ADuC848和Keil实现钻井压力数据采集仿真
应用aduc848新型微控制器和keil仿真下载软件，设计开发了钻井压力数据采集系统。本系统具有16位高精度a/d转换器，数据实时采集上传存储，最高作业温度为125℃，具有功耗低和集成度高等特点。使用isp在线编程时，要针对现场需要及时调整系统软件，灵活应用。
引 言
目前国内的随钻测量钻井压力工具大部分是引进国外设备，成本高、维修困难。已经使用的国内设备在体积、集成度和精度上有着明显的不足，并且老化程度高。基于此种情况，笔者开发了一个基于aduc848微控制器的、可扩展采集通道的钻井压力数据采集系统。aduc848芯片的52引脚mqfp封装仅为14 mm×14 mm，最高工作温度为125℃，正常工作最大电流为4.8 ma且节电模式最大电流为20μa。aduc848特别适用于开发在高温恶劣环境下长时问作业的小型数据采集系统。
1 系统硬件设计
本系统主要分为5个模块，且所有主要元器件均选用adi公司的模拟和数字军用标准产品，大大提高了系统的可靠性、耐高温性和抗震性。系统硬件设计总体框图如图l所示。
1.1 模拟信号输入调理模块
此模块主要实现对压力传感器输入信号的放大、滤波功能。前端信号放大部分应用高精度、零漂移的ad8230轨至轨仪表运算放大器，经过电阻测算标定为放大增益200倍。放大后的信号经由一个op07d运算放大器滤波输入至aduc8d8模拟通道进行采集。钻压输入信号一般为o～15mv，经过放大滤波后输出至a/d采集的信号为0～3 v。ad8230的工作温度范围为一40℃～125℃，最大漂移电压仪为loμv，最大温漂也仅为50 nv/℃。本系统由于试验需要仅对一路模拟信号进行放大，并留有扩展输入通道接口，可根据需要将单片增加至8路。本模块电路原理图如图2所示。
1.2 系统供电模块
由于井下工作电源一般是由9～12 v的锂电池提供，而系统所有元件的工作电压均在5v左右，所以需要对9v的电源进行整流至系统5v输入供电。供电部分所采用的adp303电压变换器，是一款高精度、200ma低漂移的线性整流器，特别适合于小功率系统的电源整流供电。其工作电压范围为3.2～12 v，可以解决由于外部电压不足而导致系统无法正常工作的问题。由于系统器件分为模拟器件和数字器件两部分，因此相应地分为模拟和数字供电。整流输出的5v 供电经l00mh的电感和1.8ω的电阻分别为模拟电源和数字电源供电，这样可以大大降低供电对数字器件的干扰。而模拟地和数字地也需要经过0ω的电阻进行滤波才可以连接到一起，以便减小干扰，尤其是对精度高的数字器件应用时更应该注意这点。原理图如图3所示。
1.3 spi数据实时存储模块
按照系统的要求需要对数据进行实时的存储，采用aduc848微控制器自带的spi接口对外部flash芯片进行读写，实现数据回放功能。考虑到钻井作业的特殊性，单次施工连续工作在100h以内，按每秒采集5组16位数据计算，单片flash的容量至少应在6.86 mb以上，因此本系统采用了at45db542d(简称at45d)的64 mb串行spi存储器。浚flash芯片存储容量大，高速读写可至66 mhz，10 ma低功率串行工作，可擦写10万次，保存数据可达10年。可以根据现场的实际情况多片组合最大至256 mb以完全满足大量数据存储的需要。本系统采用单片存储器完成试验。原理图如图4所示。
1.4 上位机通信
采集数据的上传接口采用的是rs-232串行通信模式，收发数据波特率设置为9 600 bps。微控制器的输入/输出电平为ttl电平，即uart串口，与pc机rs-232标准串行接口的电气规范不一致，因此控制芯片与pc机之间的数据通信必须进行电平转换。采用max232接口转换芯片可以很好地实现与上位机通信的功能。具体实现如图5所示。
1.5 aduc848接口、复位、psen与双机扩展
各个模块与mcu的接口连接均由aduc848的i/o和通信口的外围电路设计完成。供电部分的接口均需接入0.1μf的电容滤波，中断部分由一个开关和 10 kω下拉电阻组成，保证在系统中断电平允许范围内及时响应中断;mcu自带的txd、rxd口分别与rs-232模块的tlin、rlout相连接直接形成串行通信，系统留有8个a/d模拟输入接口(ainl～ain8)供系统扩展。系统的复位电路由按键和rc电路完成，系统运行时确保rest口维持在低电平，需要复位时接通rc电路完成指定16个系统时钟周期的高电平复位。程序下载模式由psen口外接lkω,下拉电阻完成，当系统处于连续工作状态时 psen为开路非下载模式;当需要更新系统程序时，只需将psen短接至lkω电阻后接通复位电路。系统便可以自动进入下载模式等待上位机下载程序。系统的双机扩展和外围存储器接口均由aduc848的miso、mosi、sclock、ss四线制的spi接口完成。由它们设置主机、从机，并选择数据发送/接收传输时钟，可以完成对存储器的读写和mcu的功能扩展。具体框图如图6所示。
2 软件编制与isp下载
