钻井工程参数测量系统的设计毕业论文.doc

本科生毕业设计（论文）钻井工程参数测量系统的设计毕业论文目录第1章 绪论11.1 钻井工程技术发展的背景11.2 国内外钻井技术的发展概况11.3 自动控制技术在钻井中的应用21.4 本文研究的内容2第2章 方案论证42.1 方案论证42.2 测量井深原理42.3 测量钻压原理52.4 测量扭矩的原理62.5 现有钻压扭矩测量技术比较72.6 整体框图82.7 CPU的选型8第3章 硬件系统设计93.1 主机及其最小系统的设计93.1.1单片机最小系统113.2 数据存储芯片选择133.3 键盘输入接口设计153.5 打印机的设计163.5 显示器的设计173.6 测井仪与通信接口电路设计183.7 测量CPU系统设计193.8 大钩悬重传感器193.9 A/D转换203.10 绞盘编码器213.12 钻压扭距传感器233.13 PWM控制24第4章 软件设计264.1 测量CPU264.2 事物处理CPU264.3 测量CPU说明及主流程274.3.1A/D转换说明及流程图284.4 事务处理CPU说明及主流程图294.4.1 DS12887说明及流程图304.4.2 LCD240128A说明及流程图304.4.3 键盘设计流程图324.4.4下位机通信流程图334.4.5 W29C040存储器说明及流程图344.4.6 TPP40打印机说明及流程图35第5章 总结37参考文献38致谢39附录40附录57附录5972第1章 绪论1.1钻井工程技术发展的背景在经济全球化的大背景下，结合当前国际石油背景，全球油价的居高不下，引起世界各国对石油勘探开发热潮，对钻井的要求越来越高，钻井的工作量也越来越大。这也为我国高端的钻井技术的发展提供了一个很好机遇，并产生了巨大的推动作用。从我国的情况来看，西部地区石油资源近70%埋藏在深部地层。东部地区浅层和中深层的勘探程度较高，深部地层尚有50多亿吨的石油储量可供勘探。中部地区是天然气富集区，有超过一半的天然气资源量在深部地层，所以未来我国的勘探开发潜力主要在深层，必须靠深井和超深井进行勘探开发。而且深井、超深井钻井技术是一个国家钻井技术水平的重要标志之一。目前我国的钻井技术还不是特别的先进，有很多还没有克服的难题，比如钻井过程中的上喷下漏等出现的复杂情况。所以设计出一个实时性高，精确度高的测量井深、钻压等参数的系统是很有必要的。1.2国内外钻井技术的发展概况钻井技术从上世纪末至今已经历了经验钻井、科学化钻井、自动化智能钻井3个发展阶段。美国、西欧等西方等发达国家一直处于钻井技术的前沿，完成了大批超深井、高难度定向井、水平井、径向井、分枝井。与之相配套的各种工艺技术，如化学处理剂应用开发。冶金铸造技术、工具设计制造、精密仪器的研制加工等都有了长足的进步，从而有力推动了地球科学、石油工业及其他有关行业的发展。目前美国Intelliserv公司设计出了一个有缆钻杆，即所谓的智能钻杆。他的主要特点是数据传输高速、大容量、实时：真正的实现了双向通信；适用于包括欠平衡钻井、气体钻井在内的任何井况下的数据传输。长期以来，勘探钻井需要使用陆地钻机或海上钻井平台，还要使用钻杆、泥浆、套管和水泥，势必造成勘探钻井费用居高不下，勘探风险很大。要想从根本上降低勘探钻井费用和勘探风险，就必须摒弃现行的钻井方式，另辟蹊径，开发一种完全不同的钻井方式。挪威的獾式钻探器公司正在研制的獾式钻探器正是这种崭新的钻井方式。獾式钻探器是一种无钻机的井下自动钻探机，长约25米，设计钻深能力超过3000米。它的主要特点就是不用陆地钻机或海上钻井平台，可大幅度减少作业人员和后勤保障工作，还能避开海洋环境对钻井作业的干扰；显著降低勘探钻井费用和勘探风险；实现远程控制和自动化钻井等。目前我国研制出多参数随钻测井系统，该系统是集钻井、测井和油藏工程技术为一体，并且该系统可以同时测量仪器周围的侧向环形电阻率、方位电阻率以及方位自然伽马等地层地质参数，以及无线随钻测量系统测量的井斜、方位、工具面等井眼工程参数。1.3 自动控制技术在钻井中的应用近几年，国产电驱动钻机发展迅速，控制水平从早期的模拟控制上升到目前国际流行的典型三级控制，既上位监控级、PLC过程控制级、全数字级构成通信网络。我国石油钻机在标准化水平、技术制造水平及研究开发能力、产品质量和品种等方面有了较大的提高和发展，自动控制技术在钻机上的应用已达到20世纪90年代中期国际钻机先进水平，电传动系统达到美国20世纪90年代第四代产品水平。钻机自动控系统所用的元器件的关键件仍是采用优良的原装进口件，大部分元器件采用了合资企业生产的产品，控制系统性能参数基本稳定可靠。自动控制技术在机械驱动清醒钻机主机上的使用，成熟技术主要有电子控制汽油喷射装置、电子控制自动变速器、大钩限重级天车防碰自动控制系统、电子司钻、电视监控系统。电子控制汽油喷射装置不仅能稳定、可靠，而且价格比同类普通产品要低，值得推广。电子控制自动变速器由机械系统、液压系统、气压系统、电气控制系统组成。