高精度电子压力计的研究(中)

62系统总体方案设计本文所研究的电子压力计应用环境为油井，井下温度高、压力大，因此在进行系统方案设计时应充分考虑仪器的使用条件，提出合理的性能指标与功能要求。本章根据目前国内外电子压力计的发展水平和其使用的环境确定了系统的性能指标和功能要求，并以这些性能指标与功能要求为依据，进行系统的总体方案设计。2.1系统功能要求与性能指标2.1.1系统功能要求电子压力计设计分为硬件设计和软件设计两个部分，而软件设计又包括下位机软件和上位机软件，在本文中，上位机软件称为数据管理平台。电子压力计根据管理平台设置的工作参数（包括采样时间、工作时间）定时采集井下温度和压力数据，并同时检测电源电压，存储所采集的数据。在采集间隔时间内仪器进入休眠模式以维持系统的低功耗。仪器能够与管理平台进行通讯并将采集数据（包括温度、压力、电源电压）上传到管理平台中进行分析处理。数据管理平台具有方便、灵活的人机界面，可建立仪器管理库，具有添加或删除仪器、设置仪器工作与通讯参数、测试仪器、标定仪器等功能。管理平台在接收到采集数据后，将数据存入数据库中，并且可以实现数据融合、数据显示、曲线显示、数据打印。2.1.2系统性能指标为了能够在复杂多样的井况中设计最适合现场使用的电子压力计，必须对电子压力计的主要性能指标有充分、深入的认识。电子压力计的主要性能指标包括如下几个方面：（1）量程：电子压力计量程包括压力量程和温度量程，这是保证电子压力计正常工作的极限压力及温度值；（2）精确度：电子压力计精确度是电子压力计的系统误差和随机误差的综合表现，即精密准确的程度，它是衡量压力计的测量值与真实值的一致程度的指标，为了获取真实可靠的地层压力资料，电子压力计的精确度越高越好；（3）灵敏阈：电子压力计灵敏阈是能够影响压力计示值按规律变化的最小压力。如果该压力计的灵敏阈较差，电子压力计采集的压力数据会出现机械式压力计常见的走台阶现象；（4）漂移：电子压力计漂移即电子压力计的稳定性，是电子压力计在同样稳定压力条件下，电子压力计的压力采样数据随时间变化的程度。2系统总体方案设计7根据电子压力计的功能与性能要求，确定所设计的电子压力计主要性能指标为：（1）压力测量范围：0~40Mpa；（2）温度测量范围：－40℃~125℃；（3）仪器工作温度范围：－40℃~125℃；（4）仪器耐压：60Mpa；（5）压力测量精确度：0.1%FS；（6）温度测量精度：±0.2℃；（7）数据采样周期：5秒~2小时，步长1秒；（8）井下连续工作时间：0～25天，步长1秒；（9）数据存储容量：0～40万组采样数据（温度、压力、电压）。除满足以上性能要求以外，与同类电子压力计相比，本文所研究的电子压力计还具有自身的特点，主要表现在如下几个方面：（1）采用USB转UART桥接方式与计算机进行通讯，支持即插即用，使用方便快捷；（2）在直读模式和上传采集的数据时，通过USB总线对仪器供电，节约了使用成本；（3）采用基于“Stretching”技术的PSO算法的人工神经网络进行温度和压力数据融合，有效地提高了系统的精度。2.2系统总体方案设计系统的设计思路为：首先根据系统所需实现的功能对电子压力计进行模块划分（如分为电源模块、采集模块、通讯模块等），然后按照各模块进行硬件电路设计与调试，最后将各模块进行连接完成整个电路的设计与调试；结合硬件完成仪器下位机软件设计；使用计算机高级语言编写数据管理平台；将仪器与管理平台通讯，完成系统联调。