电子随钻测斜仪电路设计(二)

图9电路总图
3）存储器
 片内4352字节数据RAM；64KBFlash程序存储器可作非易失性存储；外部可扩展的64KB 数据存储器接口
4）数字外设
 8个8位的端口I/O；I2CSPI2个增强型UART串口；可编程的16位计数器/定时器阵列(PCA)；5个通用16位计数器/定时器；专用的看门狗WDT
5）JTAG调试和边界扫描接口，可实现在线实时动态调试。
 由以上特点可以看出，C8051F单片机具有丰富的片上硬件资源及高运算速度，这为实现复杂的控制算法提供了保障，而且几乎不需系统扩展即可满足控制系统对硬件资源的需求，极大地提高了系统可靠性。
（二）电源电路
 本系统的绝大多数芯片使用3V和5V电源，如C8051F020、SCA100T、MAX232ACSE的电源等。嵌入式控制系统的MCU一般都需要一个稳定的工作电压才能可靠工作。如果采用线性稳压器件作为电压调节，将较高的直流电压转变MCU所需的工作电压，则这种线性稳压电源的线性调整方式在工作中会大的“热损失”，其工作效率仅为30%～50%，从而使嵌入式控制系统的稳定性能变得更差。

 图11 电源电路
 而开关型电源调节器件则以完全导通或关断的方式工作。因此，工作时要么是大电流流过低导通电压的开关管、要么是完全截止无电流流过。因此，开关稳压电源的功耗极低，其平均工作效率可达70%～90%。在相同电压降的条件下，开关电源调节器件与线性稳压器件相比具有少得多的“热损失”。因此，开关稳压电源可大大减少散热片体积和PCB板的面积，甚至在大多数情况下不需要加装散热片，从而减少了对MCU工作环境的有害影响。
 采用开关稳压电源来替代线性稳压电源作为MCU电源的另一个优势是：开关管的高频通断特性以及串联滤波电感的使用对来自于电源的高频干扰具有较强的抑制作用。此外，由于开关稳压电源热损失的减少，设计时还可提高稳压电源的输入电压，这有助于提高交流电压抗跌落干扰的能力。
 考虑各种电源的综合功耗等因素，5V电源采用功率较大的LM2576系列开关型直流稳压电源，LM2576系列开关稳压集成电路是线性三端稳压器件，它具有可靠的工作性能、较高的工作效率和较强的输出电流驱动能力，从而为MCU的稳定、可靠工作提供了强有力的保证。3V电源需要功率小，采用AMS1117串连型直流稳压电源。另外为了以后扩展考虑，该系统还专门为AD设计了模拟3V和5V模拟电源，模拟电源和数字电源利用电感隔离，模拟地和数字地单点接地并利用电感隔离。LM2576为宽电源输入，输入电压范围为7V~40V，AMS1117的输入电源可直接利用LM2576的5V输出电源。在输入端和公共地之间加上一个100F的电解电容，用来滤去电源输入端大的纹波，使输入电压稳定；输出端电容用来改善输出电压纹波特性。电源电路如图11所示。
（三）晶振电路
 C8051F020已经内置RC振荡线路，可以产生2M、4M、8M的振荡频率。不过，内置的毕竟是RC振荡，在一些要求较高的场合，比如要与RS232通信需要比较精确的波特率时，建议使用外部的晶振线路。查使用手册，晶振选择11.059MHz。如图12为C8051F020的晶振电路。

 图12晶振电路
（四）复位电路
 设计单片机电路时必须设计上电复位电路，使单片机从一个确定状态，一个确定位置执行程序，另外由于干扰引起程序运行错误、死锁时，也需要按键式单片机复位，所以复位是一个很重要的操作[7]。C8051F020已经内置了上电复位设计，但多数复位都是靠外部电路实现的，如图13所示：需要接电阻到VCC。为了可靠，再加上电容以消除干扰、杂波。当C8051F020在工作时，按下按键开关时，复位脚变成低电平，触发C8051F020芯片复位。

