11模板-技术研究报告

1、密级:辽河油田公司科技对外协作项目技术报告名称：测试仪器数据采集与远距离通讯方法研究与试验隶属项目名称：测试仪器模块化研究夕卜协单位名称:经理:外协单位主管领导：起 止 年限：2012年9月30日-2012年12月31日2012年12月填制密级：秘密科学技术报告测试仪器数据采集与远距离通讯方法研究与试验厦门大学2012年12月测试仪器数据采集与远距离通讯方法研究与试验委托单位:中国石油辽河油田公司钻采工艺研究院承担单位:厦门大学课题负责:冯勇建报告编写：冯勇建参加人:冯勇建 卓 勇土少杰廖泽龙黄志凌杨雅文吴俊超 鄢军刘岩雷毅王婷玉报告审核:审核日期：测试仪器模块化研究是工程技术支撑工程目标保障

2、关键技术研究与 应用的一个子课题，同时也是未来井下仪器开发的必然趋势，掌握了该课 题所研究的技术，就是掌握了仪器研发的主动权；随着越来越多的油田进 入开发后期，原油的开采难度也愈来愈大，油山开发需要准确地了解井下油 气状况，从而以最合理的方式开采石油。在油水井动态监测技术研究中， 油水井测试仪器是关键。本课题的研究成果不但具有重要的现实意义，也 具有广泛的应用前景。研究团队在仪器设计模块化的思想指导下，经过近一年的调研研究，研 制了一套能够进行数据采集并使用单芯电缆和总线完成数据传输的可靠电 路系统；本方案以pic系列单片机为核心，应用电子技术，使用各种集成 电路和分立元件来进行信号的采集、变

3、换，调制传输以及信号接收，并绘 制了相应的原理图、制作了 pcb电路板。关键词：模块化、pic单片机、电子技术原理图、电路板目录1 概述11.1问题的提出11.2国内外研究现状213设计单芯生产测井仪器的意义32. 项目计划完成情况43. 研究内容53.1整体方案设计53.1.1系统整体设计63.1.2通信方案设计73.2单芯测井通信模块研制83.2.1电路研制93.2.2软件设计143.3单芯测井温度压力模块研制173.3.1电路研制173.3.2软件设计223.4地面模块研制243.4.1解码电路研制243.4.2解码软件设计273.43地面控制软件设计284 室内试验304.1温度压力检

4、定试验304.1.1温度检定304.1.2压力检定314.2系统通信及测试315 结论331 概述随着辽河油ib进入开发后期，原油开采难度越来越大.准确的了解井下油气情况，选 择合理方式进行开采，以最大限度的开采石油显得愈发重要。生产测井技术是用于准确了 解井下油气状况的测井技术。生产测井屈于开发测井，贯穿于油111开发的全过程。生产 测井用于确定油井与注水井的生产动态，提供井筒的生产和注水过程中井内流体的特性 和状态的详细资料。这些资料是生产井和注水井确定各项措施的依据，也是研究油气水 运动规律，合理开发油气皿，提高采收率的有效合理依据。生产测井解决上述问题是通 过测定井筒内流体或井筒自身各

5、种物理参数如温度、压力等来完成的。生产测井仪器包括地而仪器和井下仪器两部分，两者之间用测井电缆传输测井信 息。井下传感器测得数据耍传到地面经过解释人员和地质人员的分析用于指导措施实 施。根据一次下井测得的参数数量可分为单测和组合测井。单测每次只能得到一种参数, 导致多个参数的测量效率低、吋间长，给经常工作带来较大困难，不利于取全资料，同 时由于井下是动态的，采用单测法，测量两种参数时井况可能已经发生了较大的变化， 因此多次单测所取得的不同参数资料相关性较差，难以反映井下真实情况。测井技术向 着数字化、组合化的方向发展，耍求测井信息传输系统能同时传送多种井卜仪器参数。1.1问题的提出仪器开发模块

6、化设计规划和实现，是指导钻采院未來生产测试仪器研究开发的技术 纲领与标准。目前，钻采院仪表所在仪器电子线路开发设计方面处于起步阶段，很多技 术人员长期从事生产测试，对仪器研发领域了解不足；仪器研发人员为刚毕业的齐专业 毕业生，研发经验不足，独立完成测试仪器模块化研究课题中的所有研究内容难度较大, 进展较慢。在测试仪器模块化研究中，数据的采集和信号的远距离传输是其中最关键， 难度最大的一项技术，对仪器的系统化集成起着至关重要的作用。所以需要通过外协的 方式提供技术支持，加快工作进度。用于生产测井的生产测井仪器包括地而仪器和井下仪器两部分，它们z间用测井电 缆传输测井信息。各种井下传感器所测得的数

7、据，经井下仪器适当处理后，必须传送到 地面，再经进一步处理和解释，才能得到测井解释人员的地质人员所需的各种参数和信 息。测井有单测和组合测井之分。国内目前大多是单测，即每次只能测量一个参数，工 作效率低，测量吋间长。单芯直读仪器能进行组合测井，每次能同吋测量多种参数，其 至一次下井能测量所有参数。而且可以根据的用户的要求，随意选择进行组合测井。大 大提高了工作效率，节省了工作时间。1.2国内外研究现状遥传宜读测井仪器根据测井屯缆中缆芯数量的多少、信号在电缆中传递的方式可 分为脉冲式多芯直读测井仪器、数字编码式多芯直读测井仪器以及高速直读测井。下面 对集屮传输方式作一简单介绍。1、脉冲式直读测井

