值的减小。因此，对编码器输出脉冲的处理时要对输 出的两相脉冲a 、b 进行驱动、鉴相与计数，从而即可以记录油井参数测试器下放时深 度的增加，还可以记录油井参数测试器上提时深度的减小。要实现上述所述的功能，要 求栩应的计数器既能实现加计数，又能实现减计数，即进行可逆计数。具体实现的方法 有多种，包括纯粹的软件计数和硬件计数。通过实践比较，纯软件计数虽然电路简单， 但是计数速度慢，难以满足实时性要求，而且容易出错，用外接加减计数芯片的方法， 虽然速度快，但硬件电路复杂，本文所采用的方法是用单片机内部的计数器来实现加减 计数。既节省了硬件资源，又能得到较高的计数频率。 1 3 1 单片机内部定时器计数器t 2 的可逆计数功能设置 9 1 m c s 一5 1 系列单片机内有两个1 6 位的定时器( 定时器0 和定时器1 ) ，m c s 一5 2 子系列 单片机还有一个定时器( 定时器2 ) ，这三个定时器都可以作为计数器使用，但单片机内 部的计数器都是加l 计数器，所以不能直接应用，必须经过适当的软件编程来实现其“减” 计数功能。本系统通过对m c s - 5 2 子系列单片机8 0 c 3 2 内部定时器2 进行软件编程，实 现可逆计数功能。下面对8 0 c 3 2 的内部定时器2 的功能进行简要介绍。 表1 - 1 定时器2 工作方式 t a b l e 1 1t h ew o r k i n go ft i m e r2 定时器2 是一个1 6 位定时计数器，它的工作方式与控制分别由单片机内的特殊功 能寄存器t 2 m o d 和t 2 c o n 来完成，t 2 c o n 及t 2 m o d 的各位及功能描述可见表1 2 和农l 一3 。通过设置特殊功能寄存器t 2 c o n 中的c t 2 位可将其作为定时器或计数器。 定时器2 有三种操作模式：捕获、自动重新装载( 递增或递减计数) 和波特率发生器， 这三种模式由t 2 c o n 中的位进行选择( 见表1 1 ) 。 表卜2 特殊功能寄存器t 2 c o n 的描述 t a b l 2s p e c i a lr e g i s t e t st 2 c o nd e s c r i p t i o n t 2 c o n 地址= 0 c 8 h 复位值= 0 0 h 可位寻址 ( 最高位)( 最低位) 7654321o 大庆石油学院硕士研究生学位论文 符号 t f 2 e x f 2 r c l k t c l k e x e n 2 t r 2 位置 t 2 c o n 7 1 2 c o n 6 t 2 c o n 5 t 2 c o n 4 t 2 c o n 3 1 2 c o n 2 c t 2 t z c o n 1 c p r l 2 t 2 c o n 0 名称和意义 定时器2 溢出标志 定时器2 外部标志。 接收时钟标志。 发送时钟标志。 定时器2 外部使能标志。 定时器2 启动停止控制位置，为1 时启动定时 器。 定时器计数器选择。( 定时器2 ) o = 内部定时器( o s c 1 2 ) 1 = 外部事件计数器( 下降沿触发) 捕获，重装标志。 表1 3 特殊功能寄存器t 2 m o d 描述 垡! ：! ! ! ! ! ! ! 堡! 竺! ：! ! ：竺旦旦! ! ：! ：! ! ! ! t 2 m o d 地址= 0 c 9 h复位值= x x x xx x 0 0 b 符号功能 不执行，保留将来之用。 t 2 0 e定时器2 输出使能位 d c e n向下计数使能位，定时器2 可配置成向上向下计数器。 本系统设计将定时器2 设置成1 6 位自动重装模式( 向上向下计数器) ，1 6 位自动 重装模式中，定时器2 可通过c t 2 配置为计数器，编程控制向上向下计数。计数方向 是由d c e n ( 向下计数功能使能位) 确定的，d c e n 位于t 2 m o d 寄存器中，当d c e n = 0 时， t 2 默认为向上计数；当d c e n = i 时，t 2 可通过t 2 e x 确定向上或向下计数。 