采用MSP430F2274和TDC-GP2實(shí)現(xiàn)油田測量系統(tǒng)的設(shè)計

1 、引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對石油的需求量越來越大，因此我國許多油田紛紛采用多種辦法來提高油氣產(chǎn)量。例如：各大油田都成立了自己的研究機(jī)構(gòu)，充分利用油田自身的人才和資金的優(yōu)勢，研制油田鉆井、測井所急需的儀器。許多油田特別是東部和東北地區(qū)的開采時間較長的油田，對油井進(jìn)行二次開采，以提高油氣產(chǎn)量等等。而對于油井的二次開采，往井下注水是現(xiàn)在應(yīng)用廣泛，且效率較高的一種方法。現(xiàn)在油田對注水技術(shù)的要求越來越高，近幾年又提出井下分層注水。對井下分層注水參數(shù)的監(jiān)測，越來越引起油田相關(guān)部門的重視。因此現(xiàn)在急需井下分層注水參數(shù)監(jiān)測的儀器，基于這種現(xiàn)狀，本文設(shè)計了一套檢測流量、溫度的電路。

2 、設(shè)計思想的提出

目前油田上使用的流量計都是存儲式的，其種類很多，包括浮子流量計、電磁流量計、渦輪流量計、超生波流量計等。由于設(shè)計的原理和機(jī)械結(jié)構(gòu)的不同，這些流量計都有自身的一些缺點(diǎn)，且其精度不是很高，相比較而言，超聲波流量計有比較顯著的優(yōu)點(diǎn)，它有較高的測量精度，一般在2%~5%之間，而其他流量計的精度一般都在5%之上，并且機(jī)械結(jié)構(gòu)的損壞率也比超聲波流量計要高很多。另外，現(xiàn)在集成芯片的應(yīng)用越來越廣泛，可以說已經(jīng)滲透到工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的各個領(lǐng)域。隨著材料工業(yè)和集成電路的發(fā)展，單片機(jī)的性價比越來越高，選擇MSP430F2274作為流量數(shù)據(jù)的處理芯片可以說既經(jīng)濟(jì)又實(shí)惠。2274的處理速度和數(shù)據(jù)處理格式完全滿足參數(shù)測量的技術(shù)要求。設(shè)計所選擇的GP2是超聲波原理流量計專用的測量芯片，芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)就是基于超聲波時差法測量流量的原理設(shè)計的，此芯片有極高的測量精度，從而可以保證最終測量數(shù)據(jù)的精度。把這兩種芯片應(yīng)用到一個電路，加上少量的外圍電路，就可以實(shí)現(xiàn)流量的監(jiān)測功能。

3 、系統(tǒng)電路總體設(shè)計

3.1 芯片介紹

MSP430F2274是TI公司2006年推出的一款高性能低功耗、性價較高的16位單片機(jī)芯片，MSP430F2274繼承了TI單片機(jī)的傳統(tǒng)特點(diǎn)：超低功耗、體積更小、性能更好、更易使用。將MSP430F2274內(nèi)部的16位精簡指令集CPU通過馮o諾依曼結(jié)構(gòu)的地址總線和數(shù)據(jù)總線，連接到外圍設(shè)備和可編程時鐘系統(tǒng)，另外，由于有一個先進(jìn)的CPU配合具有標(biāo)準(zhǔn)組件存儲印象的模擬和數(shù)字的外圍設(shè)備，使得MSP430 可以用于處理混合信號。具有眾多的內(nèi)部資源，從而可為系統(tǒng)的構(gòu)造提供很大的便利。TDC-GP2是德國ACAM公司即TDC-GP1后推出的又一款新的時間數(shù)字轉(zhuǎn)化芯片，它的高精度和小型封裝使其成為低成本工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域設(shè)計的理想器件，GP2具有高速脈沖發(fā)生器，停止信號使能，溫度測量和時鐘控制等功能，這些特殊功能模塊使得它尤其適合于超聲波流量和熱量測量方面的應(yīng)用。它有兩個測量范圍，可以使時間的測量精度達(dá)到ps級。

3.2 系統(tǒng)的總體設(shè)計

整個系統(tǒng)是圍繞MSP430F2274和GP2 來設(shè)計外圍電路的。2274主要用來做系統(tǒng)控制和數(shù)據(jù)處理，GP2主要用來采集時間差，也是整個系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的核心。該電路是將系統(tǒng)設(shè)計成存儲式，即先把整個系統(tǒng)裝到骨架上放到被測量的井中，測量數(shù)據(jù)暫時存放到靜態(tài)存儲器中，等測量完成后再把系統(tǒng)提升到地面進(jìn)行數(shù)據(jù)回放。在測量過程中GP2在2274的控制下實(shí)現(xiàn)與流量、溫度相關(guān)的時間參數(shù)的測量，并存于GP2內(nèi)部寄存器中，由2274讀出后進(jìn)行相應(yīng)的處理與存儲。儀器被提升到地面后，系統(tǒng)在接收到計算機(jī)的命令后將存儲的數(shù)據(jù)通過MAX3232EVE傳送給計算機(jī)進(jìn)行處理。系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示。系統(tǒng)上電后，存儲在2274內(nèi)部的ROM中的程序被引導(dǎo)進(jìn)2274內(nèi)部運(yùn)行。當(dāng)2274完成對自身和GP2的初始化設(shè)置后，首先給模擬開關(guān)（TS5A23157）一個確定信號，使之處于一個確定狀態(tài)，這樣就可以確定兩個超聲波傳感器的收發(fā)狀態(tài)，也就是確定是順?biāo)疁y量還是逆水測量。之后2274給GP2發(fā)送命令，通過GP2的FIRE引腳發(fā)射信號，給超聲波傳感器提供激勵的同時，同時給GP2提供START信號；而超聲波傳感器接收到的信號經(jīng)過兩極放大電路及濾波電路、波形整形電路后送到GP2作為STOP信號，這樣GP2就可以計算出超聲波在流體中的傳播時間。然后2274改變模擬開關(guān)的通道開關(guān)狀態(tài)，即改變傳感器的收發(fā)狀態(tài)，再進(jìn)行一次測量，又可以得到一個傳播時間。根據(jù)這兩個時間參數(shù)，利用時差法原理公式就可以計算出管柱中流體的流量。2274把計算結(jié)果存入外部的存儲器中。在測量完成后，把電路提到地面，利用數(shù)據(jù)線和PC機(jī)連接，把測得的數(shù)據(jù)傳送到PC機(jī)進(jìn)行注水曲線繪制，并作進(jìn)一步的分層注水剖面分析。