在进行方案设计时，必须重点考虑以下几点：（1）电子压力计工作温度范围宽，最高达到125℃，因此必须选择耐高温的MCU和电子元器件[6]，并且为经过严格测试的产品；（2）油井井下安装空间狭小，因此在进行电子压力计硬件电路设计时应当尽量使用封装小的芯片和多层PCB板设计的办法以减小体积与重量；（3）仪器井下工作环境恶劣，干扰大，在油水中浸泡时间长，容易出现短路、采集不到数据等故障，因此在硬件结构设计时必须考虑易于密封、稳定性好，可靠性高等要求；（4）仪器在井下工作时间最长为25天，电池容量有限，电池供电不足时所采集的数据其精度急剧下降，因此在保证系统稳定与可靠的前提下，须尽量将功耗降到最低；西安科技大学硕士学位MATCH_ word word文档格式规范word作业纸小票打印word模板word简历模板免费word简历 _1714114458595_08（5）存储数据为40万组，须选用大容量的数据存储器。2.2.1系统工作原理与硬件结构电子压力计采用存储模式工作时，仪器使用3V电池组供电，电池组和仪器组成一体，接通电源后仪器即开始工作，使用井用钢丝将仪器吊下井采集数据，工作结束后，从井中取出，对所采集的数据通过管理平台进行回放和分析处理，这种工作模式操作简单，使用方便，可广泛应用于油水井的静压、流压和地层恢复压力等的测量。标定、检验时，电子压力计需要采用在直读模式，USB总线向电子压力计提供电源，上电后，仪器开始工作，将采集的数据实时上传至计算机中进行分析处理和显示等。系统的硬件结构框图如图2.1所示，从图中可以看出，电子压力计硬件以ADuC834微转换器为核心，外接电源管理模块、压力和温度信号采样与转换电路、时钟模块、USB转UART桥接通讯模块和数据存储模块；数据管理平台主要是指通过计算机编程实现的人机操作界面。同步串行外设接口模块SPI辅A/D转换模块主A/D转换模块定时/计数器T0异步串行外设接口UART数据存储器USB转UART桥接器时钟电路ADuC834微转换器温度传感器压力传感器8051内核信号转换与放大电路信号转换电路电池组电池管理模块电源接口温度压力计算机USB接口数据管理平台图2.1系统硬件结构框图仪器各模块的功能与工作原理分别描述如下：（1）ADuC834：完成信号采集、各外设模块管理等功能；（2）电池组：为两节1.5V电池串联组成，为电源管理模块提供3V的直流电压；（3）电源管理模块：将3V电压升压到3.3V和5V，其中3.3V电源向单片机和数据存储模块供电，5V电源向时钟模块等其它外围电路供电；（4）压力传感器：为电阻式平衡全桥电路，总阻值为1500Ω；（5）压力信号放大与转换电路：向压力传感器提供电流为3.8mA的恒流源，并将电桥输出的电压信号通过仪表放大器放大，送入单片机的16位A/D转换通道中；（6）温度传感器：为PT1000，温度系数0.4%；（7）温度信号转换电路：向温度传感器提供电流为400μA的恒流源，并将温度信号送入单片机的24位A/D转换通道；（8）时钟电路：为单片机定时采样数据提供基准时钟信号，频率为2MHz、1MHz、2系统总体方案设计90.5MHz、250kHz、125kHz、62.5kHz可选；（9）USB转UART桥接器：将单片机的UART转换为USB接口，与管理平台实现通讯；（10）数据存储器：大小为2兆字节，最大可存储40万组温度（16位）、压力（16位）和电源电压（8位）数据，与单片机的通讯接口为同步串行接口SPI。2.2.2系统软件功能划分在软件设计中，采用自顶向下的设计思想，首先开发主程序，然后分别开发各个功能模块的子程序。根据电子压力计的功能要求将软件设计分为下位机软件和上位机软件两个部分。下位机软件实现了压力、温度、电源电压信号的采集与存储，仪器休眠与唤醒，与上位机通讯等功能。上位机软件实现电子压力计的数据管理平台，包括仪器管理、仪器检定、数据处理等功能模块。（1）下位机软件的功能划分下位机软件根据其功能要求可分为以下几个模块：主控模块、数据采集模块、数据存储模块、通讯模块、定时唤醒模块。