大钩限重及天车防碰自动控制系统广泛用于各类钻机。在中、大型电驱动石油钻机上已有应用，但此系统在轻型电驱动钻机上还从没有配置过。电子司钻广泛应用于所有钻机，主要由高精度调节阀、电磁阀、高性能的计算机系统、高级的HMJ设备构成，它可以提供可靠高效的钻机控制。电子司钻在复杂的钻井过程和钻井条件下，可根据不同地质结构，在保证钻压恒定的情况下提供最大的钻井速率，比人工司钻可节约大约37%的钻井时间。电视监控系统不管是机械驱动钻机还是电驱动钻机，都可以配该系统。它采用新型先进的摄像机和监视器，并配有温度控制、压力控制、空气过滤器等设备，以满足恶劣环境使用和防爆要求。1.4本文研究的内容本文主要是研究勘探一个油井时所测量的诸多参数，如测量井深，测量钻压，测量扭矩等参数。在测量井深的时候需要准确地测量出钻杆的数量、大钩距离钻杆的距离、钻杆的单根长度，再根据公式：钻井深度=钻杆数量单根钻杆长度-大钩距地面高度 来测量出井深，具体的各个钻杆参数会在后面具体测量，测量钻压主要是应用应变片法来测量的钻头附近所受压力，扭矩的测量方法跟钻压的大致相同，也是利用应变片来测量的，后面会提到具体的测量公式。本文主要采用的是双CPU的方法测量各个参数的，具体要知道各个CPU的选型，每个CPU都是怎么去工作的，都有什么优点，而且测量还需要各个传感器来测量参数，有大钩悬重传感器，钻压扭距传感器，要确定每个传感器的选型，跟测量的大小范围、优点等。事务处理的CPU还要连接存储器，LCD显示器，键盘，实时时钟，打印机，所以要研究每一个芯片的选型跟作用和优缺点。第2章 方案论证2.1方案论证由于本文测量了一个小型的油井，但是也要有1000米左右的深度，不能只用一个钻头就能实现工作的，所以本设计选择了一些器件，有绞盘编码器，大钩悬重传感器等。为了准确测量井深和钻压扭矩，井深测量必须一直监视大钩悬重信号和绞盘的编码器信号。编码器信号是数字信号，可以采用中断方式接收，但悬重信号是模拟信号，必须由CPU一直采样测量并监视。在仪器运行过程中，还有一些信号需要CPU及时相应，如打印机送数据、LCD显示状态的查询、键盘的处理、管理计算机通信的响应等。显然，当CPU结构响应其他工作请求时，就有可能漏掉对悬重信号的监测。为此，本设计还采用了双CPU结构，一个CPU负责测量，一个CPU负责事物处理。在传感器选择方面，由于在钻井的过程中，由于要用到很多根钻杆，尤其是在提升钻杆的过程中，大钩要吊起地下所有钻杆的重量，因此悬重传感器的量程需要很大，但另外一方面当钻杆数量很少时，增加或减少一根钻杆可能会引起很小的变化，这就需要悬重传感器有很高的精度，统计钻杆数量关键是检测到当前是在增加或是在减少钻杆，而增加或减少钻杆又是由大钩的位置和悬重确定的，若大钩的载荷为零，说明钻杆被卡座卡住，要进行增加、减少钻杆的操作。若大钩载荷变为零时大钩的位置在井架的底部，表明要增加一根钻杆；因此大钩更多情况下是检测载荷是否为0，因此这就要求悬重传感器有足够的精度能检测到一根钻杆的变化。2.2测量井深原理由于井深大约有几千米深，不可能像机械加工那样用一根钻头完成钻井工作全过程。图2.1是钻井系统结构示意图。实际的钻井动力驱动机构有绞盘、大钩、多节钻杆和钻头组成。在向下钻探的过程中，当钻杆下降到卡座位置时，大钩与钻杆脱离，向上提升到一钻杆的高度，接入一根钻杆，再将大钩与钻杆重新连接，继续向下钻探一根钻杆的深度。如此反复，可完成几百、上千米的钻井任务。因此，钻井深度的测量公式为：钻井深度=钻杆数量单根钻杆长度-大钩距地面高度 (1-1)图2.1钻井系统结构示意图当需要向上提升钻头时，有大钩向上提升出一根完整的钻杆，然后由井架底部的卡座加紧地下的其他钻杆和钻头，这时候就可以将地面上的钻杆移去。地面上的钻杆移去后，大钩向下运动，与卡座夹住的钻杆连接，再松开卡座，于是又可向上提升钻头。重复这一过程就可以把地下很深的钻头提升到地面。从式(1.1)可以看出，测量井深的关键在于统计井下钻杆的数量。因为工作现场的特殊性，更换钻杆的数量不能由人工输入到计算机，只能由测量仪器自动判断。由于钻井过程复杂，在实际操作过程中会出现多次加钻杆、减钻杆的操作。因此准确判断增加、减少钻杆的操作是确保统计井下钻杆数量的关键。根据上面介绍，可以通过大钩的位置和载荷来判断是否在进行增加、减少钻杆的操作：若大钩的载荷为零，说明钻杆被卡座卡住，要进行增加、减少钻杆的操作。若大钩载荷变为零时大钩的位置在井架的底部，表明要增加一根钻杆；若大钩载荷变为零时大钩的位置在井架的上部，表明要移去一根钻杆。大钩与绞盘上的绞绳相连接，绞盘转动控制绞绳的收放，从而实现大钩的升降。在一台特定的井架中，绞盘的直径D，绞绳的直径、每层能缠绕的圈数是固定的。因此，通过测绞盘的转动圈数与转动位置，即可测量出大钩的实际高度。2.3测量钻压原理钻压测量，实际上就是对作用于钻头上方的集中力进行测量，常用应变测试法。