8、仪；井下待测参数由传感器转化为微小的电信号，经过放大电 路的放大，变为较大的电信号，但仍然还是模拟量；模拟量变为数字量有两种方法，一 是把信号接入a/d转换芯片，将模拟屯压转换成数字编码信号由单片机进行处理；二是 信号接入压频转换器，将模拟电压转换成数字脉冲信号；脉冲直读测井仪将脉冲信号进 行调整驱动，仍然以脉冲的形式发送到电缆上，脉冲信号传送到地面后，由地面系统对 脉冲的频率进行计数，这样模拟信号就转变成了数字信号用以存储、传输和显示；这种 将信息以固定频率的脉冲信号在电缆上传送的方式称为脉冲直读测井。脉冲直读测井实 现简单方便，但信号线不能复用，一根缆芯传输一个信号，适合于信号较少的直读测

9、试, 如果需要同时测试多个井下信号就需要使用多芯电缆，增加了测试成木和仪器的复杂 性。2、数字编码式多芯直读测井仪；传感器输出的微弱电信号经过放大滤波等处理后, 由a/d转换芯片将模拟电压变为单片机可以存储的数字信号，然后单片机对得到的数字 信号进行编码、调制和驱动后，按照编制的通信协议进行发送；信号通过电缆传到地面 后，由地面系统对信号进行解调，对数据按照规定好的协议进行分析得到井下参数的有 用数据；数字编码式直读的实现相对脉冲式较为复杂，但使用比较灵活可以根据实际信 道情况，传输速率的要求选择不同的码型，可以编程实现合适的通信协议，对一根电缆 进行时分复用，可以传输多个参数的信号；这样使得

10、仪器的结构较为简单，提高了整体 的可靠性。常用的编码方式有ami码，曼彻斯特码等。经过调研发现，生产测井所使用的七 参数组合测井仪大都是数字编码式直读测井仪，码型选用曼彻斯特编码；这种采用曼彻 斯特编码的单芯传输组合测井仪器最先由原英国sondex公司(现被美国通用电气ge收 购)设计，后由于其使用方便、可靠性高等特点以及sondex公司巨大的市场影响力， 采用曼彻斯特码传输的编码方式逐渐成为了行业的标准。因此木方案使用曼彻斯特编码 的单芯传输方案来进行单芯传输的设计。3、高速传输直读测井仪；生产测井直读测试一般利用曼码传输方式实现单芯电缆 测井中地面和井下的数据传输，虽然具有较高的可靠性，但

11、是曼码传输的通信速率较低, 不能够满足人容量数据比如视频数据的传输耍求，因此需耍开发新的传输方式。正交载 波频分复用 ofdm (orthogonal frequency division multiplexing)调制解调技术克服了 曼码单芯测井的固有缺陷，提高了频带利用率，适合于高速数据传输；ofdm具有频谱 利用率高，抗多径干扰能力强、相对易于实现，适合测井电缆传输系统应用。ofdm是 一种多载波调制，又称为离散多音调制，是一种并行处理数据传输系统，采用频率上等 间隔的n个子载波构成，他们分别调制一路独立的数据，调制之后n个子载波的信号 和加，同时发送；其优点是把一个频率衰落的选择性衰落

12、的影响分散到多个符号上，有 效地使衰落或脉冲引起的突发错误随机化，这样就不会使儿个相邻符号遭到完全破坏， 而是许多符号轻微失真，从而可以用前向纠错技术使其恢复。在ofdm中各路字载波在一个码元时间内是正交的，所以在接收端很容易利用这个 正交性将各路子载波分离出来。由此可见，ofdm的子信道间不但没有保护频带，而口 各了信道的信号频谱还和互重叠，这使得ofdm的频谱利用率比一般的频分复用技术 有很大提咼。串行传输的符号系列也被分成长度为n的段，每段内的n个符号分别调制到n个 子载波上一起发送。也就是说ofdm把一组高速传输的串行数据流变成低速的并行数 据流，再将这些并行的数据调制到相互正交的子载

13、波上，实现并行数据传输。ofdm技 术具有频谱利用率高、抗多径干扰能力强的特点，是一种非常适合电缆传输系统的高速 数字通信技术。1.3设计单芯生产测井仪器的意义其重大意义有二：其一，目前，我国大多数油do已进入油do后期开发，对生产测井仪器的需求也越來 越大，市场规模也越来越大，国内及国外的石油仪器生产公司都来抢占这个市场。如果 我院能够研发一款单芯生产测井仪器，其产品质量都能达到市场标准，再配上仪表所自身的测试团队，将來必定能在这个市场上有所作为。其二，此次设计单芯生产测井仪器，既能提高仪表所的仪器开发实力，也能在仪表 所两条腿走路的战略上走出坚实的一步。通过测试仪器模块化一期，我所仪器研发