主控模块：完成对系统的初始化工作，包括I/O端口初始化、A/D初始化、SPI初始化、UART初始化、定时器初始化等，并循环判断仪器工作方式。数据采集模块：按照设置的工作时间和采样周期对压力和温度传感器信号进行采集与转换，完成数字平均值滤波处理。数据存储模块：采样数据通过SPI口存储到外部FLASH中，上传数据时，外部FLASH中的数据通过SPI口读取。通讯模块：实现仪器与管理平台的数据通讯，将采样的数据上传至管理平台中，并能够接收管理平台的工作参数设置。定时唤醒模块：由于仪器需要长时间连续在井下工作，故采用间歇式工作方式来实现低功耗要求。单片机大部分时间处于掉电状态，只有在采集信号或与管理平台通讯时，才处于工作状态，定时唤醒模块实现单片机的定时唤醒功能。（2）上位机软件的功能划分仪器在井下完成数据采集与存储后，需要将储存于外部FLASH中的采样数据回放出来或者采集完数据后实时上传至计算机中，因此上位机软件主要完成对采样数据的回放、保存、显示、融合、分析等。按照功能模块划分，上位机软件主要的功能模块有：仪器管理、仪器检定、仪器设置、数据管理和使用帮助。仪器管理：包括添加仪器、删除仪器、测试仪器。可进行新的电子压力计的添加与删除，对仪器的功能进行测试以判断仪器是否存在故障。仪器检定：包括仪器检查与仪器标定。仪器检查主要是测试仪器与管理平台通讯是西安科技大学硕士学位论文10否正常；仪器标定是通过本仪器的标定数据通过数据融合算法计算出本仪器的最优神经网络权值。仪器设置：包括工作参数设置与串行通讯设置。工作参数设置为仪器下井前设置采样周期与连续工作时间；串行通讯设置包括选择通讯端口、设置通讯速率等。数据管理：包括数据上传、数据融合、查阅历史、曲线显示、打印等。主要完成采样数据的上传、保存、融合、显示等功能。2.3本章小结本章对所研究的电子压力计提出了具体的功能要求与性能指标，并对系统进行了总体方案的设计，明确了研究思路，分析了系统的工作原理与硬件结构，划分了软件功能模块，为论文的进一步研究奠定了基础。3系统硬件电路设计113系统硬件电路设计3.1单片机及外围接口电路3.1.1单片机ADuC834简介ADuC834是美国ADI（AnalogDeviceInc.）公司生产的与8051兼容的单片机——ADI单片机（MicroConverter），这一单片机具有三个最突出的优点：（1）集成了一个24位的高分辨率∑-△型主A/D转换器和一个16位辅助A/D转换器，内置62K的可编程程序存储器EEPROM，这一特点特别适合于测控系统和仪器仪表中；（2）用RS232或专用接口线即可实现程序在线调试和在线编程的功能，不需要专门的硬件仿真器和JTAG接口，只要一台计算机或笔记本电脑，便能完成系统软件的在线调试、编程或对系统升级；（3）集成8051内核，对于已经学习和掌握了8051单片机的人可以顺畅地过渡到采用ADuC系列单片机开发新产品[7-8]。除8051内核外，ADuC834还集成有UART和SPI标准串行接口、3个定时/计数器、12位电压输出D/A转换器、片内温度传感器、双激励电流源、时间间隔计数器等，支持间歇性工作方式，掉电保持电流仅20uA，可定时唤醒运行，其内部结构图如图3.1所示：图3.1ADuC834内部结构图西安科技大学硕士学位论文123.1.2单片机外围接口电路单片机ADuC834作为系统硬件电路的核心，与系统其它外围电路的连接关系如图3.2所示。ADuC834所使用的外设包括同步串行外设接口SPI、异步串行外设接口UART、定时/计数器、主A/D转换器、辅助A/D转换器，其中辅助A/D转换器完成压力与电压的分时采样。图3.2单片机外围接口原理框图3.2电源管理电路电源是系统的心脏，电源的好坏对整个系统的安全、正常、可靠运行至关重要。