测量钻压时，工作应变片贴在需要测量载荷的弹性元件上，温度补偿应变片贴在不产生应变的其他地方，用来进行温度影响的校正和偏移的校正，要求两类应变片有相同的环境温度和散热条件，温度补偿应变片贴在和需要测量载荷的弹性元件材料相一致的材料上测量，工作应变片应变=，温度补偿应变片应变占：=0。为了使偏心载荷引起的弯曲应变力更加平均地被消除，常常串联更多的应变片，在相对180的两个面上沿着弹性元件的轴线，分别贴了两片工作应变片Rl和R2，两片温度补偿应变片R3和R4在不产生应变的垂直于轴线的方向上。在Rl和R2中，由钻压应力产生的电阻变化大小相等、符号相同，而由弯曲应力产生的电阻变化大小相等、符号相反，这样，形成了全桥四应变片测量方法，使用的两个纵向应变片和两个横向应变片采用全桥接法，如图2.2所示。 图2.2 钻压测量原理示意图根据弹性元件界面所受的作用力等于元件的截面面积和应力乘积的关系，轴向力的计算公式为：（2-2）式中：P一弹性元件界面所受的作用力，N；一应力，Pa；A一弹性元件截面面积，；E一弹性模量，Pa。根据所测轴向力的大小，就可以得到钻压。2.4测量扭矩的原理为了排除弯曲应力的干扰，在测量扭矩时，采用全桥四应变片法，应变片R1，R3与轴线成45粘贴，应变片R2，R4与轴线成135粘贴。以Rl，R2为例，当弹性元件两端有拉压力作用时，沿轴线方向的应变为；垂直于轴线方向的应变为；在与轴线成45方向上的应变为 与轴线成135方向上的应变也为此值，既在与轴线成45和135方向上R1和R2内产生的应变大小相等、符号相同。当弹性元件承受弯曲时，轴的表面也受到拉压应变，在R1内和R2内产生的应变大小相等、符号相同，这种布片方案也可以排除弯曲应力的干扰。R3，R4的受力情况和R1，R2相似。再根据扭矩的计算公式就可以计算出扭矩了。2.3 扭矩测量原理2.5现有钻压扭矩测量技术比较目前有代表性的钻压扭矩测量技术仍是法国石油研究院与斯伦贝谢公司的两类专利技术，其他技术或多或少是基于这两个专利进行改进的，下面分析这些测量技术的优缺点。法国石油研究院和贝克休斯公司的专利就是基本的拉压、扭矩测量原理加上不同结构的井下仪器保护套、不同的测量电路与传感器连接方式。这两个专利共同的缺点是保护套与传感器部分的密封比较困难，特别是在井下钻铤的工作过程中，由于弯矩的作用常常会使泥浆侵入传感器部分而导致测量电路无法正常工作，为此贝克休斯公司在保护套与传感部分、转换电路的密封方面开展了大量的工作，一定程度地解决了该问题。斯伦贝谢和APS公司对该技术进行了进一步的改进，通过在钻铤径向钻一定直径、一定深度的孔，将应变片粘贴在钻孔内，然后用高压密封盖板将应变片密封在内部，应变片的电极引线通过钻孔之间的内部连接通道进行互连，最后与安装在钻铤中间的抗压筒内或者安装在钻铤壁槽内的测量电路相连。 二者的共同点是解决了保护套的密封问题，不同之处在于径向孔的布置方式、应变片引线的连接方式及其与二次转换电路的连接方式等方面&。这种技术的缺点也很明显：首先是内部引线孔加工比较困难，往往需要分别加工，然后再焊接到一起，或者采用特制工具进行加工；其次是由于径向孔的直径不能太大，给应变片的粘贴造成了很大困难；第三，这种传感器的测量特性也表现出一定的非线性，必须经过地面刻度与校验之后才能应用于实际的测量当中。本文测量钻压扭矩的方法就是采用了应变片粘贴的方法来测量的。2.6整体框图 绞盘打印机LCD显示器键盘接口串行通信接口事务处理CPU实时时钟信息交换接口大钩悬重传感器测量处理CPUPWM钻压扭矩传感器图2.4 系统的整体框图2.7 CPU的选型CPU有很多型号，例如AT89S51、AT89S52等，AT89S52单片机是一种低功耗、CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程FLASH存储器，使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上FLASH允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程FLASH，使用AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活。超有效的解决方案。所以两个CPU都选用AT89S52，现在两种单片如何实现通信，由于两个CPU都是地面且距离很近，所以就直接通过引脚RXD（P3.0，串行数据接收端）和引脚TXD（P3.1，串行数据发送端）实现两个CPU之间的通信。第3章 硬件系统设计硬件电路设计包括主机及其最小系统的设计，传感器的选型，显示器存储器的选型等。3.1 主机及其最小系统的设计在本设计中事物处理CPU和测量CPU都采用的是ATMEL公司生产的AT89S52单片机作为下位机节点的微处理器。AT89S52是一个8k字节可编程EEPROM的高性能微控制器。具有内存较大，功能强，抗干扰能力强、软硬件资源都比较丰富等特点，其外围接口电路简单，具有很高的性价比，成本低，其价格仅是DSP的五分之一，而且它经过多年的发展，技术也相当的成熟。