14、 团队已初具雏形及实力。经过二期的推动，团队人员兢兢业业，艰苦奋斗，研发团队已 具备相当的实力。当前，单芯生产测井仪器的主要任务业已完成。待以后深入完善，即 可投入生产测试。并且，目前，仪表所买仪器需要大笔的资金，如果单芯生产测井仪器 研发成功，则能为仪表所节省大量的资金。因此，研发单芯生产测井仪器具有极其重大 的意义。2. 项目计划完成情况项目组经过一年研究，完成了项目规定的全部研究内容，达到预期研究目标，见表1、表 2。表1项目内容及完成情况项冃规定内容完成情况(1) 高精度数据采集系统的研究；根据油测井仪器对井下数据采集的需耍，基于模块化 的设计理念，开展高精度数据采集电路设计、单片机程

15、序开 发以及配套的pc端程序开发等研究。(2) 测试仪器各测虽模块间通讯方法研究。根据汕iii直读测井仪器对井下数据采集和传输的需 要，基于模块化的设计理念，开展通信接口标准选择、数据 编码解码分析、通信协议设计以及通信电路设计和制作等研 究。(1) 高精度数据采集系统的研究； 完成电路设计 完成电路实验 完成仪器pcb板设计 完成焊制电路并测试 完成温漂校正(2) 测试仪器各测量模块通讯方法研 究。 井下仪器各测量参数模块z间传输 方案硏究； 测量参数模块z间传输电路设计； 地面解码电路设计 数据通信电路试验调试表2主要技术指标及完成情况计划研究内容实际完成情况(1) 温度测量范围：0125

16、°c,温度测量精度:±1°c；(2) 压力测量范围：040mpa,压力测量精度:0.2%fs；(3) 仪器外径:32mmo(1) 温度测量范围：0125°c,温度 测量精度：±i°c；(2) 压力测量范围：060mpa,压力 测量精度:02%fs；(3) 仪器外径:32mm。3. 研究内容3.1整体方案设计单芯生产测井仪器设计的总体思想是模块化思想。模块化的设计思想贯穿着仪器设 计的始终。仪器模块化的核心就在于用户可以进行定制测量，或者根据新的标准进行测量，或 者根拯当前需求进行变化调整系统(例如：增加仪器、测量通道)。尽管用户定义软

17、件 可用于独立的、特殊应用的硕件，英理想的搭配还是通用的模块化硕件，它能使测量软 件的灵活性和性能得到充分的发挥。模块化仪器支持硬件的扩展，提供定时和同步的能力，模块化降低了成本与外形尺 寸，提高了数据的吞吐量，工作的效率，并延长了仪器的使用吋间。模块化思想深入贯 彻在仪器的硕件设计当中。具休休现在：仪器的测试短节的接口相同，任一测试短节都 可与通信短节组合在一起完成该参数的测试，也可与其它短节组合在一起，共同完成参 数的测试。各短节相互独立，真止的组合式测井。模块化在软件中的实施更加缩短了仪器程序的开发时间。各功能模块的设计，也大 大方便了程序开发人员。而且使程序结构更加合理，仪器的工作时序

18、也更加合理。程序 看上去一目了然，也减少了出错的可能。而且软件的模块化与硕件的模块化密不可分， 缺一不可。3.1.1系统整体设计仪器的总体结构包括：计算机软件、地面预处理设备、井下通信单元、各测试短节。 如图lo计算机软件处理来自地面预处理设备的信号。其通过导入不同仪器的相关数据，对 信号进行校正、翻译、解释并显示岀来。供测试人员观察。其中地面预处理设备为信号接收、信号处理、电源供给、信号发送的设备。其接收 來自井下仪器的归编曼码并进行处理后发送给计算机处理软件，同时给井下仪器进行供 电。井下通信单元包扌亞 电源模块、归偏码调制解调模块、曼码编码发送模块。井下通 信单元负责与测试短节进行通信，

19、并将来依次将测试短节发送过来的数据接收、处理、 并附上短节号，经编码后发送至地面预处理设备。各测试短节包括：电源模块、归偏码调制解调模块、采样模块。测试短节接收來自 通信单元的命令，当命令与自身型号匹配时，将采集的数据编码然后发送至通信单元。计算机计算机总线地面预处理 设备电缆测试短节z测试短节4图1单芯牛产测试仪器结构设计图3.1.2通信方案设计通信贯穿着测试系统的整个过程。仪器系统各部分间通信因功能不同、距离不同、 可靠性要求不同而不同，功能要求越强，可靠性越高、距离越远，相应的通信协议越复 杂。其屮计算机与地而预处理设备间的通信采用的是串口通信，码形为单极性波形，也 称为不归零码（nrz

20、）。单极性波形是一种最简单的基带信号波形，它用零电平和止电 平分别对应二进制码“0”和“1”；它在一个码元时间内用脉冲的冇或无来表示“0”和 “1”。该波形的特点是电脉冲之间无间隔，极性单一。适合近距离传输。串口通信的波 特率为19200bps；通讯方式为双工方式。地而预处理设备与井下通信单元z间有通信采用的是归偏曼彻斯特码波形，单工方 式。曼彻斯特码是用在位元中央的电平跳变来表示“0”和“1”的，电平由高到低代表 “0”，电平曲低到高跳变代表“1”。由于其中每位都有电平变化，因此，当传输一连串 “0”或“ 1”时，不存在直流成分。同吋，曼彻斯特码还是自同步码，接信号屮带有充 分的同步信息，接