系统对功耗要求严格，因此设计电源管理电路时需要进行以下几个方面的综合考虑。（1）供电电压存储工作模式下，系统采用电池供电，供电电压3V，硬件电路用到的电压有5V和3.3V，因此需要使用升压DC-DC转换器，可首先将3V升压到5V，然后再将5V电压调节至3.3V；仪器进行通讯和直读时，5V电压通过USB总线提供，3.3V电压由CP2101片内调节输出。（2）系统功耗由于系统需要在井下长时间连续工作，为此需要采用多种方法降低系统功耗。其中最为有效的方法是对系统各部分负载实施有效的控制。在电源电路设计中，采用分模块供电，其指导思想是在某些芯片不工作时让其处于省电模式下，从而达到降低功耗的目的。（3）电压检测为保证测量精度以及系统的可靠运行，电源电压的检测是必不可少的环节。一方面，如果电池电量不足而将仪器放入井下工作，会使整个测试工作前功尽弃；另一方面，一旦电池电压低于工作电压，会使仪器精度大大降低或不能正常工作。图3.3为电源管理电路原理图。电源由3V电池组供电，首先利用升压DC-DC电源转换器MAX856将电压上升至5V，向单片机与外部数据存储器以外的其余芯片供电。3系统硬件电路设计13MAX856是一种高效的CMOS电源变换器，其输入电压0.8V～6V，输出电压可选择3.3V或5V，在100mA的负载下效率可达85%，最大输出电流500mA，最大静态电流60μA，具有阈值1.25V的低电压输入和输出，变换器可由低电平关断，关断电流1μA。MAX856内部无振荡器，但集成有开关管MOSFET，其频率调制过程是：重载时，频率通过峰值限流电路实现，它允许电感的电流在限制的峰值和另一较低的值之间变化。MOSFET的导通电阻为1Ω，压降约为500mV；轻载时，其开关频率由一对单稳触发电路控制，最小关断时间为1μs，最大导通时间为4μs，开关频率取决于负载和输入电压，可达500kHz。该MOSFET有低的栅极开启电压，可保证在0.8V的低电压下工作。电池组/SHDN1LBO2LBI3REF4LX5OUT63/57GND8MAX8561N58195V/SHDN1GND2IN3OUT4SET5MAX8863RP0.0AIN4+100uF0.1uF+10uF1uF47uH20pF510K100K5K100K3.3V8.2K图3.3电源管理模块电路图中，通过调节线性稳压器MAX8863的外部电阻，将5V的电压调节至3.3V，对单片机与外部数据存储器供电。MAX8863噪声低、体积小、价格便宜，并具有短路保护、温度保护、电量不足关闭和电池反接保护等功能，这些特点满足该系统井下工作的要求。针对电池电压可能出现因电量不足而影响仪器精度的情况，设计电源电压检测电路。在电池的正负两端之间接入由510K和100K串联的电阻，100K电阻所分电压值由模拟通道AIN4输入至单片机中进行A/D转换，最后存入数据（取高8位）存储器中，当电源电压低于 规定 关于下班后关闭电源的规定党章中关于入党时间的规定公务员考核规定下载规定办法文件下载宁波关于闷顶的规定 值时，仪器停止采样数据，进入休眠模式。3.3数据采样电路3.3.1A/D转换技术（1）A/D转换技术在设计采样电路之前，必须对A/D转换器以下几个指标有所了解：模拟信号输入通道数目、转换速率、分辨率和输入范围微分非线性度（DNL）、相对精度和绝对精度[9]。通道数：对于采用单端和差分两种输入方式的设备，模拟输入通道数可以分为单端输入通道数和差分输入通道数。在单端输入中，输入信号均以共同的地线为基准；对于差分输入，每一个输入信号都有自己的基准地线，由于共模噪声可以被差分传输所消除，从而减小了噪声误差。西安科技大学硕士学位论文14转换速率：指A/D转换器在每秒钟内所能完成的转换次数。