基于双CPU井深测量系统设计.docx

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基于双CPU井深测量系统设计

0前言

当今的社会里，石油是是不可却很少的能源之一，随着国民经济的迅速发展，对地下开采石油量的需求不断增长，现代钻井技术有了新的发展，一个好的测井深系统就必不可少，方便、快捷、准确地测量井深不仅能够保证钻井工作安全顺利的进行，而且也能节约时间、资金，带来巨大的经济效益。

在进行石油钻探过程中，由于井下状况复杂且不易预测，需及时掌握钻井的状态，以保证钻探的质量和钻井的安全。

在石油钻探现场广泛采用的就是用来检测钻井状态的重要智能设备。

传统的测井深设备体积庞大、不易安装、输出信号一般为模拟信号，测量精度不高、实时性差、出现故障也不易排除，因此给钻井工作带来了巨大的隐患；另外一些新上市的测井仪虽然在速度、准确度方面有一定的优越性，但其价格过于昂贵，应用范围受到限制，而且一旦损坏，后果不堪设想。

因此从安全性和性价比两个方面综合来考虑，可采用单片机来测井深，利用单片机作为主控元件,能使仪器仪表数字化、智能化，提高他们的测量速度、测量精度、简化仪器仪表硬件结构，便于使用、维修和改进，另外，单片机体积小、价格低廉，结构灵活、便于集成，所以单片机不仅占领了原来使用小型机的各个领域，而且广泛应用于过程控制等场合，此外，还可以用于过去计算机无法深入的方面，如测量仪器、教学装置、医疗设备、家用电器等。

本设计就采用双CPU测井深，其可靠性有了很大的提高，两个CPU有明确的分工，一个CPU负责测量，一个CPU负责事务处理，仪器中再加上监控电路，就能避免单CPU同时响应多个请求时，漏掉检测信号的可能性。