1 3 2 深度信息采集处理硬件设计 在前面对深度测量方法、光电编码器的应用原理和单片机内部定时器的功能进行了 介缁的基础上，下面给出了深度信息采集处理的硬件电路的具体设计方案。智能深度监 测系统深度脉冲处理的电路设计如图卜4 所示。由图可以看出硬件的具体实现也很简单， 所用器件仅有一片c d 4 0 5 0 驱动芯片和一个双d 触发器c d 4 0 1 3 ，用来对深度信号进行驱 动和辨相，占用单片机的资源仅为一个i o 口( p 1 口) 和一个内部定时器( 1 2 ) 。 第l 章深度监测的基本原理及深度信息的采集 图1 4 深度信息采集处理电路 f i 9 1 4e l e c t r i cc i r c u i to fd e p t hs i g n a lc o l l e c t i o na n dd i s p o s a l 测试器下放深度经由光电编码器转换为相位相差9 0 。的a 、b 两组脉冲信号( 如图 卜5 ) ，a 相脉冲经c d 4 0 5 0 驱动整形后输入到双d 触发器c d 4 0 1 3 的c l k 端作为时钟触发 信号，b 相脉冲经c d 4 0 5 0 驱动整形后，一路作为c d 4 0 1 3 的d 触发信号，另一路则直接 与8 0 c 3 2 的p 1 0 端相连作为t 2 计数器的计数脉冲。 为了对井下测试器的运动方向进行辨别，可将8 0 c 3 2 单片机的t 2 计数器设置成自动 重装工作模式，并通过“置位”t 2 m o d 控制寄存器中的d c e n 控制位( 即递减计数使能位) ， 使t 2 计数器实现递增或递减计数，其计数方向由t 2 e x ( p i 1 ) 端来控制。当下放测试 器时，a 相脉冲超前b 相脉冲9 0 ，此序列信号经c d 4 0 1 3 变换后，将使t 2 e x = i ，从而 控制t 2 计数器进行加计数。使深度值增加；当上提测试器时，a 相脉冲滞后b 相脉冲 9 0 。，此序列信号经c d 4 0 1 3 变换后，将使t 2 e x o ，从而控制t 2 计数器进行减计数，使 深度数值减小。 a 厂 厂 b 广 厂 厂 ( a ) 正转 a 厂 厂 广 b 厂 厂 ( b ) 反转 图卜5 光电编码器输出信号 f i g l - 5o u t p u ts i g n a lo f o p t o e l e c t r i ce n c o d e r 大庆右油学院硕士研究生学位论文 1 4 小结 本章首先介绍了试井深度的测量原理，并对所采用的深度传感器光电编码器的 工作原理进行了简要介绍。然后，介绍了深度信息的采集处理的具体方案，给出硬件电 路图并叙述了信号采集处理的过程，另外对单片机8 0 c 3 2 内部定时器计数器t 2 的功能 进行了介绍。 本文介绍的深度测量系统采用单片机内部定时器计数器t 2 对光电编码器的输出脉 冲进行可逆计数，该方法克服了纯硬件计数电路复杂的缺点，同时也避免了纯软件方法 占用资源多，且计数速度较慢的不利之处。仅占用一个i 0 口和一个内部计数器既可实 现可逆计数的功能。 第2 章深度测量仪硬件电路的具体实现 第2 章深度测量仪硬件电路的具体实现 在进行系统方案设计时，根据系统功能要求，首先要考虑的是硬件电路。个单片 机应用系统的硬件电路设计包含两部分内容：一是单片机系统扩展部分设计。当单片机 内部的功能单元如：r o m 、r a m 、i 0 接口、定时计数器、中断系统等容量不能满足单 片机应用系统的要求时，就必须在片外进行扩展，选择适当的集成电路芯片。设计相应 的控制系统电路。二是系统配置。按照系统功能要求配置相应的外围设备，如键盘、显 j 器、打印机、a d 、d a 转换器等，要设计合适的接口电路。 2 1 硬件系统设计原则 系统的扩展和模块的设计应遵循下列原则： 1 尽可能选择标准化、模块化的典型电路，提高设计的成功率和结构的灵活性。 