图13 复位电路
（五）串行通讯电路
 为了和上位机通信，上下位机采用RS232通信标准。RS232是美国电子工业协会EIA制定的串行总线标准，适用范围为通讯设备之间距离不大于15m，传输速率最大为20Kb/s。它既是一种电气标准，又是一种物理接口标准。
 由于RS-232信号的电平和单片机串口信号的电平不一致，所以必须进行二者之间电平转换。在此使用的集成电平转换芯片MAX232为RS232/TTL电平转换芯片。它只使用单+5V为其工作，配接4个1F电容即可完成RS232电平与TTL电平之间的转换。其电路原理图如图14所示。采用三芯传输，转换完毕的串口信号TXD、RXD直接和上位机串口连接 。
 在串行通信中，核心元件C 8 0 5 I F 0 2 0 具有硬件实现的S P I ，S M B u s /I2C和2 个U A R T串行接口，都可以进行数据的串行通信。本文采用UARTO口 进行数据串行通信[8]。

 图14串行通讯电路

（六）传感器连接电路
 传感器的连接采用C8051F020的SPI（Serial Peripheral Interface）串行接口, SPI串行接口为主-从工作模式,由一个主机和一个或几个从机组成 ,主机是徽型计算机（单片机） ,用于发送时钟、命令和传输数据。在主-从工作模式中,传感器SCA100T内部的专用集成电路（ASIC） 始终是一种从机工作方式[9]。如图15所示。

 
 图15传感器连接电路
3.5 软件设计
 软件的开发调试使用新华龙公司的集成开发环境，Silicion Laboratories的开发工具实质上就是PC的IDE调试环境软件及PC的RS232或USB口到C8051F单片机的JTAG口的协议转换器的组合，适配器（EC2）一端与PC相连，另一端与C8051F单片机JTAG口相连，应用Silicion Laboratories公司提供的调试环境进行非侵入式全速的在系统编程（ISP）和调试。如图16所示。
 
 图16软件调试组成
 程序采用C语言编写，主要包括C8051F和SCA100T初始化程序，数据采集程序、串口通讯程序等，在Silicion Laboratories的开发环境中利用Keil工具源程序级调试，可单步运行、运行至断点、有条件存储器点(数据断点)、寄存器数据存储器以及程序存储器的检查与修改，界面如图17所示。
 
 图17软件调试界面
4 结论
1）电子随钻测斜仪采用了传统的机械结构与现代传感器技术和电子技术相结合的方式，提高了测量精度，简化了工具结构，缩短了测量时间；
2）仪器还有不完善之处，一些电路和机械结构还需要细化，一些电子元器件还需要进一步选择，电路的抗干扰能力和抗震性能需要加强；
3）下一步仪器中可以添加磁通门传感器，实现测量方位角等功能，增强仪器的功能和使用范围。
参考文献：
[1]   王若. 随钻测量技术发展史[J]. 石油仪器.2001，15（2）：5-7，15
[2]   桂德洙. 浅谈钻井测斜仪[J]. 石油钻采工艺.1999，21（5）：45-49
 [3]   蔡文军，王平. 机械式无线随钻测斜仪结构原理及性能特点[J].石油机械.2005，33（9）：49-50
 [4] 　孙汝建.基于SPI接口的双轴SCA100T倾角传感器及其应用方法[J]. 仪器仪表用户.2006，13 (4) ：69-71
 [5]  芬兰VTITechnologies公司.SCA100T 系列双轴倾角计[EB/OL].(2004-01-20) [2007-01-04]http: ∥www. sensorworld. com. cn/magazine/detailb. asp?nid=513.
 [6]   毛 君，刘克铭，徐广明. 基于C8051F020单片机的串口通信应用[J]. 煤矿机械.2005（5）：79-81
 [7]   郭速学，朱承彦，郭楠. 图解单片机功能与应用[M]. 北京：中国电力出版社，2008.
[8]   鲍可进. C8051F单片机原理及应用[M]. 北京：中国电力出版社，2006.
[9]   VTI Technologies Data Sheet of SCA100T Series
作者简介：李华召.男.1978年3月出生.毕业于哈尔滨工程大学机械电子工程专业，从事钻井工具研究工作。

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