它与工业标准MCS-51的指令和引脚兼容，因而是一种功能强大的微控制器，它对很多嵌入式控制应用提供了一个高度灵活有效的解决方案。AT89S52的引脚如图3-1所示：图3.1 AT89S52引脚图AT89S52具有以下标准功能：8K字节FLASH，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52可降至0HZ静态逻辑操作，支持2种软件可选择节点模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切停止工作，直到下一个中断或硬件复位为止。AT89S52性能简介：1) 主电源引脚VCC接电源端。GND是接地端。2) XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。3） RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间4）ALE/：当访问外部存储器时，ALE（地址锁存允许）的输出电平用于锁存地址的低位字节。在FLASH编程期间，引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在（SFR）8EH地址置0。此时，LE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行外部程序时，该设定禁止ALE位无效。5）：外部程序存储器的读选通信号。由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次 有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的信号将不出现。6）/VP：外部访问允许端。当保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000HFFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时， 将内部锁RESET；当端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚用于施加12V编程电源（VPP）。7）P0端口(P0.0P0.7)：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每个引脚吸收8个TTL门电流。当P0口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入端。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的低八位。8）P1端口(P1.0P1.7)：P1口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1口的缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P1口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P1口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。9）P2端口(P2.0P2.7)：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部电阻上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。事物处理CPU系统以AT89S52单片机为核心构成。详细说明如下各小节介绍。3.1.1单片机最小系统单片机最小系统包括两部分，复位系统和时钟系统。因为本设计两个CPU都是选用的AT89S52，所有两个CPU的最小系统是一样的。在该系统里，复位系统有外部硬件复位和内部看门狗复位两种，外部复位采用按键复位方式，具体电路说明如下：上电后，电源对对电容进行充电，此时电阻R1中有电流通过，通过电阻R1的钳位作用，使RST端一直维持高电平，即处于复位状态；当电容充满电后，由于供电电压是直流，所以电路中此时没有电流流过，处于断路状态，复位输入端RST为低电平，复位结束。当按键S0被按下时，电阻R1中有电流通过，电阻R1的钳位作用，使RST端一直维持在高电平，即处于复位状态；当按键S0被松开时，电阻R1中没有电流通过，处于断路状态，RST引脚的电平与地一致，3.2 复位系统时钟系统与单片机接线此时复位结束，这就构成了按键复位电路。由于单片机复位需要RST引脚上至少出现10ms的高电平，通过公式T=RC，计算出图中的R、C的值（复位时间为20ms）符合要求,取R=10K,C=47uf。内部看门狗复位是通过软件将看门狗启动起来，它有一定的复位时间，当单片机死机时，看门狗就会将单片机复位，从而解决这一问题；需要注意的是，当启动看门狗之后，需要定时喂狗，如果不喂狗，看门狗就会定时将单片机复位，使系统无法工作。