2 系统的扩展与外围设备配置的水平应充分满足应用系统的功能要求。 3 硬件结构应结合应用软件方案一并考虑。硬件结构与软件方案会产生相互影响，考 虑的原则是：软件能实现的功能尽可能由软件来实现，以简化硬件结构。但必须注 意，由软件实现的硬件功能，其响应时问要比直接用硬件响应来的长，而且占用c p u 时间。所以，选择软件方案时，要考虑到这些因素。 4 整个系统中相关的器件要尽可能做到性能匹配，例如选择c m o s 芯片单片机构成低 功耗系统时，系统中的所有芯片都应该选择低功耗的产品。 5 可靠性及抗干扰性设计是硬件系统设计不可缺少的部分，它包括芯片、器件选择等。 6 单片机外接电路较多时，必须考虑其驱动能力。驱动能力不足时，系统工作不可靠， 解决的办法是增加驱动能力，增设线驱动器或减少芯片功耗，降低总线负载。 7 系统的扩展及各功能模块的设计在满足系统功能要求的基础上，应适当留有余地， 以备将来修改、扩展之需。 8 在对硬件总体结构考虑时，同时要注意通用性的问题。 2 2 硬件系统设计方案 为了提高试井深度监测精度，使试井资料解释更准确，实现智能化，本系统采用功 能强、性能完善且价格便宣的单片机系统，从而能自动监测试井深度，使油井参数测试 器准确下到预定位置。本文设计的智能深度监测系统原理框图如图2 - 1 所示。由图中可 以看出，该系统以8 0 c 3 2 单片机为核心，外部分别扩展l 片程序存储器2 7 c 1 2 8 和l 片 数据存储器6 2 6 4 。程序存储器用于存放系统程序，数据存储器用于实时存放深度测量数 据。为了实时监测，本系统选用d s l 2 1 6 时钟芯片，d s l 2 1 6 为内部嵌有锂电池的日历时 钟芯片，为监测系统在深度测量过程中准确记录各种必要的时闯信息。键盘和显示以及 电源等设计均选用性能稳定，价格便宜，市场常见的芯片和器件。考虑到野外现场的测 量环境，在设计过程中采用了低功耗、便携性设计，使晟终构成的测量系统体积小、重 量轻，有利于现场的方便测量。 大庆石油学院硕士研究生学位论文 ：。嘲一。葡予。 0 3 4 0 1 3 t 2 - _ 一 p 10 8 、 地址总线 麓斟鼍筘 q 仁，p 2 口 。申申唪 p 1 1 p l t 2 匕j 。叫 8 0 c ；2 外崮引肾h 2 4 l g 6 5 ) l ；7 p 1 4 p 0 口 p i 5 圈圆卤卤 串 翟t ，国t ， 珊 复位电 嗣7 7 5 0 c p ) l 尉i s e r p 1 7叫黝陛l l 电源 图2 - 1 深度测量仪系统原理框图 f i 9 2 - 1p r i n c i p l ed i a g r a mo f d e p t hm e a s u r e m e n ts y s t e m 2 3 各部分硬件电路的具体设计 2 3 18 0 c 3 2 单片机 t 2 p l0 t 2 e x ，p 1i p l ，2 p 1 3 p l ，4 p 1 5 p l6 p 1 7 月s r p3 o r x d p 3l ，r d p 3 2 | i n to p3 3 ，丁l p3 4 ，t o p3 5 ，丁j p3 6 矿r p 3 7 ，r d x t a l 2 x t a l l v ss 图2 - 28 0 c 3 2 管脚图 f i 9 2 28 0 c 3 2t u b ef e e td i a g r a mo f c h i p 矿c c p o1 ，ao po 1 ，a l p 0 2 a2 p 0 3 a3 p 04 i a 4 p 05 a5 p 06 a 6 p 07 a7 4 4 l pse n p 27 a l 5 p 2 6 al4 p 2 5 a l3 p 2 ，4 al2 p 2 3 a i l p 22 ，a 1 o p 2 l i a 9 p 2 0 a8 一1 3 一 第2 章深度测量仪硬件电路的具体实现 目前市场上单片机种类和型号很多，主要有4 位、8 位、1 6 位以及3 2 位，内含r o m 和r a m 各小相刚。