21、收端还可以利用所接收的跳变沿来恢复传输时钟。在20位曼彻斯特 码字中，前3位是同步位，紧跟着是4位地址位，然后是12位数据，最后一位为奇偶 校验位。根据位同步中部电平跳变方向，可分为数据同步和命令同步，从而得知所带的 16位数据是数据还是命令。通信短节与地面系统间数据传输速率为5.7292kbps.,如图2：数据同步p01000000 i i 1101010i i i i i i i i i i i i i i i i imsb5. 7292kb/slsb图2(a)曼彻斯特码波形 (b)归偏曼彻斯特码波形井下通信单元与测试短节之间采用归偏码调制波形。由于通信单元与测试短节之间 采用单芯仪器总线

22、，在单芯仪器总线上既要供电，乂要传输数据，为了实现上述功能， 在通信短节与测试短节之间采用归编码传输，半双工方式，采集数据类似于命令响应方 式。即是由通信短节向测试短节发送地址，当测试短节检测到后，判断地址正确与否， 如果正确，则返冋采样结果。通信以等时间隔向测试短节发送地址，各测试短节均设置 有固定的地址。具体方式是，通信单元采用串口发送数据，然后通过硬件屯路的方式， 将串口发送出來的数据变为归偏码，因为归编码适合于在总线上传输，且能省电，当到 达测试短节时，测试短节采用电路将归偏码转换成容易识别的信号，经过识别后与自身 地址进行对比。对比正确后，将所测试的采样数据译成归偏码发往仪器总线，到

23、达通信 后将该归偏码译成不归零码供串口接收。因此在仪器总线上通信的是归偏码。通信短节 的波特率为11.72kb/so调制前的不归零码与调制后的归偏码。如下图3：10 10 1110 1 0 1(a)(b)图3 (a)调制前的不归零码(b)调制后的归偏码3.2单芯测井通信模块研制通信短节是测试系统的核心部分，包括遥传单元与发射接收板，它主要完成两个功 能。一是通过与测试短节的通信，采集各测试短节的测试数据，二是将各采集的数据和 一些必要的信息进行编码，经电缆驱动后发送到地面系统。设计时，为降低成本，在可以用软件实现的地方尽量用软件实现，减少了硕件电路,降低了成本，同时也提高了仪器的可靠性。软件设

24、计吋，各功能实现模块化，方便调用。使程序结构简单、一目了然。通信短节结构如图4：图4通信短节结构原理图3. 2. 1电路研制通信短节的电路包扌亞 控制电路、电源电路、曼码驱动电路、调制解调电路。1）控制电路采用单片机來控制通信短节。单片机体积小、价格便宜特别适合于通信短节的设计。 本次通信短节的微控制器采用pic16f876ao pic16f876a有3个定吋器、12个中断源, 具有低功耗、高速cmos工艺。14.3k的程序存储空间，368字节的数据存储空间，256 字节的eeprom空间。pic 16f876a是一种高效的微控制器，为很多嵌入式控制领域提 供了和条灵活性高且廉价的方案。控制电

25、路如图5。控制电路的功能包括：（1）为通信短节提供时钟；（2）为调制解调电路提供时钟。（3）往测试短节发送地址，并接收通过解码电路解码后的数据。（4）将接收到的数据进行曼彻斯特编码，然后发岀去。viahhc 自 d<4u1b474hc04d74hc04d u1c6mcodetx rxr6 > r/-i_1819> rcotiosotickirb0.1ntrc1t1osicckrbif.c2 lc?1rb2> rc3 scksclrb3 pgmrc4sdisdarb4rc5sdorb5> rc6tk ckrb6pgc <rc7rxdtrb7pgd> os

26、c1clkiraaanoosc2.clkora1an1ka2 an- afllt- cra3/an3ra4 t0cki c1out <ra5 an4 ss c2outvssvssvddu4pic16f876a-e ssrb6rb720 11vcc丄，-l±c6c7 丁oufo.hilj图5控制电路图其中，品振为6mh乙高频品振能提高单片机的运行速度，并h能为定吋器提供较 为准确的定时。同时，晶振选择为6mhz也能为调制解调电路提供时钊j图中3个非门74hc04d是将模拟时钟数字化，以便为调制解调电路提供数字时钟。在生产测试仪器设计的标准屮，将曼彻斯特码的波特率规定为5.7292

27、kb/so则每 位数据的宽度为174.5us,半周期为87.25uso 一道数据包括20个位数据，那么每道数据 的耗吋为3.48ms。为了更多的采集数据，而冃考虑到采集参数较多的原因，测试仪器需 每4ms向地面发送一组数据。而且在这4ms的时间里，单片机必须完成命令地址的发 送，及接收两组来自测试短节的数据。还有数据的处理之类的工作。因此必须将与测试 短节的通信用硬件来实现，并且必须充分利用曼码发送的时间空隙。在曼码发送后接收 來自测试短节的数据。在电路的设计中，采用串口来发送地址，并用查询串口的方法来 检测并接收数据。事实证明，这是可以实现，并冃是唯一可行的方法。串口接收来自测 试短节的数据