本系统的软件编制和仿真下载均在keil公司最新推出的keil uvision3环境下实现。keil单片机应用开发软件支持多种不同公司的mcs51构架的芯片，集编辑、编译、下载和仿真等于一体;同时还支持 plm、汇编和c语言的程序设计，在调试程序和软件仿真方面也有很强大的功能。keil uvision3支持aduc8xx系列芯片的开发和在线下载，简单易用，能够满足系统软件开发环境的需求。
系统软件流程图如图7所示，包括两大主要功能：第一，实现无回放数据中断请求下的数据连续采集、存储及上传;第二，实现中断请求下的数据回放上传。
数据采集部分的示例代码具体如下：
数据存储器读取示例代码如下：
aduc848的p2.o连接存储器的时钟sclk，p2.1连接si，p2.2连接so.p2.3连接cs片选。
isp即系统可编程，指可以对电路印制板上的空白器件编程写入用户代码，而不需要把芯片取下来烧录再放入系统中，已经编程的器件还可以通过isp方式重新编程和擦除原有程序。aduc848自带有isp方式的串行下载模式，通过txd、rxd、dvdd、dgnd引脚四线制接入rs-232模块。当 psen引脚通过一个1 kω的下拉电阻至低电平并且把系统复位时，隐藏在芯片内部的下载核开始工作，芯片进入串行下载模式，可以对片内64 kb flash可擦写程序存储器进行串行在线下载编程。此种方式允许现场软硬件升级，高效、方便地提升系统功能。
3 试验结果
经过系统硬件标定和软件测试：当外部参考电压vref+设置为3.3lv，vref-设置为0 v，a/d转换模式设置为外部参考电压、编码方式为双极16位编码、量程范围为一3.389～+3.389 v，且一路模拟传感器电压信号输入凋理电路为0mv电压时，转换结果为0x8000;当信号输入为4.56 mv时，被放大为0.912v至a/d输入，转换结果为0xa270;当15mv输入信号被放大为3 v至a/d输入时，转换结果为oxfl4b，数据及精度完全符合仿真标准。
4 结论
本系统体积小，仅为78 mm×22 mm×14 mm，若去掉调试所需的接口、跳线、复位和调理电路标定电阻部分，体积可减小至50 mm×20 mm×6 mm;耐高温、运行稳定、功耗低，经测算本系统的功耗仅为562.48 mw，如果经过改进，本系统的功耗还可以降到400 mw以下。
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1 系统硬件设计
本系统主要分为5个模块，且所有主要元器件均选用adi公司的模拟和数字军用标准产品，大大提高了系统的可靠性、耐高温性和抗震性。系统硬件设计总体框图如图l所示。
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此模块主要实现对压力传感器输入信号的放大、滤波功能。前端信号放大部分应用高精度、零漂移的ad8230轨至轨仪表运算放大器，经过电阻测算标定为放大增益200倍。放大后的信号经由一个op07d运算放大器滤波输入至aduc8d8模拟通道进行采集。钻压输入信号一般为o～15mv，经过放大滤波后输出至a/d采集的信号为0～3 v。ad8230的工作温度范围为一40℃～125℃，最大漂移电压仪为loμv，最大温漂也仅为50 nv/℃。本系统由于试验需要仅对一路模拟信号进行放大，并留有扩展输入通道接口，可根据需要将单片增加至8路。本模块电路原理图如图2所示。
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由于井下工作电源一般是由9～12 v的锂电池提供，而系统所有元件的工作电压均在5v左右，所以需要对9v的电源进行整流至系统5v输入供电。供电部分所采用的adp303电压变换器，是一款高精度、200ma低漂移的线性整流器，特别适合于小功率系统的电源整流供电。其工作电压范围为3.2～12 v，可以解决由于外部电压不足而导致系统无法正常工作的问题。由于系统器件分为模拟器件和数字器件两部分，因此相应地分为模拟和数字供电。整流输出的5v 供电经l00mh的电感和1.8ω的电阻分别为模拟电源和数字电源供电，这样可以大大降低供电对数字器件的干扰。而模拟地和数字地也需要经过0ω的电阻进行滤波才可以连接到一起，以便减小干扰，尤其是对精度高的数字器件应用时更应该注意这点。原理图如图3所示。
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按照系统的要求需要对数据进行实时的存储，采用aduc848微控制器自带的spi接口对外部flash芯片进行读写，实现数据回放功能。考虑到钻井作业的特殊性，单次施工连续工作在100h以内，按每秒采集5组16位数据计算，单片flash的容量至少应在6.86 mb以上，因此本系统采用了at45db542d(简称at45d)的64 mb串行spi存储器。浚flash芯片存储容量大，高速读写可至66 mhz，10 ma低功率串行工作，可擦写10万次，保存数据可达10年。可以根据现场的实际情况多片组合最大至256 mb以完全满足大量数据存储的需要。本系统采用单片存储器完成试验。原理图如图4所示。
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