用SoC的DMA方式记录井下钻具的振动

1、用SoC的DMA方式记录井下钻具的振动引言从上个世纪九十年代起， 电子技术在钻井井下得到应用。 但 井下钻具的振动会给很多传感器带来不利影响， 特别是对测量井 下钻头姿态的惯性导航传感器影响巨大， 在随钻振动环境中， 如 果对信号不作处理，根本就不能测量出正确的井斜角和方位角， 也就无法实现井眼轨迹随钻控制的要求。 本文介绍应用SoC芯片 中的DMA技术对振动的高速采集和存储功能的实现方法， 并给出 了钻井环境中测试的结果。方法的提出传统的数据采集方法采用 CPU直接控制的方式进行数据采 集，数据传送需要经过 CPU的中转才能存入存储器，传送速度慢 且采集速率受到CPU的限制，极大影响了系统的

2、采样频率， 不能 满足对振动信号高速采集的要求。 而在DMA专送方式下，数据传 送不经过CPU由DMA空制器来实现内存和外设之间数据的直接 快速传送。在XTCS的测控系统中，CPU采用的soc芯片中集成 有DMA将其与其它器件协同工作就可以实现采集与存储的同时 进行，达到高速采集信号的目的，得到高保真的井下振动信号。系统介绍该采集系统以 C8051F060 SoC为核心，C8051F060内部集成 有ADC和DMA另外，以大容量存储芯片 K9F2808作为数据存储 器。该系统应用于井下相关信号的检测装置。 由于通过压力与振 动传感器所采集的压力和振动信号比较微弱， 故还需放大电路对 信号进行调

3、理放大。 传感器的输出均为模拟信号， 采集数据时会 受到噪声的干扰， 为了消除噪声并提高电路的共模抑制比和输入 阻抗，该采集放大电路使用了前置输入缓冲器三运放结构。 由于 SoC内的ADCO只能采集正信号，因而在经过调理放大电路后设 有偏置电路，将-5V+5V的电压转换为0V+2.5V,以利于信号 的采集。CPU空制多路选择开关进行信号的采集，然后通过ADC转换，在DMA勺传送方式下，采集的数据直接写入存储器K9F2808中，在DMA存储数据的同时，ADC也一直进行采集。经软件测试，即 采用SoC内集成的定时器2记录采集一页512个字节所需时间是 1.277ms，而向片外存储器 K9F2808

4、写一页数据需要 0.722ms。 ADC采集一页的时间小于 DMA向片外写一页数据的时间，因而可 实现数据采集与存储的同时进行，而不会出现数据覆盖丢失现 象，实现快速准确的数据采集。硬件部分C8051F060单片机与51系列单片机内核兼容，其内部集成 有两个16位SAR逐次比较）ADC和一个DMA功能模块。片内有 4352个字节的数据存储器、64KB闪存和64KB的数据存储器接口， 可以进行系统编程。两个 SAR ADC勺精度为16位，可作为两个 单端或一个差分转换器。若采用 DMA直接将数据存储到RAM中, 就不再需要额外的软件开销。K9F2808uoc存储器是NAND吉构的超大容量数据存储

5、器件， 在MP3 u盘、数码相机和PDA中有广泛的应用。其电源电压为 1.7V-3.6V ，体积小，功耗低，按页进行读写，按块擦除，通过 I/O 口分时复用作为命令 / 地址/数据，端口支持实时双向输入输 出。将闪存的各控制端口与 SoC的P3 口连接。通用I/O 口与SoC 的P7 口连接，通过控制 SoC口线的输出，可实现对 FLASH存储 器的读、写、擦除操作。A/D 转换与数据存储C8051F060的ADC子系统中集成了跟踪保持电路、可编程窗口检测器和DMA接口。这两个ADC可以被配置为两个独立的单端 方式ADC或组成一个差分对。数据转换方式、窗口检测器和 DMA 接口都可用软件特殊功

6、能寄存器来控制。 ADC控制寄存器ADCnCN 中的ADnENm被置为逻辑1时ADCn被使能。该系统选用的 ADC0 有4种转换启动方式，由 ADCOC中的ADC0启动转换方式位 (ADOCM,1 ADOCM0)状态决定。该测控系统软件采用定时器 3溢 出进行定时的连续转换采集。 将ADC初始化后，定时器3溢出一 次ADC就自动采集一次。当采集完一页的数据后， 在DMA专送方 式下，采集的数据直接存储到片外的闪存存储器K9F2808中，并对该芯片进行读、写及擦除。软件设计在该测控系统中，采用 VB语言编写上位机程序，采用 C51语言编写下位机程序。通过上位机来控制下位机执行相应的任务。由于该系

7、统的 SoC集成有UART可以通过PC机的RS232串 口实现通信， 下位机每次接收到任务命令后， 下位机程序跳入到 相应的串行中断程序中执行任务。下位机主程序包括连续启动 DMA程序、调用片外存储器 K9F2808UO啲写程序，将用DMA方 式采集的512字节送到K9F2808中，实现采集与存储同步进行。 子程序主要包括：晶振初始化，端口初始化、串口初始化、 ADC 初始化，DMA初始化、定时器3初始化、片外存储器 K9F2808UOC 的擦除程序、延迟程序等。这里，晶振初始化主要完成对外部振荡器使用的配置； 端口 初始化完成对端口 p0-p7 的初始化配置； 串口初始化完成对定时 计数器T0和T1的配置及对波特率的设定；ADC0初始化对ADC0进行配置；DMA0初始化主要完成对 DMA0勺配置，设置外部数据 存储器开始值，ADC(开启模式等；定时器3初始化主要完成对 重装载值的设定，激发 ADcO进行采集；片外存储器 K9F2808的 擦除程序完成对K9F2808内数据的擦除。性能测试与室内实验硬软件调试结束后， 我们把测试电路和传感器送到石油仪器 仪表质量检验中心的标准振动台上，在 (