28、，因为其有两个字节，每个字节包括1个起始位、8个数据位、1个停止 位。总共要接收20位的数据，包括其发送往测试短节的数据。算起来，这些数据的通 信必须在曼码传输中完成，因此，其波特率要比曼彻斯特码要高出许多。同时，又由于 归偏码传输时，其归偏宽度最好为数据位宽的1/8o而口归偏电平的宽度应为1025us 之间。加上6mhz品振本身的限制，选择波特率11.71 kb/s与测试短节之间通信。这样每一位的宽度为85.3us,归偏电平的宽度约为10.7uso满足传输的要求，同时也让单片 机有充分的时候来发送地址及接收数据。因此，电路上采用串n rc6來发送数据，rc7来接收数据。rc2则用來发送曼彻

29、斯特编码。2）电源电路测试仪器的电源来自地面。地面通过单芯电缆给仪器供电。电源电路提供两种电源 的供给，如下图6。一种是30v电，主要供给曼码驱动电路。另一种是5.0v电源，供 给单片机及需要5v供电的芯片。如图7。图6 30v电源供给电路fgnd3vin voutid|2vis liu8图7 5. 0v电源供给电路其中，电压经过电缆到达通信短节，二极管1n4944及电阻r16后，到达两个稳压 二极管1n5352。得到两个15v的电压，其浮地为15v,将浮地接入芯片lm2950的3 引脚，2引脚接地后，即可为电路提供5v的电压。电路中的电容起滤波的作用。r16 为电路提供足够的屯压及屯流，采用

30、人功率的屯阻避免烧坏。3）曼码驱动电路曼码驱动电路的作用是将从单片机发出的曼彻斯特码转换成适合远距离传输的波 形。曼码驱动电路包括两个主耍部分。第一部分将曼码传换为归偏曼码的波形，第二部 分将归偏曼码信号进行放大，使其可以远距离传输，如图8。54hc221firu2avcc人 clr cextrext cextbv2> a b2 qclrcextrext cext54hc221f1r+15卜6u38 .ads10s14图8+15vc90 06sufdmcodes6r-15vvi十vi-txtdt tte3ct "tt>t tv2e4vi-(a)归偏曼码调制电路原理图u53

31、47lh0002houtputd4 1n4744图8(b)信号功率放大电路原理图来口控制电路的曼彻斯特码送到双单稳边沿触发器54hc221 o该双单稳边沿触发器 一个设置成上升沿触发，一个设置成下降沿触发。这样曼码经过双单稳触发器后，在其 上升沿及卜降沿处分别产生单稳脉冲，这两路单稳脉冲经过比较器电路后，即得到归偏 曼码波形信号。电路中c3、r3与c8、r7所起作用一样，即设定归偏曼码的宽度。c1、 c2起信号耦合的作用，di、d2起嵌压作用，rl、r2、r4、r5及芯片ad8105起信号 放大作用。信号放大后，连接芯片lh0002,该芯片是功率放大器。归偏曼码经过功率 放大即可接入电缆进行传

32、输。其屮，ad810s、lh0002采用30v供电，即正向接+15v, 反向接15v.4) 调制解调电路调制解调电路用來与各测试短节进行通信。其主要作用是，将控制电路发出的信号 进行调制，然后发送至仪器总线，及接收来自仪器总线的信号，将其解调为串口可以识 别的信号让串口接收。如下图9：u10gnd«|''c>rst vdddk18cqi、cuc q2c1qv qs q6士q7qtq。5gnd>|q1o qll gnd q12upcd4040betx7412kgnd|”czmo24bsfr qq2g3g3q7ond(a)不归零码-归偏码调制电路原理图-1佑号

33、发送瑞d)di* in4m4ovtav*4kaoctbv-hnb293信号接收gxdgndi<vccb ac* 24» dq14isnz=c15r *vcc图9(b)归偏码-不归零码解调电路原理图控制电路的6mhz时钟信号经过计数器cd4040后成为741.2khz的方波信号，为 分频器cd4024提供时钟。cd4024的2引脚为低电平时，当时钟为卜降沿时计数，然 后输出不同倍数的宽脉冲。经计算,将4、5、6引脚输出的脉冲信号“相与”后,即可 得到相应宽度的归偏码，连接mos管irff430后，即可将信号传送至仪器总线，mos 管的作用是开关的作用，归偏码用来控制mos管的开关

34、。当测试短节发来信号时，信号经比较器lm393后，被完好的捉取岀来，接入触发 器54hc221,因为连接的c15及r13, 10.4us的归偏码变化成宽度为82us的信号，该 信号经过反向后，即可被串口识别，其波特率为11.71 kb/s。其中浮地接入r12与r14 之间，为lm393提供10v的比较电压，比较电压设置为10v能完好的信号外，还能滤 去杂波。5) 设计的pcb板和最终电路板在完成了电路原理图设计后，制作了 pcb板，并进行了元件的焊接，如下图10所示:图10单芯测井通信电路pcb板3. 2. 2软件设计通信短节软件的主要任务是控制数据的发送与采集，及仪器数据的处理与曼彻斯特 码