同时其测量精度可达20mm，响应速度也较快，其价格也比较低廉，因此其应用前景将会十分广阔。

1双CPU井深测量系统的测量原理和整体框图

由于井比较深，不可能像机械加工那样用一根钻头完成钻井工作全过程。

图1-1是钻井系统结构示意图。

实际的钻井动力驱动机构有绞盘、大钩、多节钻杆和钻头组成。

在向下钻探的过程中，当钻杆下降到卡座位置时，大钩与钻杆脱离，向上提升到一钻杆的高度，接入一根钻杆，再将大钩与钻杆重新连接，继续向下钻探一根钻杆的深度。

如此反复，可完成几百、上千米的钻井任务。

因此，钻井深度的测量公式为：

钻井深度=钻杆数量×单根钻杆长度-大钩距地面高度

（1）

图1-1是钻井系统结构示意图

Fig.1-1Thestructureofdrillingsystem

当需要向上提升钻头时，有大钩向上提升出一根完整的钻杆，然后由井架底部的卡座加紧地下的其他钻杆和钻头，这时候就可以将地面上的钻杆移去。

地面上的钻杆移去后，大钩向下运动，与卡座夹住的钻杆连接，再松开卡座，于是又可向上提升钻头。

重复这一过程就可以把地下很深的钻头提升到地面[1]。

从式

（1）可以看出，测量井深的关键在于统计井下钻杆的数量。

因为工作现场的特殊性，更换钻杆的数量不能由人工输入到计算机，只能由测量仪器自动判断。

由于钻井过程复杂，在实际操作过程中会出现多次加钻杆、减钻杆的操作。

因此准确判断增加、减少钻杆的操作是确保统计井下钻杆数量的关键。

根据上面介绍，可以通过大钩的位置和载荷来判断是否在进行增加、减少钻杆的操作：

若大钩的载荷为零，说明钻杆被卡座卡住，要进行增加、减少钻杆的操作。

若大钩载荷变为零时大钩的位置在井架的底部，表明要增加一根钻杆；若大钩载荷变为零时大钩的位置在井架的上部，表明要移去一根钻杆。

大钩与绞盘上的绞绳相连接，绞盘转动控制绞绳的收放，从而实现大钩的升降。

在一台特定的井架中，绞盘的直径D，绞绳的直径、每层能缠绕的圈数是固定的。

因此，通过测绞盘的转动圈数与转动位置，即可测量出大钩的实际高度。

根据井深测量系统的原理，我设计完成的双CPU井深测量系统，做到了下述技术要求,其总体设计的电路结构框图如图1-2所示。

图1-2双CPU井深测量系统框图

Fig.1-2Double-CPUdepthmeasurementsystemdiagram

2设计原则

2.1先进性

在系统设计中采用目前世界上先进的前端测量备和主控电路。

按照国际上成熟的系统结构进行工程安装。

2.2扩展性

整个系统的设计满足目前各个所在的需要，同时考虑到以后系统升级扩展的需要，我为系统留有余地。

在本设计中，设计已考虑到系统的基本容量，而且系统的输入输出都还可以扩充。

2.3安全性和可靠性

系统设备都选用技术先进、性能可靠的成熟产品，所有这些设备的技术参数都符合国家有关标准的规定。

控制电路具保护功能，防止非法修改内部参数；主控设备都具有自动诊断系统故障的能力，便于提前发现设备早期出现的故障，最大限度的保障系统长期安全可靠的运行。

3总体设计技术要求、技术措施

3.1技术要求

在进行石油钻探过程中，由于井下状况复杂且不易预测，需及时掌握钻井的状态，以保证钻井的质量与钻井的安全。

在石油钻探现场广泛使用的井深仪就是用来监控钻井状态的重要智能。

我们经过长期调查研究，从技术上认真分析，认为需满足下列技术要求，方能实现功能完善、操作方便这两个主要目标：

1）显示大钩的高度位置。

2）时显示钻井深度。

能记录钻井过程中的工况数据和操作状态。

这些数据可以通过仪器查询、显示，也可以通过仪器打印出来存档，还可以通过通讯接口

3）到位管理计算机进行处理和观察。

4）现场掉电保护功能，在现场突然停电的情况下，能保存好各种现场数据，在现场恢复供电后能根据保存的数据继续工作。

5）校正功能。

3.2技术措施

上述要求是一项艰巨的任务但也是必须要达到的目标。

为此我经过长期努力，采用以下技术措施，实现了上述目标：

在设计的过程中采用了为了实时显示大钩高度选用了MAX191型A/D转换器，显示钻井深度选用了TLP521-4光电隔离器件。

为了即使显示和处理突然停电的情况，选用了MAX813监控电路。

在钻井过程中需要记录各种时间则选用了W29C040数据存储芯片。

4系统总体设计

为了准确测量大钩的高度和换钻杆的过程，井深测量仪必须一直监视大钩悬重信号和绞盘的编码器信号。

编码器信号是数字信号，可以采用中断方式接收，但悬重信号是模拟信号，必须由CPU一直采样测量并监视。

在仪器运行过程中，还有一些信号需要CPU及时相应，如何打印机送数据、LCD显示状态的查询、键盘的处理、管理计算机通信的响应等。

显然，当CPU结构响应其他工作请求时，就有可能漏掉对悬重信号的监测。

为此，本设计采用了双CPU结构，一个CPU负责测量，一个CPU负责事物处理，仪器的内部结构如图4-1所示。

图4-1井深系统内部结构

Fig.4-1Depthsysteminternalstructure

4.1事物处理CPU设计

在本设计中事物处理CPU和测量CPU都采用的是ATMEL公司生产的AT89S52单片机作为下位机节点的微处理器。

AT89S52是一个8k字节可编程EEPROM的高性能微控制器。

具有内存较大，功能强，抗干扰能力强、软硬件资源都比较丰富等特点，其外围接口电路简单，具有很高的性价比，成本低，其价格仅是DSP的五分之一，而且它经过多年的发展，技术也相当的成熟。

它与工业标准MCS-51的指令和引脚兼容，因而是一种功能强大的微控制器，它对很多嵌入式控制应用提供了一个高度灵活有效的解决方案。

AT89S52的引脚如图4-2所示：

图4-2AT89S52引脚图

Fig.4-2PinofAT89S52

AT89S52性能简介：

1）主电源引脚VCC接电源端。

GND是接地端。

2）XTAL1：

反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。

XTAL2：

来自反向振荡器的输出。

3）RST：

复位输入。

当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时

4）ALE/

：

当访问外部存储器时，ALE（地址锁存允许）的输出电平用于锁存地址的低位字节。

在FLASH编程期间，引脚用于输入编程脉冲。

在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。

因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。

然而要注意的是：

每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。

如想禁止ALE的输出可在（SFR）8EH地址置0。

此时，LE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。

另外，引脚被略微拉高。

如果微处理器在外部执行外部程序时，该设定禁止ALE位无效。

5）

：

外部程序存储器的读选通信号。

由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次有效。

但在访问外部数据存储器时，这两次有效的信号将不出现。

6）

/VP：

外部访问允许端。

当保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H～FFFFH），不管是否有内部程序存储器。

注意加密方式1时，将内部锁RESET；当端保持高电平时，此间内部程序存储器。

在FLASH编程期间，此引脚用于施加12V编程电源（VPP）。

7）P0端口（P0.0～P0.7）：

P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每个引脚吸收8个TTL门电流。

当P0口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入端。

P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的低八位。

8）P1端口（P1.0～P1.7）：

P1口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1口的缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P1口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。