系统的时钟有内部时钟和外部时钟两种方式，这里采用外部时钟，即由晶振来产生，采用的晶振频率为12MHZ由于MCS-51一般晶振的选择范围为1-24MHZ，但是单片机对时间的要求比较高，能够精确的定时一秒，所以也是为了方便计算选择12MHZ的晶振。如下是单片机的最小系统电路实时时钟。井深仪需要记录各类时间发生的时间，因此在仪器中需要有实时时钟芯片，设计中选择了DS12887。DS12887是DALLAS公司制造的并行接口实时时钟芯片，具有日历时钟、报警时钟、实时时钟功能，内部带有114字节不易失性静态RAM，目前在单片机系统中得到广泛的应用。图3.3 DS12887与单片机接线使用DS12887时需要注意以下几点：VCC正常情况下为5V，当VCC降至4.25V时，所有的输入被忽略，输出为高阻状态，VCC降至3V时，外部电源被关断，内部锂电池为实时时钟和RAM供电，在断电情况下，时钟继续运行，其中的数据可保存十年以上不会丢失。3.2 数据存储芯片选择钻井过程中要记录的数据有当前日期、时间、累计工作时间、累计空闲时间、当前井深等。考虑到有其他数据，如显示点阵数据、系统校正参数等，设计方案中选择Winbond公司的W29C040。W29C040是单5V供电、CMOS工艺、容量为512K8bit的EEPROM。数据可保存10年，是单片机系统中理想的数据保存芯片。W29C040采用DIP40封装。其引脚排列如图3.4所示。图3.4 W29C040电路图W29C040的读操作与普通RAM和ROM的操作方法相同。但芯片的擦除、编程、写保护等操作需要用特定的命令来实现。这些命令其实就是以特定的顺序，向W29C040特定的地址单元写特定的内容。W29C040常用的命令格式见表3.1。表3.1 W29C040常用命令表 命令第0次写（5555H）第1次写（2AAAH）第2次写(5555H)第3次写(5555H)第4次写 (2AAAH)第5次写(5555H)启动写保护AAH55HA0H关闭写保护AAH55H80HAAH55H20H整片擦除AAH55H80HAAH55H10H准备读芯片IDAAH55H80HAAH55H 60H 退出读芯片IDAAH55H F0H欲启动W29C040的写保护功能，需连续向W29C040写入3个命令字节，其中第1个字节为AAH（写入5555H单元）；第2个字节为55H（写入2AAAH单元）；第3个字节为A0H（写入5555H单元）。在写命令过程中，5555H、2AAAH单元并不存放写入的内容（AAH、55H）, W29C040能够自动把写入的数据解释为命令信息，不进行数据存储处理。在向W29C040写数据时，应注意以下事项：1）W29C040的写操作以页为基本单元，必须写入一整页的数据。若该页的某些单元未写入数据，数据固化时会将这些单元的内容自动填为0FFH。一页为256字节，由地址总线的A7A0寻址。2）写入数据时，应将一页的内容写完，芯片内部固化结束后再写其他页。因此，在写一页数据时，地址总线A18A8不能变化。3）一页数据的写入不分先后顺序，可以重复写入。4）当两次写数据的时间间隔超过200s，或从W29C040读取数据，都意味着数据写入结束。此时W29C040内部开始固化数据，不再接收写入的数据，若连续两次读出数据的D6位不同，则说明正在固化，若相同，则说明固化已结束。5）启动了写入保护的W29C040不能直接写数据。每次写页面数据时必须先启动写保护，然后紧接着写入数据。数据写入结束、芯片固化后，若还要写入数据，则必须再次启动写保护，然后紧接着写入数据。因此，启动写保护命令也是一个允许数据写入的命令。若关闭了写保护，则每次可直接写入数据。为了数据的安全，一般在使用W29C040时都应启动写保护。3.3 键盘输入接口设计本设计中的键盘采用的是独立式键盘，独立式键盘具有结构简单，使用灵活等特点。键盘是由若干个机械触点开关构成的，把它与单片机的I/O 口线连起 来，通过读I/O 口的电平状态，即可识别出相应的按键是否被按下，如果按键不被按下，其端口就为高电平；如果相应的按键被按下，则端口就变为低电平。在这种键盘的连接方法中，我们通常采用上拉电阻接法，即各按键开关一端接低电平，另一端接单片机I/O 口线并通过上拉电阻与VCC 相连。这是为了保证在按键断开时，各I/O 口线有确定的高电平，当然，如果端口内部已经有上拉电阻，则外电路的上拉电阻可以省去。通常用来做键盘的按键有触点式和非触点式两种，单片机中应用的一般是由机械触点构成的触点式微动开关。这种开关具有结构简单，使用可靠的优点，所有我们选用这种类型的开关。但当按下按键或释放按键的时候它有一个特点，就是会产生抖动，这种抖动对于人来说是感觉不到的，但对单片机来说，则是完全可以感应到的，因为计算机处理的速度是在微秒级的，而机械抖动的时间至少是毫秒级，对计算机而言，这是一个很长的时间。图3.5 键盘电路图3.5 打印机的设计打印机内部有CPU，端口有锁存功能。