35、调制发送。在软件设计屮，尽量采用模块化、子程序化设计。如在仪器数据的曼码波形调制要 产生大量的“0”和“1”的曼码波形，因此，在程序设计中，就分别把产生“0”和“1” 波形的程序编成子程序。这样会使程序设计思想更加清晰，在程序调试时软件故障定位 更简单，同时使程序占用存储空间少。单片机对数据的曼彻斯特码调制是通过对rc2位置“1”及置“0”实现的。曲于 通信短节向地面系统发送数据与其向各测试短节接收数据是并行的，通信短节向地面发 送数据的同时还要不断查询接收标志以便接收数据。在设计时，将查询的时机放在发送 同步位及地址位z后的每一次数据的发送的最开始，若置位，则接收数据，若未置位， 表明数据尚

36、未接到，继续调制曼码的发送，在木数据位内不再查询标志位，等到发送f 一位数据位时再查询接收，这样既保证了曼码波形调制的时序，又保证了仪器数据的及 时读取，从而实现了发送数据与接收数据的并列进行。对于未连接的仪器，则将数据零 发送到地面。让地面易于识别及判断。通信短节总体程序流程图如图11。其中，上电初始化是指对串口、端口及一些子程序进行初始化。帧、道初始化是指 向测试短节发送的地址必须进行初始化，其中0xa1代表内温地址，0xa3代表外温地 址，0xa5代表压力地址，一帧数据即为内温、外温、压力各一道，一帧结束后，则从 内温开始重新发送，这样就保证了各参数的连续不断的发送。数据处理是指：向地面

37、发 送的曼码数据是上一组曼码发送过程中从测试短节接收的数据，即曼码调制时接收的数 据在下一次发送曼码的过程屮调制发送至地而，因此在数据处理的过程序屮，必须将两 字节数据调制成12位的数据然后发送。寻址即是向测试短节发送地址。图11程序总体流程图曼码发送为20位，前3位为同步头，其中低电平1.5位，高电平1.5位，为261uso 地址位4位，数据为12位，奇偶校验位1位。地址及数据采用高位在前，低位在后的 发送方式，地址为1、3、5,分别对应内温、外温、压力。数据位为两个字节后成后的 12位数据。曼码调制子程序流程图如图12。通信短节向测试短节发送数据为0xa1、0xa3、0xa5o而不是发送1

38、、3、5是为 了避免，使地址位与数据位区分开來，这样会使测试短节容易区分是地址还是数据。因 为，地址的最高位置1,而从测试短节发送回来的数据的最高两位都为0,则地址一直 大于0xa0,而数据永远小于()x80o同时设置为1、3、5为地址，而不是1、2、3是为 了以后测试短节的增加，及避免某一个短节连续被访问，而采样时间不够的现象。数据 格式如图13o发送同步头 前半位0 (261us)地址位计数n=4发送结束(a)st0/10/10/10/10/10/100p(b)图13 (a)地址格式(b)数据格式程序中，涉及到多个定时程序，为了准确定时，采用pic单片机自带的timer2 进行定时，tim

39、er2的定时计数来自6mhz时钟。每一次计数的时间为三分之二微秒。3.3单芯测井温度压力模块研制根据标准，测试短节最多可以接10个短节，每个短节对应一个参数，但为节省器 件、用屯。一般接3到4个即可。每个测试短节所采用的通信方式、接口粗细都一致， 不同的时其所采集的参数不同，传感器不同而已。在使用中，可以根据不同需求，增加 或者舍弃一些短节不下井，测试系统照样正常工作。口前，将测内温、外温、压力放在同一个测试短节中，出于两个原因：一是内温是 用來做温漂校正的，与测试主体压力，尽量不要分离；二是这样做也充分单片机的功能, 节省了材料。同吋还能保证效果没有任何区别。测试短节的主要任务是解码接收來口

40、通信短节的地址并进行地址判别，根据地址判 别，对应不同的参数，将已经采集到的该参数的数据进行归偏码调制并发送至通信短节。 其小，oxal代表内温，（）xa3代表外温，0xa5代表压力。3. 3. 1电路研制测试短节的电路模块包括：控制模块、电源模块、调制解调模块、内温模块、外温 模块、压力模块。1）控制模块采用单片机作为测试短节的控制核心，其优点，前面已有讲述。然而，测试短节的 单片机述将完成采样的功能，因此所选单片机与pic 16f876a应冇所不同，因为 pic16f876a的ad采集模块只能完成10位ad的采集。选用pic16f1783作为测试短 节的微控制器opic16f1783的ad

41、采集模块能采集12位的ad采集,精度是pic16f876a 的4倍。而在通信中,由曼码发往地面的测试数据也是12位的,因此,pic16f1783能 满足工作的需求。scl sda$¥4022pf6mhz i iriovcc1819> rcx>/t1oso<t1ckirbo/intrc1fosi/ccp2rbirc2/ccp1rb2> rc3/sck/sclrb3/p«4rc4/sdfsdarb4rc5 sdorb5> rc6wckrb6/pgc <rc7/rxqtrb7pgd> osc1/clkira0/an0osc2/clkora