3.3 數(shù)據(jù)回放電路設(shè)計

因?yàn)檎麄€系統(tǒng)的測量是在井下進(jìn)行的，而且在測量過程中數(shù)據(jù)并不上傳。數(shù)據(jù)的后期處理和注水曲線的繪制是測量完成以后，數(shù)據(jù)回放到PC機(jī)以后進(jìn)行的。所以對數(shù)據(jù)的回放也必須考慮在內(nèi)。數(shù)據(jù)的回放框圖如圖2所示。

3.4 TDC-GP2與2274通信電路的設(shè)計

TDC-GP2的通信格式是四線的串行通信格式 （SPI），電路中利用2274的串行通信引腳和GP2的通信引腳相連，并利用2274的I/O口引腳P2.2作為GP2的選通腳，利用另一個I/O引腳P4.2作為GP2的復(fù)位腳，而用2274的I/O引腳P2.0來響應(yīng)GP2的中斷。利用2274的P2.4和P2.5分別作為GP2的“開始”和“結(jié)束”的使能信號 。其具體的通信電路如圖3所示。通信的數(shù)據(jù)速率可以根據(jù)GP2的讀寫操作時序圖用軟件來確定。

3.5 電源電路的設(shè)計

因?yàn)檎麄€系統(tǒng)的供電采用干電池供電方式。所以在功耗的要求上是比較嚴(yán)格的。在整個電路中所用的芯片都是3.3V供電，這樣就減少了以往系統(tǒng)中電平轉(zhuǎn)換芯片使用過程中能量的損失。受供電方式的限制，對電源電路的設(shè)計相當(dāng)重要，必須選擇耐高溫、體積小、功耗小、能量大的電池。另外，對如何提高電池的利用率也作了考慮。除此之外，在本系統(tǒng)中，采用雙電源的供電方式，即一個主電源一個備用電源，整個電源部分的電路結(jié)構(gòu)如圖4所示。主電源在剛開始通過二極管網(wǎng)絡(luò)（二極管網(wǎng)絡(luò)是用來確定門限電壓的）給系統(tǒng)供電，使系統(tǒng)處于主電源供電模式，同時2274使模擬開關(guān)選通主電源供電模式，通過檢測電路來檢測主電源的電壓幅度，當(dāng)電壓幅度小于預(yù)設(shè)的門限電壓時，2274通過模擬開關(guān)選通備用電源，使用備用電源給系統(tǒng)供電。這樣就使得系統(tǒng)的工作時間更長、更可靠。

3.6 流量測量預(yù)處理電路的設(shè)計

由于從超聲波傳感器接收到的信號是非常微弱的超聲波信號，而GP2的STOP通道對信號的識別是有要求的，所以必須對接收信號進(jìn)行放大、濾波。具體電路如圖5所示：通過模擬開關(guān)選通的接收信號經(jīng)一級運(yùn)放電路進(jìn)行放大，放大幅度約為20dB，之后對放大后的信號進(jìn)行帶通濾波，濾波后對信號進(jìn)行二次放大，這次放大的幅度也是約20dB，即兩次總的放大增益約為40dB，二次放大后的信號經(jīng)比較器整形后送到GP2作為STOP信號。由于GP2 測量的是開始信號和結(jié)束信號之間的時間差，要求上升沿盡量的陡，所以必須使用高速比較器。

4 、系統(tǒng)軟件設(shè)計

GP2的軟件設(shè)計流程如圖6所示：系統(tǒng)上電后通過2274選通GP2，并對GP2的寄存器進(jìn)行配置，接著初始化GP2，在TDC單元接收到START通道上的第一個脈沖信號后開始工作，直到達(dá)到預(yù)先設(shè)置的采樣數(shù)或者遇到測量溢出后停止工作。然后，對測量值進(jìn)行校準(zhǔn)（可以不校準(zhǔn)）后計算得到測量值，這樣就完成了一次測量。一次測量完成后觸發(fā)中斷，2274讀取測量到的數(shù)據(jù)。下次測量前再進(jìn)行一次初始化后就可以開始第二次測量。

5 、總結(jié)

該系統(tǒng)電路經(jīng)過室內(nèi)試驗(yàn)，取得了良好的測量效果，系統(tǒng)的測量精度和穩(wěn)定性都達(dá)到了預(yù)先的設(shè)計要求。從而充分說明了該系統(tǒng)的可行性，為其應(yīng)用型、產(chǎn)品化儀器的開發(fā)提供了必要的依據(jù)。另外，這套系統(tǒng)還可以應(yīng)用到其它的工業(yè)領(lǐng)域，可以做成工業(yè)自動化的控制最前端的測量流量設(shè)備。此測量電路系統(tǒng)的設(shè)計對于其它流量測量儀器的設(shè)計有一定的參考價值。

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