因此只需要按接口时序和数据格式要求，依次向打印机发送数据和打印命令即可。本设计中，打印机接口信号用CON3的DB25插座连接，单片机监视打印机的ACK、BUSY信号，其中的ACK连接到单片机的,根据实际要求既可用查询方式，也可用中断方式来实现单片机与打印机的联络。因此设计方案选用TPPB40型打印机。TPP系列打印机是智能点阵式针式串行击打式打印机，打印机内部有一个8031单片机对打印机进行控制。内有448个打印字符、40条ESC/P兼容的打印命令，可实现诸如字符图形的放大、打印格式的设置、打印方式的选择等多种功能，并提供了硬汉字库打印的相关命令，可在机内安装多达600个1616点阵的汉字，只要接收标准的内机交换码，即可打印出漂亮的汉字。必须把打印控制命令送给TPP40，TPP40才能打印。打印机命令由一个命令字节和若干个参数字节组成。TPPB40与计算机接口：可以用扁平电缆通过打印机背面的20芯插座与主计算机连接起来。20芯插座各插孔的排列和名称如图3.2所示。3.2 TPP40打印机插座孔排列 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20GNDGNDGNDGNDGNDGNDGNDGNDACKERRSTBDB0DB1DB2DB3DB4DB5DB6DB7BUSY图3.6是TPP40打印机与单片机89S52接口电路。按图中接法，错误命令信息ERR采用查询方式读取。忙信号BUSY用于请求中断，也可以采用查询方式。89S52执行输出指令时STB为低，把命令写入TPP40，执行输入指令把ERR读入累加器。图3.6 TPP40与AT89S52接口3.5 显示器的设计对液晶显示器控制包括显示控制、复位与亮度调节。电路中采用CON4实现信号连接。液晶显示器的接到单片机的地址线A0，这样奇数地址传递控制指令，偶数地址传递数据。液晶显示器的复位信号与DS12887共用，上电复位时间要比单片机的复位时间长。上电后单片机应过一段时间再对液晶显示器进行初始化。考虑现场显示的参数多，为便于用户操作，设计方案选用汉字提示，配备了LCD240128A液晶显示器。其液晶驱动控制器采用T6963A。LCD240128A具有尺寸小、功耗小、可靠性高、成本低等优点、可显示各种图形与文本信息，因此在电子仪器中得到广泛的应用。它热致液晶STN型图形点阵式显示模式，它由STN型液晶板、液晶显示控制器、液晶驱动器、背光板组成，整屏尺寸为114104mm，有240128点，可显示16点阵汉字158个，亦可显示各种图形。因此，在智能式电子仪器中，LCD240128A可用来作为显示器，以显示各种图形和文字信息。T6963A内部含有共128字节的字符发生器CGROM，可外接8k（最大为128k）字节的RAM作为外部的显示缓冲区及字符发生器CGRAM，并允许MPU访问显示缓冲区，甚至还可进行位操作。根据T6963A的特性设计出的LCD240128A模块与AT89S52单片机的接口电路如图3.7所示。图3.7 LCD240128模块与AT89S52单片机的接口电路在图3.7中，AT89S52单片机作为控制液晶模块MPU，扩展的16k字节EPROM27128用于存放16点阵汉字的字模数据。也可以看出液晶模块的控制指令端口为4001H，数据端口为4000H，可通过电位器R2来调整液晶的显示效果。2）控制命令T6963A的指令格式为：数据1+数据2+指令字节，有的指令只含有一个数据或根本就没有数据。LCD240128A模块选择的是单屏结构，每行最大为80个字节，总行数为16的显示模式。3.6 测井仪与通信接口电路设计由于管理计算机无特殊要求，测井仪与管理计算机的通信选用了RS232标准，本设计直接选用了MAX232接口芯片。MAX232是一种非常通用的芯片，该芯片是 MAXIM 公司生产的低功耗、单电源双 RS232 发送/ 接收器。适用于各种 EIA -232E 和 V. 28/ V. 24 的通信接口。MAX232 芯片内部有一个电源电压变换器, 可以把输入的 + 5V电源变换成 RS - 232C输出电平所需 10V 电压, 所以采用此芯片接口的串行通信系统只要单一的+5V 电源就可以。MAX232 外围需要4个电解电容 C5、C6、C7、C8, 是内部电源转换所需电容。其取值均为1F/25V1 宜选用钽电容并且应尽量靠近芯片。C9为0. 1F的去耦电容。MAX232的引脚T1IN、T2IN、R1OUT、R2OUT 为接TTL/ CMOS电平的引脚。引脚 T1OUT、T2OUT、R1IN、R2IN为接RS - 232C电平的引脚。因此TTL/ CMOS电平的T1IN、T2IN引脚应接AT89C52的串行发送引脚TXD; R1OUT、R2OUT应接 MCS - 51 的串行接收引脚RXD1与之对应的RS -232C电平的 T1OUT、T2OUT应接PC机的接收端RD ; R1IN、R2IN应PC 机的发送端 TD。图3.8 MAX232接口电路MAX232硬件接口电路如图3.8所示。