42、1/an1ra2 an2/vref cvrefmclr/vtpra3/an3vref+ra4/t0ckfc1out <ra5 an4ss c2outvssvsst>du4晶1氏txpic16f1783-e/ssv2.5x20-3 poll louf图14控制模块电路原理图控制模块的主要功能分为以下儿个方面:（1）为系统捉供时钟；（2）解码经过解调后的來通信短节的地址数据，并进行判别;（3）采集内温、外温、压力的ad值；（4）将ad值进行编码调制，将其发送至通信短节。控制模块电路原理图如图14o采用6mhz晶振是为了史好的与通信短节进行匹配。rc3、rc4接口与内温模块相连，采用单片

43、机口带的i2c与测温芯片通信，采集内温数据。rb0用來接收经过解调后 的数据，对数据进行识别。rb1 口输出经过调制后的归偏码。rao、ra1为ad采集端 口，用单片机内部自带的ad采集模块进行ad采集。ra0采集压力数据，接压力模块,ra1采集外温模块，接外温模块。ra3 口输入参考电压，使ad采集的更加准确。2）电源模块测试短节的电源来自地面，电源经单芯电缆到达测试短节后，采用电感实现信号隔 离，即可从仪器总线上取电。电源模块提供3个电压。分别为15v、5v、2.5vo其中15v是从仪器总线上取得（如图15）,用于得出5v的电压给整个短节供电（如图16）,2.5v为基准电压（如图17）,提

44、供给单片机的ad采集模块作为标准电压。图15 15v电压源仪器总线经过二极管1n4944后经电阻r12,连接稳压二极管1n5352,即可提供约15v的电压。其屮电阻用来控制电压及电流。d1为防止电压反向。电容来用滤波。v15u33tn voutgnd«|gndgnd1cap poll 、 louflm2950图16 5v电压源15v电压连接lm2950的3引脚，即可得到约5v的电压从1引脚输出，该电压提 供给整个短节供电。图17 2. 5v标准电压源芯片adr441为单片机的ad采集捉供标准电压，如果单片机采用其内部的标准电压，由于其内部的电压并不十分准确，并且为会温度的变化而变化，

45、因此会影响其采样 精度oadr441是一款低漂移（b级最大值为3ppm/°c）,高初始精度（b级最大为0.04%）, 超低噪声的电压基准芯片，其提供2.5v的标准电压。能较大程序提高测试的精度，特 别是温度升高时，效果更加明显。3）调制解调模块调制解调模块的主耍任务是解调从通信短节发送过来的归偏码信号，将归偏码信号 转换为单片机容易识别的信号；以及将rb1 口输出的归偏码发送至通信短节。调制解 调模块如图180信号接收烤图18调制解调模块电路原理图发送口 tx连接单片机的rb1 口，归偏码经过mos管irff430后，由3引脚连接 r13,二极管1n4944即可接入仪器总线。mos管

46、起开关作用，信号的有无来控制mos 管的开关，从而产生信号。来自通信短节的信号经过仪器总线后到达lm193后，信号 被提取出來，然后经过54hc221的调制，10us左右的归偏码即可变为宽度约为82us宽 的信号，此时单片机的引脚完全可以采集到该信号。其中r14与r16间的15v是为了 提供一个10v的比较电压。54hc221是一个触发器，上升沿触发方式。4）内温模块内温模块测试仪器内部的温度，并将温度数据通过i2c协议传送给单片机。其中1 引脚为时钟引脚，由单片机提供时钟给adt7410, 2引脚用來与单片机进行通信，3引 脚代表地址位。r5、r6、r7、r8、r9为上位电阻，起上拉作用。a

47、dt7410为一款13 或16位用户可选温度数据转换器，测温精度在0.5°c以内，测温范围为40°c金150°c。 是一款高精度数字温度传感器，如图19满足内温测试的要求。10k芒10k $vcc：gndscl 1sda 23c9adt7410cap senno.liifsclgndsdaaoct <vddinta 1al786 r759内温测量u51“112 =noki vcc图19内温模块电路原理图5）外温模块外温模块测试井底的温度，采用pt1000钳电阻作为温度传感器，采集钳温电阻的电压，然后由单片机的ad釆集模块进行釆集。电路原理图如图20。图20外

48、温模块电路原理图ad8552是一款零漂移，单电源的轨对轨输入/输出运算放大器，此放大器具有超低失调、漂移和偏置电流特性。r2与r4构成的电路为3引脚捉供0.5v的稳定的电压, 经过ref输出至5引脚，因为5、6、7引脚构成另一个放大器，故而6引脚输出稳定 的0.5v屯压，因此7引脚则输出pt1000的一-端电压。测试该电压即口j代表该温度时的 电压，经ad转换后，即可用ad值代表温度值。6）压力模块压力模块测试井底的压力，压力传感器的信号经过仪表放大器ad620后，信号被 放大,至6引脚输出，单片机ra0 口采集。ad620是一款低成本、高精度仪表放大器，仅需要一个外接屯阻來设置增益，壇益范围