转换速率越高可以在给定时间下转换更多的数据，就能更好地反映原始信号。分辨率：模数转换器用来表示模拟量最小变化程度的技术指标。分辨率越高，信号范围被分割成的区间数目越多，能探测到的电压变量就越小。满刻度范围：指A/D转换器所允许输入的电压范围。∑-ADC△能对量程范围进行选择，可以在不同输入范围下进行配置。由于具有这种灵活性，可以使信号的范围匹配ADC的输入范围，从而充分提高测量的分辨率。微分非线性度（DNL）：在理想情况下，提高一个数据采集设备上的电压值时，模数转换器上的数字编码也应线性增加。如果对一个理想的模数转换器测定电压值与输出码的关系，绘制出的关系曲线应是一条直线。这条理想直线的离差被定义为非线性度。一个理想的数据采集设备的DNL值为0，一个好的数据采集设备的DNL值应在±0.5LSB以内。绝对精度：在一个转换器中，任何数码所对应的实际模拟电压与其理想的电压之差是一个常数，把这个差的最大值定义为绝对精度。相对精度：是指绝对精度与量程的比值。（2）∑-△ADC技术传统的ADC（如积分型、逐次比较型、闪烁型等）当分辨率很高时，将面临一系列的问题，如需要在前级设置复杂的抗混叠滤波器、误差极小的采样保持电路等，实现起来困难极大。近年来兴起的∑-△ADC技术，以极高的分辨率颇受重视。由于它克服了现在大规模集成电路中模拟器件内在的固有限制，且成本低分辨率高而得到了广泛的应用。在ADuC834中，主∑-△ADC包含两个部分：一个模拟调节器和一个数字滤波器。∑-△调节器将输入采样信号转换成数字脉冲串，脉冲串的占空比包含了数字信息。然后采用Sinc3可编程低通滤波器对调节器的输出数据进行抽样，以得到按可编程数据输出率为5.35Hz~105.03Hz的有效数据转换结果。（3）ADuC834片上ADCADuC834内部集成了两路独立的∑-△ADC，主通道ADC为24位，辅助通道ADC为16位。其中主ADC有三个差分模拟输入通道AIN1/2、AIN3/4和AIN3/2，主通道的AD输入范围在±20mV～±2.56V之间分为8档，使用时可任选一档。由于使用了∑-△转换技术，因此可以实现高达24位无丢失码的优良性能。辅助的ADC主要是用于冷端补偿，它有三个输入通道AIN3、AIN4和AIN5，其中有1个通道是片内的温度传感器，信号均为单端输入，参考点为AGND。它们的输入为非缓冲方式，有固定的输入范围：0V～参考电压。参考电压可以是内部参考电压，也可以是外部参考电压。ADuC834能自动检查参考电压是否正常。ADuC834片上独立的参3系统硬件电路设计15考电压源差分输入端：REFIN±，其差分输入范围为AGND～AVDD。在该系统中，主ADC用于测量温度，选用通道为AIN1/2，辅助ADC用于测量压力，选AIN3。3.3.2温度采样电路温度采样电路原理图如图3.4所示，图中温度传感器PT1K是阻值为1000欧姆的铂电阻，它在系统工作温度范围内线性度好，温度系数为0.4%，灵敏度高。ADuC834内两个源自AVDD的200uA内部激励电流源通过软件设置组合成一个400uA的电流源从IEXC1引脚流向铂电阻，铂电阻与阻值为4.75K的高精度电阻串联接模拟地。温度变化时，铂电阻阻值相应发生变化，由于激励电流源恒定，所以电压变化值以全差分模式从模拟通道AIN1和AIN2输入至ADC中。其中，VR为1.9V，作为压力信号外部参考电压，图中VP压力模拟信号，输入至AIN3通道。P1.2/IEXC13REFIN(-)7REFIN(+)8P1.4/AIN19P1.5/AIN210P1.6/AIN311ADuC834PT1K4.75KVRVP图3.4温度采样电路3.3.3压力采样电路（1）压力传感器工作原理压力测量采用型号为CYB-15S的溅射薄膜电阻式压力传感器，该传感器具有精度高、温度范围宽、温漂小、量程宽、体积小和耐腐蚀等特点，适合在井下恶劣环境对流体介质的测量[10]。