基于MSP430的石油井下壓力測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

基于MSP430的石油井下壓力測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1 引言
??? 壓力數(shù)據(jù)在油田開(kāi)采過(guò)程中是一項(xiàng)極重要的資料。而這其中的射孔工藝是關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其對(duì)高質(zhì)量打開(kāi)油氣層，提高油氣井產(chǎn)能都有重要影響。射孔是打開(kāi)油氣層讓地層流體流入井內(nèi)的主要完井工序。測(cè)取射孔瞬間動(dòng)態(tài)壓力參數(shù)具有重要意義；確定每次射孔的施工效果；結(jié)合其他測(cè)試參數(shù)評(píng)價(jià)地質(zhì)效果：研究射孔工藝機(jī)理，為我國(guó)射孔理論水平的發(fā)展創(chuàng)造有利條件。該參數(shù)的測(cè)取也是研究油氣層特征，掌握油氣層動(dòng)態(tài)。檢查地面采油工藝流程的重要手段。為此，必須借助于各種精密的壓力測(cè)量?jī)x表。以獲得精確的壓力數(shù)據(jù)。

2 測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2．1 存儲(chǔ)測(cè)試原理簡(jiǎn)介
??? 存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)是用以完成存儲(chǔ)測(cè)試的物理系統(tǒng)，可工作在高溫、高壓、強(qiáng)沖擊振動(dòng)、高過(guò)載等惡劣環(huán)境下，自動(dòng)完成被測(cè)信息的實(shí)時(shí)采集與存儲(chǔ)記憶。它將傳感器、適配電路、數(shù)字化存儲(chǔ)記錄電路、通訊接口、控制指示單元和電源集成為一體，構(gòu)成一個(gè)小型化的、可安裝在被測(cè)體內(nèi)(相對(duì))獨(dú)立丁作的測(cè)試系統(tǒng)。由于存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)具有體積小、功耗低、可重復(fù)使用、抗干擾性好及能適應(yīng)特殊環(huán)境等特點(diǎn)，所以對(duì)于工程測(cè)試，特別是在野外惡劣的環(huán)境下，存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)提供了一個(gè)很好的解決方案。
??? 這里設(shè)計(jì)的儀器必須能夠在高溫、高壓、高沖擊的油井中安全、可靠的取得射孔壓裂數(shù)據(jù)，且能保持?jǐn)?shù)據(jù)長(zhǎng)時(shí)間不丟失，可順利回收被測(cè)信息。因此該系統(tǒng)除需能耐高溫、高壓、高沖擊振動(dòng)的電路外，還必須對(duì)其保護(hù)，防止儀器損壞。
2．2 系統(tǒng)工作原理
??? 系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

??? 石油井下射孔壓力測(cè)試系統(tǒng)選用編程自適應(yīng)分段均勻采樣策略，即通過(guò)事先編程確定記錄過(guò)程分為若干個(gè)均勻采樣階段，每一階段的開(kāi)始時(shí)間、采樣頻率、存儲(chǔ)點(diǎn)數(shù)是根據(jù)被測(cè)信號(hào)的變化自適應(yīng)調(diào)整的。此系統(tǒng)在單片機(jī)程序的控制下，上電延時(shí)50 s后，在觸發(fā)信號(hào)到來(lái)之前，以1 Hz的采樣頻率進(jìn)行低頻采樣A／D轉(zhuǎn)換，并將MD轉(zhuǎn)換輸出的數(shù)據(jù)存人存儲(chǔ)器。觸發(fā)信號(hào)到來(lái)后，開(kāi)始以100 kHz的采樣頻率采樣，連續(xù)采樣滿(mǎn)128 K字?jǐn)?shù)據(jù)，再以500 Hz采樣，至采滿(mǎn)256 K字，數(shù)據(jù)停止采樣。當(dāng)電路回收后，可通過(guò)RS232接口將存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)讀至計(jì)算機(jī)．以便后續(xù)處理。

