2 钻井工程参数测试系统的数据采集设计
根据井下工程参数测量仪总体设计方案,井下工程参数测量仪控制系统由单片机作为控制器件。整个电子硬件部分包含信号调理模块、A /D转换模块、数据存储模块、数据通信模块、电源模块及单片机控制模块。
井下工程参数测试仪所要测试的井下工程参数包括钻压、环空压力、扭矩、侧向力和温度等,共9路(温度传感器在单片机芯片内部)传感器信号。井下工程参数测量仪总体设计框图如图2所示。
控制系统的硬件配置为1.单片机ADμC831:系统核心控制器件;2.扩充16M字节FLASH 存储器:存储转换采集的数据;3.扩充SP3220E: RSO232C串行口电平转换;4.扩充M IC29201:为电桥和放大电路间隙供电;5.扩充多路转换开关MAX4581:扩展模拟输入通道。
2. 1 信号调理模块
由于钻井工程参数测量仪所测试参数的各路传感器信号具有不同的特点,因此9路信号使用9个不同的放大器。根据应变法测试的实际情况,电桥输出信号很小(2～3mV) ,必须进行适当放大。
正常工作时,扭矩、钻压应变电桥的输出总为正值,但在特殊情况下,应变电桥的输出将为负值,而后面的系统只允许接受正信号,故电路设计将保证输出信号必为正值;数据采集正常工作时,侧向力传感器的输出必然有正有负,因此在放大电路中引入偏移电压:当侧向力传感器输出为零时,放大器的输出被偏移至1. 2V;侧向力传感器输出信号为正时,放大器输出电压增大(可达2. 4 V以上) ;侧向力传感器输出信号为负时,放大器输出电压减小,侧向力传感器负向输出最大时,放大器输出电压减小到0V, (即侧向力传感器输出正信号时,对应放大器输出电压为1. 2 ～2. 4 V,侧向力传感器输出负信号时,对应放大器输出电压为1. 2 ～0V, 0V对应侧向力传感器输出负信号最大) 。这样的输出电压,系统很容易处理。为防止输出电压过高而损坏单片机,放大电路采取了限压措施,以保后续电路安全、可靠的工作。
实验结果显示所设计放大器工作可靠,性能稳定,数据采集精度完全满足工程测量要求。
2. 2 模块
根据项目总体设计方案,能容纳系统的空间有限。单片机ADμC831自带8路A /D转换通道,转换时间4μs,分辨率12位,利用其中的一路扩充一片8通道多路开关MAX4581,使得系统可用A /D通道数达到15个,目前仅使用了9个通道。ADμC831单片机的ADC满度电压为2. 5 V,自带2. 5的参考电压,可使用程序作偏移校正和满度校正,校正值会自动保存在单片机的SFR中。
2. 3 数据处理模块
该部分的主要任务一是定时巡回采集十路模拟信号,将采集到的数据写入非易失性FLASH存储器中;二是随时(在10 ms以内)准备好响应井下主机发来的命令。
2.4 数据存储模块
系统使用非易失性的FLASH 数据采集存储器AT45DB642作为数据存储器,该芯片的容量为8192×1056个字节,通过SP I串行接口与AD C831单片机通信[ 7 ] 。
2. 5 数据传输模块
数据传输模块主要由SP3220E将ADμC831单片机的串行口的TTL电平转换RSO232C接口电平,以实现RSO232C接口。钻井工程参数测试系统通过RSO232C串行口将所采集得的数据传给上位机。一旦上位机对本机寻址,本机则根据上位机的要求传送数据。
2. 6 电源模块
为保证应变片安全、可靠,数据采集使用低阻值应变片,但随之而来,电源功耗显著增长,桥路供电稳压电源不堪重负,且供电电池的使用时间大大缩短。因此在不影响的前提下,对放大电路板及传感器电路实行间歇供电,从而大大延长电池的工作时间;采用低功耗电路元件;对桥路供电的稳压电源增加扩流措施,从而确保电池在高温下长期可靠地工作。井下工程参数测量仪控制系统采用高温、高能锂电池。本系统需要12V、9V和3V三种规格的直流电源,最大电流为250 mA。采用8节高温锂电池成两组并联供电,系统对它们实行间隙供电:当需要采集数据时才供电,采完数据后立即停止供电,从而将平均工作电流降到几十毫安,这样电池组可在井下工作150 h左右。
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