选用其中一路发送/ 接收 1R1OUT 接MCS - 51的RXD, T1IN接MCS - 51的TXD1T1OUT接PC机的RD, R1IN接PC机的TD1因为MAX232具有驱动能力,所以不需要外加驱动电路。3.7 测量CPU系统设计测量CPU系统也是以AT89S52单片机构成的，前面已经介绍过，这里不再说明。3.8 大钩悬重传感器由于在钻井的过程中，由于要用到很多根钻杆，尤其是在提升钻杆的过程中，大钩要吊起地下所有钻杆的重量，因此悬重传感器的量程需要很大，但另外一方面当钻杆数量很少时，增加或减少一根钻杆可能会引起很小的变化，这就需要悬重传感器有很高的精度，而且由于前面介绍，统计钻杆数量关键是检测到当前是在增加或是在减少钻杆，而增加或减少钻杆又是由大钩的位置和悬重确定的，若大钩的载荷为零，说明钻杆被卡座卡住，要进行增加、减少钻杆的操作。若大钩载荷变为零时大钩的位置在井架的底部，表明要增加一根钻杆；若大钩载荷变为零时大钩的位置在井架的上部，表明要移去一根钻杆。因此大钩更多情况下是检测载荷是否为0，因此这就要求悬重传感器有足够的精度能检测到一根钻杆的变化。综合考虑上述要求，本设计选用了BHR-4系列油井专用负荷传感器，该传感器采用全封焊的结构，DIN电气接头联接形式，能有效地保证在抽油井测试系统中全天候工作，做到完全防水防潮，具有产品结构紧凑、优越的稳定性、可靠性等特点。该系列传感器采用空心圆柱体应变筒和剪切式结构作为弹性敏感元件，具有结构简单，应变测量可靠等特点，有一定的抗冲击振动稳定性，有优良的静态性能和良好的动态性能，广泛应用于石油钻井场合。由于传感器输出信号比较微弱，所以传感器的输出应接上放大电路。本设计所用到的放大器是高集成运放ICL7650，ICL7650高精度、低漂移运算放大器是美国公司投入市场的高性能第四代运算放大器：CMOS工艺，开关电容斩波方式使其前置放大的分辨率可以小于10V；能自动检测放大器的失调电压和共模引起的漂移，并自动动态校零；它的输入失调电压极低，在整个工作电压范围只有1V；失调电压温漂仅0.01V/C；共模抑制比达130DB，单位增益带宽达2MHz。其中ICL7650的1号和2号引脚分别接一电容到8号引脚上，目的是为了补偿自动调零。4号和5号引脚分别为差动信号的-、+输入端，10号引脚为输出端，本电路的连接是用差分比例放大器，放大倍数为100，输出接电容滤波电路，后经可调电阻分压，将合适的电压信号传输给A/D转换电路。悬重传感器信号放大电路如图3.9所示。图3.9 悬重传感器信号放大电路图3.9 A/D转换在综合井深测量系统中，深度系统是最重要的部分，离开了深度系统仪器大部分参数都将失去意义，而在深度系统中，大钩高度的测量是最基本、最关键的。大钩悬重信号是判断增加、减少钻杆的重要依据。当钻杆数量较少时，钻杆的总量相对大钩自身的重量而言较小，增加活减少钻杆时悬重信号的变化量小.又由于悬重信号是模拟量信号，要转换成数字量信号，使用了MAX191A/D转换器。1) MAX191的器件特性由于井深仪位于办公室，大钩在钻井现场，为使系统的可靠性好、抗干扰能力强，大钩悬重传感器送出的信号在现场经放大后再传输给井深测量系统。送到井深的悬重信号为0-5V，可直接接人A/D转换器信号输入端。根据钻井过程中悬重信号的测量要求，设计方案选择MAX-IMX191型A/D转换器。它是12位的A/D，同时具有并行和串行接口，7.5S数据获取时间，采用速度最高可达到100kHz。MAX191可以单5V供电，也可以5V双电源供电，可接收单极性或双极性信号。MAX191采用DIP24封装。 2）MAX191的内/外部时钟电路MAX191含有内部时钟电路，在CLK和DGND之间连接120PF的电容，可以产生1MHz的内部时钟，在MAX191的CLK/SCLK引脚上也可以连接100kHz1.6MHz的外部时钟源。 3）MAX191的内部参考及其内部参考的外部补偿电路MAX191在工作时，通过在VREF和AGND之间连接一个4.7F的电解电容，然后该电容再并联一个0.1F的无极电容，将在VREF端产生4.096V的参考电压，在实际工作时，为了根据需要而适当改变VREF端的输出参考电压，可以采用内部参考的外部补偿电路进行调节，通过调节补偿电路中电位器R2的数值，改变VREF端的输出电压，得到所测信号范围的满刻度读数，外部补偿电路。在这种方式下，4.7F的电容能够补偿参考输出放大器，以达到最大的转换速度和最小的转换噪声。图3.10 A/D电路图3.10绞盘编码器由于绞盘位置与大钩高度有关，为准确测量绞盘的位置，设计方案中采用编码器作为测量部件。编码器是一种测量圆周位置的通用部件，测量时将编码器的轴与绞盘的轴相连，绞盘每转动一周，编码器输出n个脉冲，相当于把圆周位置分成了N份。根据测量要求，可以选择适当n值规格的编码器，最多可达36000。根据钻井实际情况，绞盘尺寸D0 =1000mm，绞绳直径d=300mm。