2．3 MSP430單片機(jī)低功耗的設(shè)計(jì)
??? MSP430系列單片機(jī)具有獨(dú)特的時(shí)鐘系統(tǒng)設(shè)計(jì)，包括兩個(gè)不同的時(shí)鐘系統(tǒng)：基本時(shí)鐘系統(tǒng)和鎖頻環(huán)(FLL和FLL+)時(shí)鐘系統(tǒng)或數(shù)字振蕩器(DCO)時(shí)鐘系統(tǒng)。由時(shí)鐘系統(tǒng)產(chǎn)生CPU和各功能模塊所需時(shí)鐘，這些時(shí)鐘可在指令的控制下打開(kāi)或關(guān)閉，從而控制總體功耗。由于系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)所使用的功能模塊不同，即采用不同的工作模式，器件的功耗有明顯區(qū)別。系統(tǒng)具有1種活動(dòng)模式(AM)和5種低功耗模式(LPM0～LPM4)。MSP430系列單片機(jī)各個(gè)模塊運(yùn)行完全獨(dú)立，定時(shí)器、輸入／輸出端口、A／D轉(zhuǎn)換、看門(mén)狗等都可在主CPU休眠的狀態(tài)下獨(dú)立運(yùn)行。當(dāng)需要主CPU工作時(shí)，任何一個(gè)模塊都可以通過(guò)中斷喚醒 CPU，從而使系統(tǒng)以最低功耗運(yùn)行。這是MSP430系列單片機(jī)最突出的優(yōu)點(diǎn)。
??? 為充分利用CPU的低功耗性能，使其工作于突發(fā)狀態(tài)。通常情況下，根據(jù)需要使用軟件將CPU設(shè)定到某一種低功耗工作模式下，在需要時(shí)使用中斷將CPU從休眠狀態(tài)中喚醒，完成工作后又可進(jìn)入相應(yīng)休眠狀態(tài)。圖2為MSP430F1611單片機(jī)的基本配置電路。

3 狀態(tài)設(shè)計(jì)及系統(tǒng)狀態(tài)分析
3．1 狀態(tài)設(shè)計(jì)理論
??? 狀態(tài)設(shè)計(jì)是指根據(jù)被測(cè)對(duì)象的運(yùn)動(dòng)規(guī)律確定存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)狀態(tài)組織結(jié)構(gòu)的過(guò)程。它是實(shí)現(xiàn)功能設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是硬件設(shè)計(jì)的依據(jù)，也是建立基型存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)的有效手段。狀態(tài)設(shè)計(jì)可以使設(shè)計(jì)思想始終清晰地貫穿于設(shè)計(jì)和調(diào)試，不同程度地簡(jiǎn)化原本復(fù)雜的設(shè)計(jì)過(guò)程。
3．2 系統(tǒng)的狀態(tài)分析
??? 根據(jù)狀態(tài)分析，存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)完成一次有效的數(shù)據(jù)測(cè)試，大致需經(jīng)6個(gè)過(guò)程：等待狀態(tài)A0，低速采存狀態(tài)A1，高速采存狀態(tài)A2，低速采存狀態(tài)A3，信息保持狀態(tài)A4，數(shù)據(jù)讀出狀態(tài)A5。MSP430F1611通過(guò)控制ONA、ONB分別產(chǎn)生VDD= 3．6 V、VEE=3．6 V，OE、WE、CE分別為存儲(chǔ)器的讀、寫(xiě)、片選控制信號(hào)。ONA信號(hào)為低電平時(shí)輸出VDD，為高電平時(shí)關(guān)閉。ONB為低電平時(shí)輸出VEE，為高電平時(shí)關(guān)閉。圖3為系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖，詳細(xì)分析系統(tǒng)各工作階段的電源開(kāi)閉情況及低功耗模式。

??? 等待狀態(tài)A0對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，復(fù)位操作。其中，在I／O初始化中，設(shè)置上電外部中斷，當(dāng)ONA、ONB為OE、WE、CE為低，電源VDD、VEE關(guān)閉，初始化通用寄存器，將內(nèi)部DCO晶振8分頻，初始化定時(shí)器A，通過(guò)TA中斷延時(shí)50 s．等待電源穩(wěn)定后進(jìn)入低功耗1。