并因此作为输入时，P1口的管脚被外部拉低，将输出电流。

这是由于内部上拉的缘故。

9）P2端口（P2.0～P2.7）：

P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。

并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。

这是由于内部电阻上拉的缘故。

P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。

在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。

P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

10） P3端口（P3.0～P3.7）：

P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。

当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。

作为输入，由于有内部上拉电阻，那些被外部信号下拉低的引脚将输出电流（ILL）。

P3口也可作为AT89S52的一些特殊功能口，管脚功能表4-1所示：

表4-1各口线的第二功能表

Tab.4-1Thesecondfuctionofeachtable

P3口

第二功能

P3.0

RXD（串行口输入口）

P3.1

TXD（串行口输出口）

P3.2

INT0（外部中断0输入）

P3.3

INT1（外部中断1输入）

P3.4

T0（定时器0的外部输入）

P3.5

T1（定时器1的外部输入）

P3.6

（外部数据存储器“写”选通）

P3.7

（外部数据存储器“读”选通）

事物处理CPU系统以AT89S52单片机为核心构成。

详细说明如下各小节介绍。

4.1.1实时时钟芯片

井深仪需要记录各类时间发生的时间，因此在仪器中需要有实时时钟芯片，设计中选择了DS12887。

DS12887是DALLAS公司制造的并行接口实时时钟芯片，具有日历时钟、报警时钟、实时时钟功能，内部带有114字节不易失性RAM，目前在单片机系统中得到广泛的应用[2]。

图4-3DS12887引脚排列

Fig.4-3DS12887pinarrangement

1）一脚说明

DS12887采用24引脚双列直式封装。

引脚排列如图4-3所示各引脚功能叙述如下：

VCC和GND:

VCC接电源正端，VCC=±5V（以GND为参考点）。

GND接地，所有电平均以此为参考点。

MOT:

两种总线模式选择引脚。

当MOT接VCC时，选择MOTOROLA模式。

此时，总线（AD0~AD7、DS、

、AS和

）的时序与MOTOROLA系列微机的总线匹配。

当MOT接INTEL系列微机（例如8085、8088、单片机MCS—51和8096等）的总线时序匹配。

SQW：

方波输出引脚。

通过对寄存器A频率选择位RS3~RS0赋值，可以选择DS12887内部15级分频器中13个抽头之一，从引脚SQW输出。

这13个抽头所对应的方波周期在500ms（2Hz）~122.07μs（8.192kHz）之间。

：

中断请求输出引脚，低电平有效。

DS12887有周期中断、报警中断和更新结束中断，若相应的控制位允许，当中断条件满足时，就会在该脚输出一个低电平脉冲。

引脚为漏级开路输出，需要外接上拉电阻。

：

复位输入，低电平有效。

引脚保持低电平的时间应不小于200μs。

AD0~AD7：

数据/地址复用总线。

在总线周期（微处理器读或写DS12887内部寄存器或RAM期间）的前半段时间，AD0~AD7为微处理器发送的地址信号在总线周期的后半段时间，AD0~AD7为数据信息（微处理器写DS12887时，AD0~AD7为微处理器提供的数据信息。

微处理器读DS12887时，AD0~AD7为DS12887输出的数据信息）。

AS（ALE）：

地址选通输入正脉冲，用于实现总线数据/地址信号分离。

AS出现在总线周期的前半段时间（AD0~AD7为地址信号）。

AS在地址信号开始有效上升为高电平，在地址信号失效前下降为低电平。

AS的下降沿将地址锁存在DS12887内。

当DS12887与INTEL系列微机连接时，可以把CPU的ALE引脚与DS12887的AS引脚接在一起。

DS：

数据选通正脉冲。

读（高电平时）或写（低电平时）控制信号。

微处理器加到DS12887引脚DS和

的信号适当配合起来，可以实现对DS12887的读写操作。

当选用IN-TEL方式时，DS和

为读（RD）、写（WR）控制引脚，DS（RD）和

（WR）引脚所需的控制信号正好与MCS—51和MCS—96等单片机引脚

和

输出的控制信号相匹配。

：

片选信号，低电平有效。

在对DS12887的整个访问（读或写）期间，

必须保持低电平。

如果

为高电平，则不能对DS12887进行访问。

当VCC低于4.25V时，

无效。

从而禁止存取，以保护RAM中的数据。

2）寄存器分配

DS12887内部有128字节RAM。

其中4字节为寄存器，10字节用于存放实时时钟、日历和警报，114字节作为用户RAM。

它们的地址分配如图4-4所示。

这128字节大都可直接读或写，只有少数例外:

a）寄存器C和D为只读

b）寄存器A的第7位为只读

c）秒字节的最高位为只读

图4-4DS12887内部存储器地址分配

Fig.4-4DS12887interiormemoryallocation

3）时间、日历和警报单元的应用方法

a）功能

图4-4中存放秒、分、时的单元（地址分别为00H、02H、04H）的内容始终表示现时时间。

存放时、星期、日、月份和年的单元（地址分别为06H、07H、08H和09H）始终表示当前的日期。

实时时钟存放单元的初值可由程序设定。

一旦设定（写入）初值后，随着时间的推移，这些单元的内容便每秒更新一次。

秒警报、分警报和时警报这3个单元存放和05H。

这3个单元的数值由程序设定。

实时时钟秒更新时，把现时时间与警报时刻3个存放单元的内容比较，如果两者相等，且允许中断，便使

引脚变为低电平，发出报警中断。

b）正确读写时间、日历和警报单元

存放时间、日历和警报的10个字节（内部RAM地址为00H~09H）随时可读可写（00H的最高位除外）。

虽然它们的结构是双缓冲的，任何时候对它们读或写不会影响实时时钟的精确性，但是在进行数据更新时所读取的结果可能是不正确的，应该在两次数据更新的空闲时间读取数据。

常用方法是查询寄存器A的更新标志位UIP来判断更新是否正在进行。

如果PIP=1,表明一次更新即将进行，不可读取数据；如果UIP=0，表明暂时不会发生更新，此时可以读取数据。

c）数据格式

上述时间、日历和警报单元10个字节在设置初值时，可用二进制形式，也可用BCD码形式。

如果将寄存器B的DM的位置位设置为“1”，则选用二进制数；若DM设置为“0”，则选BCD码。

BCD采用压缩格式，每字节两位BCD码，且高位在前。

关于报警单元的设置作一下说明:

如果时警报、分警报和秒警报字节的最高两位不全为1，每分和每秒字节的值不大于60°，小时字节的值不大于24，则每24小时发生一次警报（采用24小时模式），或每12小时发生一次警报（采用12小时模式）。

如果某字节的最高两位均为1（COH~FFH），则该字节为不关心值。

如果警报字节为不关心值，则每小时发一次警报；如果3个字节均置为不关心值，则每秒发一次警报。

为了保证在写字节过程中不发生数据更新，在写时间、日历和报警寄存器之前，应先把寄存器B的SET位置为“1”，写完数据之后立即将SET位清“0”。

4）控制与状态寄存器

DS12887有4个寄存器，下面说明它们的功能和用法。

a）寄存器A（控制寄存器）

寄存器A的格式如表4-2所示。

其中D7为最高位。

各位功能和用法如下:

表4-2寄存器A的格式

Tab.4-2Aregisteroftheformat

位

符号

UIP

DV2

DV1

DV0

RS3

RS2

RS1

RS0

UIP：

更新正在进行标志位，只可读。

当UIP=1时，表明数据更新将很快发生。

若UIP=0，表示未来244μs之内不会发生数据更新，此时可读RAM中的时间、日历和警报信息。

UIP=不受引脚RST复位的影响。

DV2、DV1、DV0:

晶振和复位分频链控制。

DS12887在出厂时，内部晶振处于关闭状态，实时时钟不工作，不消耗内部锂电池。

若把DV0、DV1、DV2置为010，将启动晶振，实时时钟开始计时。

如果把11X（X为任意值）写入DV0、DV1、DV2，则数据更新停止，500ms以后才开始下一次更新，这称为分频链复位。

DV0、DV1、DV2的其他状态组合均关闭晶振。

RS3、RS2、RS1、RS0:

分频器抽头选择控制。

把这4位设置为不同形式，可选择15级分频器的13个抽头之一（每一抽头频率不同）。

此抽头信号在PIE、SQWE位的控制下，产生中断信号或方波输出。

也就是说，在

引脚发出的周期中断请求和时间间隔和在SQW引脚输出方波的频率，就是所选分频抽头信号的周期或频率。

b）寄存器B（控制寄存器）

寄存器B的格式如表4-3所示。

该寄存器的所有位均可读写，不受芯片内部功能的影响。

各位功能如下：

表4-3寄存器B的格式

Tab.4-3Bregisteroftheformat

位

符号

SET

PIE

AIE

UIE

SQWE

24/12

DSE

SET：

数据更新控制位，可读写，且不被RST复位修改。

若把SET位置为“1”，禁止时间和日立字节更新，此时可对这些字节进行读写。

若把SET位清“0”，则更新正常进行，每秒更新一次。

PIE：

周期中断允许控制位，可读写。

若把PIE置为“1”，则允许周期中断发生。

在这种情况下，如果寄存器C中的周期中断标志位PF为“1”，则立即把

引脚拉低，请求中断。

PF位变为“1”的周期由RS3~RS0决定。

若置PIE为“0”，则禁止周期中断。

RST复位时将使PIE位清“0”。

ALE：

警报中断允许控制位，可读写。

每次数据更新时，都自动把3个时间字节（时、分、秒）和3个警报字节（时警报、分警报和秒警报）进行比较。

若各对应字节相等，则把寄存器C的PF位置“1”，表示警报时间到。

如果警报字节有不关心字节，则比较时该字节将被忽略。

如果置AIE位为“1”，并且PF位也为“1”，则立刻把

引脚拉低，申请警报中断。

如果AIE位为“0”，则不会发生警报中断。

RST复位会使AIE位清“0”。

SQWE：

方波输出允许控制位，可读写。

如果UIE位被置为“1”，则允许在SQW引脚输出方波。

方波频率由频率选择位RS3~RS0决定；若置SQWE位为“0”，则SQW引脚保持低电平。

RST复位使SQWE位清“0”。

DM：

数据模式控制位，可读写。

若置该位为“1”，则10个字节的时间、日历和警报信息为二进制数形式；若把该位置置“0”，则BCD码。

DM位不会被RST复位所改变。

24/12：

小时格式控制位，可读写。

把该位“1”，选择24小时模式；把该位置“0”，为12小时模式。

RST复位不影响该位。

DSE：

夏令时允许控制位，可读写。

当DSE位置“1”时，允许两种特殊更新:

在四月份的第一个星期日，时间从1:

59:

59AM（上午1时59分59秒）变到3:

00:

00AM；在十月份的最后一个星期日，把时间从1:

59:

59AM改为1:

00:

00AM。

当DSE为“0”时，这种特殊修改不会发生。

此位不受RST复位影响。

c）寄存器C（状态寄存器，只读）

此寄存器的格式如表4-4所示。

寄存器C中的D7~D4定义为状态位。

读寄存器C或RST复位均可使这些位清“0”。

D3~D0未定义，读出值总为“0”。

各位功能如下：

表4-4寄存器C格式

Tab.4-4Cregisteroftheformat

位

符号

IRQF

PF：

周期中断标志位。

当探测到分频器链中抽头发生正跳变时，PF位置“1”，请求周期中断。

PF置“1”与PIE的状态无关。

AF：

警报中断标志位。

当现时时间（图4-4中时、分、秒单元）与警报时间（图4-4中时警报、分警报和秒警报时间单元）相匹配时，AF位便使“1”，请求警报中断。

如果此时AIE为“1”，便拉低引脚

，发出警报中断请求信号。

UF：

更新结束中断标志位。

每次数据更新结束便立即把UF位置“1”，请求更新结束中断。

如果此时UIE为“1”，便拉低引脚

，发出更新结束中断请求信号。

IRQF：

发出中断标志位。

当对应的3个中断标志位（PF、AF和UF）中至少有一个为“1”，且对应的中断允许控制位（PIE、AIE和UIE）中至少有一个为“1”，即至少有一个满足中断条件，便将引脚

拉低，发出中断请求，同时也把IRQF位置“1”。

IRQF为“1”表明至少发出了一个中断请求。

由此推出逻辑表达式为IRQF=PF*PIE*+AF*AIE+UF*UIE。

d）寄存器D（内部锂电池状态标志，只读）

寄存器D的格式如表4-5所示。

寄存器D的所有位置只可读而不可写。

其中D6~D0未定义，读出值总为“0”。

VRT位功能如下：

VRT：

电池状态标志位。

这一位在出厂时已由DALLAS公司置为“1”，锂电池正常时读取应为“1”。

如果读出为“0”，说明内部锂电池已耗尽，此时内部RAM和各时间单元的数据已不可信。

表4-5寄存器D格式

Tab.4-5Dregisteroftheformat

位

符号

VRT

4.1.2数据存储芯片选择

钻井过程中要记录的数据有当前日期、时间、累计工作时间、累计空闲时间、当前井深等。

若选择1m井深记录一次数据，一口井最深10000m，一个记录按16字节计算，则保存整

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