在钻井过程中绞盘缠绕绞绳不超过5层，即最外层的绕线周长为： C5（D0+4.5d）=3.14（1000+4.5300）=7379mm （3-1）根据实际精度要求，现选用n=100线的编码器，经过倍频后每周可得到200个脉冲，即400个脉冲上升、下降沿，通过作用的接口电路或处理软件，大钩的高度测量精度可达到： 737940020mm （3-2）可以满足实际测量的要求。编码器产生的信号有A、B两相脉冲信号和一组零位信号Z，信号间的时序关系如图3.10所示。当编码器轴正转时，A相信号比B相信号超前90；编码器轴反转时，A相信号比B相信号，该信号的频率是A（B）信号频率的2倍。图3.11 编码器信号时序图由于编码器在井架上，而井深仪位于办公室，二者的距离远，信号传输过程中干扰大。因此采用电流驱动方式，在仪器内还采用光隔对编码器信号进行隔离处理，电路如图3.11所示。图3.12 编码器接口示意图光耦选择了6N137光耦合器，它是一款用于单通道的高速光耦合器，其内部有一个850 nm波长AlGaAs LED和一个集成检测器组成，其检测器由一个光敏二极管、高增益线性运放及一个肖特基钳位的集电极开路的三极管组成。具有温度、电流和电压补偿功能，高的输入输出隔离，LSTTL/TTL兼容，高速(典型为10MBd)，5mA的极小输入电流。6N137光耦的特性：转换速率高达10MBit/s；摆率高达10kV/us；扇出系数为8；逻辑电平输出；集电极开路输出；工作参数：最大输入电流，低电平：250uA 最大输入电流，高电平：15mA 最大允许低电平电压(输出高)：0.8v 最大允许高电平电压：Vcc 最大电源电压、输出：5.5V 扇出(TTL负载)：典型应用：高速数字开关，马达控制系统和A/D转换等。3.12钻压扭距传感器扭距传感器选用的是KR803系列的传感器，它就是采用应变片电测技术，在弹性轴上组成应变桥，向应变桥提供电源即可测得该弹性轴受扭的电信号。将该应变信号放大后，经过压/频转换，编程与扭应变成正比的频率信号。此传感器输出的方波幅度可选5V/12V。开机5分钟即可进入工作状态，无需预热过程。检测精度高、稳定性好、抗干扰性强。不需要反复调零即可连续测量正反扭矩。体积小、重量轻、易于安装。扭矩精度：0.5 % F S、0.3 % F S、0.1 % F S。图3.12 表示钻压扭矩传感器1与上部连接钻铤2、抗压筒和测量电路5 等连接在一起时的整体结构示意图。 其中：传感器1用来粘贴测量钻压和扭矩的应变片，应变片引线通过导线孔引入安装在抗压筒5中的扭矩测量桥路、 单片机电路；引线孔通过高压密封盖板4进行密封。 图3.12中上下两幅剖面图分别表示井下工程参数测量单元的两个相互垂直的整体剖面图，图3.12中的另一个剖面图3 清楚地表明了抗压筒连接处的泥浆通道，图1中的4是引线孔密封盖板。图3.13 钻压扭矩传感器电路图正常钻井情况下，钻压扭矩测量值相对平稳，由单片机记录存储钻井过程中的钻压扭矩值，用于起钻回放后的钻井过程分析当钻压扭矩测量值异常时，通过井下水力脉冲发生器将实时测量值传送到地面监控系统，供钻井人员来决策参考。图3.14 传感器平面展示正常钻井情况下，钻压扭矩测量值相对平稳，由单片机记录存储钻井过程中的钻压扭矩值，用于起钻回放后的钻井过程分析当钻压扭矩测量值异常时，通过井下水力脉冲发生器将实时测量值传送到地面监控系统，供钻井人员来决策参考。3.13 PWM控制H形控制电路在控制方式上分双极式、单极式、和受限单极式三种，本设计采用了双极式可你的PWM控制电路。它是由四个大功率晶体管和四个续流二极管组成的，四个大功率管分为两组，V1和V4一组，V2和V3为另一组。在基极驱动信号Ub1=Ub4，Ub2=Ub3=Ub1的作用下，同一组中的两个晶体管同时导通或同时断开，两组晶体管之间交替地轮流导通和截止。由于允许电流反向，所以双极式工作时电枢电流始终是连续的。双极式可逆PWM控制电路的可逆性由正、负脉冲电压的宽窄而定。当正脉冲宽度大于周期的一半时，电枢两端的平均电压为正，电动机正转；当小于周期一半时，平均电压为负，电动机反转；当等于周期一半时，电动机停转。图3.15 PWM控制电路第4章 软件设计4.1 测量CPU 程序入口地址：0000H外部中断0入口：0003H定时器0中断入口：000BH外部中断1入口地址：0013H定时器中断入口地址：001BH串行口中断入口地址：0023H8255A口：（cs=P2.0=0，A1A0=P2.1P2.2=00）0000H5FFCHB口：（cs=P2.0=0，A1A0= P2.1P2.2=01）0001H5FFDHC口：（cs=P2.0=0，A1A0= P2.1P2.2=10）0002H5FFEH控制口：（cs=P2.0=0，A1A0= P2.1P2.2=11）0003H5FFFHW29C040地址：6000H-78FFHAD转换地址：78FFH-7FFFH4.2 事物处理CPU 程序入口地址：0000H外部中断0入口：0003H定时器0中断入口：000BH外部中断1入