有i 0 功能强的，输入输出点数多的；有扩展方便的，有不能扩展 的，合理的选择单片机型号是非常必要的。 选择单片机的类型主要应考虑被控对象所要求的控制精度，响应速度以及开发环境 等因素，但在很大程度上，我们选择单片机的种类和型号基本上取决于我们现有的开发 系统条件。为了满足油井参数测试器下放深度单片机监测系统对各项参数指标进行微机 控制的需要，本设计选择常用的m c s 一5 2 子系列中的8 0 c 3 2 单片机能充分满足系统要求， 投资少又不浪费资源。 8 0 c 3 2 单片机是i n t e l 公司m c s 一5 2 子系列单片机中基本的产品，它采用i n t e l 公司 可靠的c h m 0 s 工艺技术制造的高性能8 位单片机，属于标准的m c s 一5 l 的h c m o s 产品。 它结合了h m o s 的高速和高密度技术及c h m o s 的低功耗特征，标准的m c s 一5 1 单片机体系 结构和指令系统。其管脚图如图2 2 所裂”j 。 8 0 c 3 2 内冒8 位中央处理单元、2 5 6 字节内部数据存储器r a m 、3 2 个双向输入输出 ( i o ) 口、3 个1 6 位定时计数器和5 个两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内时 钟振荡电路。此外，8 0 c 3 2 还可工作于低功耗模式，可通过两种软件选择空闲和掉电模 式。在空阕模式下冻结c p u 而r a 硒定时器、串行口和中断系统维持箕功能。掉电模式下， 保存r a m 数据，时钟振荡停止，同时停止芯片内其它功能。8 0 c 3 2 有p d i p ( 4 0 p i n ) 和p l c c ( 4 4 p i n ) 两种封装形式。在扩展存储器时，8 0 c 3 2 单片机就要合理分配地址空间，以避免 地址和数据的冲突。 此外，8 0 c 3 2 内部没有r o m ，所以需要外扩r o m ，e a ( 3 1 脚) 始终接低电平，c p u 仅访问片外程序存储器( 2 7 c 1 2 8 ) 。在外部存储器取指令期间，p o 口和p 2 口的1 6 根 i o 线输出地址码，其中p o 口的p o o p o 7 可分时用作低8 位地址线和8 位数据 线，低8 位地址线由a l e 选通进入地址锁存器7 4 h c 3 7 3 ，然后变成浮置状态等待从程 序存储器2 7 c 1 2 8 中读出指令码，而p 2 口输出的程序计数器中的高8 位地址保持不变。 最后用p s e n 作为选通2 7 c 1 2 8 的信号，将指令码读入8 0 c 3 2 单片机。本系统8 0 c 3 2 总线分布可参见图2 一l 。8 0 c 3 2 单片机的p 2 口的p 2 o p 2 4 与2 7 c 1 2 8 、r a m 6 2 6 4 的高5 位地址a 8 a 1 2 相连接，p 2 5 p 2 7 与7 4 h c l 3 9 ( 译码器) 的a 、b 、c 相连接( 如图2 3 ) ， 它将低位地址线作为芯片的片内地址，用译码器对高位地址线进行译码，译出的信号作 为外冈芯片6 2 6 4 、c s 8 2 7 9 和l c d 的片选线。 p 3 口( 1 0 脚1 7 脚) 为双功能口，可以作为一般的准双向i 0 口，也可以将每一 位用于第二功能。其中，r x d 、t x d 分别为串行口的输入、输出端，分别与串行口芯片 i c l 2 3 2 的相应管脚相连，完成本系统与p c 机之间的通讯。i n t o 、i n t l 分别为外部中 断0 和1 请求输入端，均为低电平有效。t o 、t l 为定时器计数器0 计数、l 计数输入 端。w r 用于系统中6 2 6 4 、键盘板、l e d 等电