49、在1至10000。此外，ad620具有高精度、低失调电压和低失调漂移，是传感器接口等精密数据采集系统的理想之选。如图21。其中的参考电压来自ad8852的1引脚，为0.5v,是为了避免压力为0 时，测试数据出现负压。电容c3、c4起滤波作用。r1是起调节ad620的放大倍数的作用。图21压力模块电路原理图7）设计的pcb板和最终电路板在完成了电路原理图设计后，制作了 pcb板，并进行了元件的焊接，如下图22所图22讥芯测井温度压力测量电路板3. 3. 2软件设计测试短节的软件程序的主要任务是采集各测试参数，并与通信短节通信，将参数数 据进行处理、编码发送至通信短节。在设计中，采用模块化、子程序

50、化设计。测试短节的软件分为信号接收模块、归偏 码调制模块、内温采集模块、外温采集模块、压力采集模块。信号接收模块采用单片机自带的外部中断模块实现，即设置rbo 口为接收外部电 压的引脚，设置intdg为1,则电压由低到高时，产生中断，开始接收数据，通过单 片机内部的timer2來产生延时，逐位的接收來自通信短节的地址，从而进行判别及作 下一步处理。归偏码调制模块将单片机采集到了的数据，进行偏码后，发至通信短节。其中内温 采集的数据为16位，舍弃其最低的4位。将其余12位转化成两个字节，最高两位置0 然后发出，外温、压力采集数据，采用左对齐的方式进行采集。采集后，将其12位的 数据转换成两个字节

51、，最高两位置0后，发送至岀去。归偏码调制的过程屮，数据“0” 用高电平（12us） +低电平（73us）表示，数据“1”表低电平（85us）表示，将数据逐 一编码，并集成为子程序。内温采集模块为主耍是通过i2c协议与芯片adt7410进行通信。将采集的数据发 送给单片机，交给单片机进行处理。外温采集模块与压力采集模块原理一致，都是用单片机内部ad采集实现的，所不 同的是引脚不同而已。设置采集方式为右对齐，ra3为参考电压输入。使用ad转换器 自带的rc振荡器作为转换时钟。即可实现外温与压力的采集。测试短节总体设计流程图如图23o图23测试魚节软件总体流程图3. 4地面模块研制解码板的主要任务是

52、对仪器发送上地而的数据进行解码，并将解码的数据发送至 pc端。解码板在地面工作，对温度的要求较低，因此，用常温的器件即可。3.4.1解码电路研制解码板包括：控制模块、电源模块、解码模块、通信模块。1）控制模块控制模块将解码模块解码后的信号，翻译出來，然后发送至通信模块。如图24。控制模块耍功能为：（1）给解码板捉供时钟；（2）解出数据，并将数据发送至pc端；釆用6mhz晶振为系统提供时钟，也是为了匹配通信短节而设计的。采用rbo作 为接收引脚，单片机内部串口 usart模块将数据发送至pc端。r1mclrres2 10k> rc0 t1oso t1ckirb0intrc1/t1osvcc

53、p2rb1rc2/ccp1rb2> rc3 sck sclrb3/pgmrc4 sdi sdarb4rc5/sdorb5> rc6/tx/ckrb6pgc <rc7/rxqtrb7/pgd> osc1/clkira0/an0osc2-clkora1/an1ra?an2dkef-/cvrefmcuwppra3/an3/vref+ra4t0cklc1out <ra5/an4/c2outvssvssvddpic16f876a-vsp819_21 dmcode7_|vccgnd图24控制模块电路原理图2）电源模块电源模块包括5v、15v、30vo将从电缆上取得的30v电用

54、來给解码模块供电，15v用來给芯片lm2950供屯，让其转换出5v电压给其余模块供电。其中，电源模块与通信短节的电源模块并无二致，如图25,26。u2 3v15|gnd«|gndtn voutlm2950gnd图25 5v供电模块pwr图26 15v、30v电源模块3）解码模块解码模块首先从电缆取出信号，然后将归偏曼码信号转换为更易于读取的曼码信 号，发送给单片机的rbo引脚。信号经过c6与r8被取出来，输出比较器lm193的3、 6引脚，被分离成正负两个信号，经1、8两个引脚被送至非门74hc04,然后连接双d其中r2、r4有上拉的触发器的1、4引脚。即可从5引脚输出解码后的曼彻斯

55、特码。作用,如图27。gkd图27解码模块电路原理图4）通信模块由于采用的是单片机内部的usart模块，i大i此输出的信号为nrz码，经过max232后，即可被pc端轻易识别。max232为一个电压芯片，将ttl电平转换为rs232电平，连接至pc机后，pc端通过软件便可读取数据。通信模块电路原理图如图28。vcccmx1|cdc2"tufcmx3eufa()c)(ic 1lr.oxccomirx ikioc1+ cl-c2+c2-vddvcct1in t1outt2in t2outr1outr1inr2outr2ingndvee156max232acpe|cmx4丄t452 ?6rx 12_ 9 .斗 txo713 rxo:=luf图28通信模块电路原理图5) 设计的pcb板