?? 低速采存狀態(tài)A1中，延時(shí)50 s后，使ONA、ONB、CE為低，OE、WE為高，電源VDD、VEE打開(kāi)，存儲(chǔ)器片選端有效，初始化時(shí)鐘，使子系統(tǒng)時(shí)鐘設(shè)置為外部高頻時(shí)鐘源．初始化 A／D轉(zhuǎn)換器并設(shè)置單通道單次轉(zhuǎn)換模式，初始化定時(shí)器B，由TB中斷實(shí)現(xiàn)采存，初始化中TB每隔0．01 ms中斷一次，在采存過(guò)程中A／D轉(zhuǎn)換器一直處于100 kHz的高速采樣狀態(tài)。并將數(shù)據(jù)送入FIFO。頻率變換則通過(guò)存儲(chǔ)器推地址來(lái)實(shí)現(xiàn)，此狀態(tài)是采樣射孔前井下靜壓，因此采用1 Hz進(jìn)行低速采存。
??? 高速采存狀態(tài)A2中，將128 K作為是否變頻的標(biāo)志，ONA、ONB、CE為低，OE、WE為高，電源VDD、VEE打開(kāi)，存儲(chǔ)器讀、寫(xiě)端有效，由數(shù)字內(nèi)觸發(fā)方式實(shí)現(xiàn)觸發(fā)變頻。當(dāng)觸發(fā)信號(hào)來(lái)臨，改變存儲(chǔ)器推地址，實(shí)現(xiàn)100 kHz高速采存。低速采存狀態(tài)A3中，ONA、ONB、CE為低，OE、WE為高電源VDD、VEE打開(kāi)，存儲(chǔ)器讀、寫(xiě)端有效，改變存儲(chǔ)器推地址，實(shí)現(xiàn) 500 Hz低速采存，將256 K作為是否采滿(mǎn)的標(biāo)志。
??? 信息保持狀態(tài)A4中，定時(shí)器A、定時(shí)器B禁止中斷，ONA為低，ONB、OE、WE、CE為高，打開(kāi)VDD=3．6 V，存儲(chǔ)器處于有效狀態(tài)，于是數(shù)據(jù)保存在存儲(chǔ)器內(nèi)，關(guān)閉A／D轉(zhuǎn)換器，清零地址位，進(jìn)入低功耗4模式，等待讀數(shù)中斷。數(shù)據(jù)讀出狀態(tài)A5中，通過(guò)讀數(shù)中斷初始化串口讀數(shù)，設(shè)置時(shí)鐘為外部8 MHz高頻晶振，通過(guò)串口向計(jì)算機(jī)傳輸采存到的數(shù)據(jù)，讀數(shù)完畢進(jìn)入低功耗4模式。

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)
??? 測(cè)試實(shí)驗(yàn)由信號(hào)發(fā)生器提供頻率10 Hz正弦波，數(shù)據(jù)采集完畢讀數(shù)后情況如圖4所示，其中橫縱坐標(biāo)分別表示采集到的數(shù)據(jù)的點(diǎn)數(shù)和比特?cái)?shù)，單位分別是點(diǎn)和bit。系統(tǒng)完全實(shí)現(xiàn)觸發(fā)和變頻采樣過(guò)程。被測(cè)信號(hào)為lO Hz正弦波，直接觸發(fā)進(jìn)行高頻100 KHz采存和低頻500 Hz采存，一個(gè)周期內(nèi)采樣10 000個(gè)點(diǎn)，在131 072點(diǎn)處變頻采存，因此高頻采樣得到約13個(gè)正弦信號(hào)周期，高頻采樣時(shí)間約為1．3 s。

5 結(jié)束語(yǔ)
??? 系統(tǒng)利用MSP430系列單片機(jī)內(nèi)部提供的12 bit的A／D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，該采樣方式大大簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)，并能使測(cè)量結(jié)果達(dá)到較高的精度；此測(cè)試系統(tǒng)可減小電路板的體積，從而減小整個(gè)裝置的體積；由于MSP430單片機(jī)超低功耗的設(shè)計(jì)，大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，此測(cè)試系統(tǒng)具有較好的實(shí)用性。