應用ADuC848新型微控制器和Keil仿真下載軟件，設計開發了鉆井壓力敷據采集系統。 本系統具有16位高精度A／D轉換器，數據實時采集上傳存儲，最高作業溫度為125℃，具有功耗低和集成度高等特點。使用ISP在線編程時，要針對現場需要及時調整系統軟件，靈活應用。 引 言 目前國內的隨鉆測量鉆井壓力工具大部分是引進國外設備，成本高、維修困難。已經使用的國內設備在體積、集成度和精度上有著明顯的不足，并且老化程度高。基于此種情況，筆者開發了一個基于ADuC848微控制器的、可擴展采集通道的鉆井壓力數據采集系統。ADuC848是美國ADI公司最新推出的一款具有軍品標準，單片最多可帶8路模擬信號輸入轉換通道，擴展主機／從機模式最多可達16路模擬輸入通道的微控制器。 它具有單16位高精度A／D轉換器、16位無差錯編碼，大容量64 KBFlash ROM、4 KB片上Flash和2 304字節片上RAM，高性能單循環內核，外部晶振32 kHz可編程倍頻至12.58MHz，ISP在線高速下載編程，另外還有24個I／O口、11個中斷源（2個優先級）、雙數據指針、內部節電模式、12位D／A轉換器，以及UART、SPI和I2C串行通信模式、看門狗定時器WDT和電源監視器PSW等。ADuC848芯片的52引腳MQFP封裝僅為14 mm×14 mm，最高工作溫度為125℃，正常工作最大電流為4．8 mA且節電模式最大電流為20μA。所以ADuC848特別適用于開發在高溫惡劣環境下長時問作業的小型數據采集系統。 1 系統硬件設計 本系統主要分為5個模塊，且所有主要元器件均選用ADI公司的模擬和數字軍用標準產品，大大提高了系統的可靠性、耐高溫性和抗震性。系統硬件設計總體框圖如圖l所示。 1．1 模擬信號輸入調理模塊 此模塊主要實現對壓力傳感器輸入信號的放大、濾波功能。前端信號放大部分應用高精度、零漂移的AD8230軌至軌儀表運算放大器，經過電阻測算標定為放大增益200倍。放大后的信號經由一個OP07D運算放大器濾波輸入至ADuC8d8模擬通道進行采集。鉆壓輸入信號一般為O～15mV，經過放大濾波后輸出至A／D采集的信號為0～3 V。AD8230的工作溫度范圍為一40℃～125℃，最大漂移電壓儀為lOμV，最大溫漂也僅為50 nV／℃。本系統由于試驗需要僅對一路模擬信號進行放大，并留有擴展輸入通道接口，可根據需要將單片增加至8路。 本模塊電路原理圖如圖2所示。 1．2 系統供電模塊 由于井下工作電源一般是由9～12 V的鋰電池提供，而系統所有元件的工作電壓均在5V左右，所以需要對9V的電源進行整流至系統5V輸入供電。供電部分所采用的ADP303電壓變換器，是一款高精度、200mA低漂移的線性整流器，特別適合于小功率系統的電源整流供電。其工作電壓范圍為3．2～12 V，可以解決由于外部電壓不足而導致系統無法正常工作的問題。由于系統器件分為模擬器件和數字器件兩部分，因此相應地分為模擬和數字供電。整流輸出的5V供電經l00mH的電感和1．8Ω的電阻分別為模擬電源和數字電源供電，這樣可以大大降低供電對數字器件的干擾。而模擬地和數字地也需要經過0Ω的電阻進行濾波才可以連接到一起，以便減小干擾，尤其是對精度高的數字器件應用時更應該注意這點。 原理圖如圖3所示。 1.3 SPI數據實時存儲模塊 按照系統的要求需要對數據進行實時的存儲，采用ADuC848微控制器自帶的SPI接口對外部Flash芯片進行讀寫，實現數據回放功能。考慮到鉆井作業的特殊性，單次施工連續工作在100h以內，按每秒采集5組16位數據計算，單片Flash的容量至少應在6．86 MB以上，因此本系統采用了AT45DB542D（簡稱AT45D）的64 Mb串行SPI存儲器。浚Flash芯片存儲容量大，高速讀寫可至66 MHz，10 mA低功率串行工作，可擦寫10萬次，保存數據可達10年。可以根據現場的實際情況多片組合最大至256 Mb以完全滿足大量數據存儲的需要。本系統采用單片存儲器完成試驗。原理圖如圖4所示。 1．4 上位機通信 采集數據的上傳接口采用的是RS-232串行通信模式，收發數據波特率設置為9 600 bps。微控制器的輸入／輸出電平為TTL電平，即UART串口，與PC機RS-232標準串行接口的電氣規范不一致，因此控制芯片與PC機之間的數據通信必須進行電平轉換。采用MAX232接口轉換芯片可以很好地實現與上位機通信的功能。具體實現如圖5所示。 1.5 ADuC848接口、復位、PSEN與雙機擴展 各個模塊與MCU的接口連接均由ADuC848的I／O和通信口的外圍電路設計完成。供電部分的接口均需接入0．1μF的電容濾波，中斷部分由一個開關和10 kΩ下拉電阻組成，保證在系統中斷電平允許范圍內及時響應中斷；MCU自帶的TXD、RXD口分別與RS-232模塊的Tlin、Rlout相連接直接形成串行通信，系統留有8個A／D模擬輸入接口（AINl～AIN8）供系統擴展。系統的復位電路由按鍵和RC電路完成，系統運行時確保REST口維持在低電平，需要復位時接通RC電路完成指定16個系統時鐘周期的高電平復位。程序下載模式由PSEN口外接lkΩ,下拉電阻完成，當系統處于連續工作狀態時PSEN為開路非下載模式；當需要更新系統程序時，只需將PSEN短接至lkΩ電阻后接通復位電路。系統便可以自動進入下載模式等待上位機下載程序。系統的雙機擴展和外圍存儲器接口均由ADuC848的MISO、MOSI、SCLOCK、SS四線制的SPI接口完成。由它們設置主機、從機，并選擇數據發送／接收傳輸時鐘，可以完成對存儲器的讀寫和MCU的功能擴展。 具體框圖如圖6所示。 2 軟件編制與ISP下載 本系統的軟件編制和仿真下載均在Keil公司最新推出的Keil uVision3環境下實現。Keil單片機應用開發軟件支持多種不同公司的MCS51構架的芯片，集編輯、編譯、下載和仿真等于一體；同時還支持PLM、匯編和C語言的程序設計，在調試程序和軟件仿真方面也有很強大的功能。Keil uVision3支持ADuC8XX系列芯片的開發和在線下載，簡單易用，能夠滿足系統軟件開發環境的需求。 系統軟件流程圖如圖7所示，包括兩大主要功能：第一，實現無回放數據中斷請求下的數據連續采集、存儲及上傳；第二，實現中斷請求下的數據回放上傳。 數據采集部分的示例代碼具體如下： 數據存儲器讀取示例代碼如下： ADuC848的P2．O連接存儲器的時鐘SCLK，P2．1連接SI，P2．2連接SO．P2．3連接CS片選。 數據存儲器讀取示例代碼如下： ADuC848的P2．O連接存儲器的時鐘SCLK，P2．1連接SI，P2．2連接SO．P2．3連接CS片選。 編輯：何世平