这种传感器是由四个力敏电阻构成的平衡全桥差动电路，其结构如图3.5所示。压力传感器的电桥各臂电阻分别为R1、R2、R3和R4，这四个电阻的初始阻值相等，可用公式表达为：RRRRR====4321(3-1)U为输入电压，UO为电桥输出电压。工作时，R1和R4受拉力，R2和R3受压力，其变化分别为：11RR+Δ、22RR−Δ、33RR+Δ、44RR−Δ，四个电阻变化大小相等，满足下式：1234RRRRRΔ=Δ=Δ=Δ=Δ(3-2)西安科技大学硕士学位论文16UOU1243R1+△R1R2－△R2R4+△R4R3－△R3I1I2I图3.5压力传感器桥路全桥差动电路的输出电压为23UUUO−=URRRRRRRRRRRR⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛Δ++Δ−Δ−−Δ−+Δ+Δ+=442222331111(3-3)将式（3-1）和（3-2）代入上式，可得：ORUURΔ=(3-4)如果输入电压U不变，则上述电桥为恒压源供电，输出电压与电阻变化率呈线性关系。但是传感器的输出精度直接受供电电压精度的限制，而且从式（3-4）中还可以看出，输出电压还与电桥的电阻值有关，在实际使用情况下，电桥各电阻随温度的变化而变化，传感器输出电压还受到了温度的影响，因而恒压电桥输出电压与供电电压的线性关系较差，如果采用恒流源供电，则可以避免这一缺点。由图3.5可得：11322412()()IRRIRRIII+=+⎧⎨=+⎩(3-5)解得方程组得：2411234RRIIRRRR+=+++(3-6)1321234RRIIRRRR+=+++(3-7)全桥差动电路的输出电压为：142311221234oRRRRUIRIRIRRRR−=−=+++(3-8)4oUIR=Δ(3-9)从式（3-9）可得，采用恒流源供电时，输出电压与RΔ成正比，即与被测量成正比，输出电压与恒流源供给的电流大小、精度有关，而与桥臂电阻阻值无关，所以温度稳定性好。（2）压力采样电路3系统硬件电路设计17图3.6为压力采样电路原理图，采用AD8552中的一个运算放大器U1A构成电压跟随器。电压跟随器具有输入阻抗高、输出阻抗低的特点。当输入阻抗很高时，相当于对前级电路开路，当输出阻抗很低时，相当于对后级电路是一个恒压源，即输出电压不受后级电路阻抗影响，从而“隔离”前、后级电路，使它们互不影响，有利于后一级的电路更好地工作。而AD8552中的另一个运算放大器U1B的同相输入端与反相输入端电压相等，均为1.9V，反相输入端与一个500Ω电阻串联接地，流过传感器的电流为3.8mA，使压力传感器为恒流源供电方式。U1AAD8552V-U1BAD8552V+56732压力传感器1500R1VR4KR2R3200KR4100C20.5nFC10.1uFC31uFVPV+7V-43256＋－81INA337VCC图3.6压力采样电路CYB-15S型压力传感器在室温下采用10V电压供电，正反行程的电压输出值范围为0.170mV～16.0160mV，分别对应的压力值为0～80Mpa，各桥臂电阻为1500Ω，根据式（3-4）可得压力值变化为0～80Mpa时，相应的桥臂电阻变化值约为0.0255Ω～2.4Ω。在本研究中，由于采用3.8mA恒流源供电，根据式（3-9）可得，当压力值变化为0～40Mpa时，压力传感器的输出电压范围是0.3876mV～18.24mV。辅助ADC外部参考电压VR为1.9V，通过分析，电桥输出的电压值放大倍数定为100倍。采用精密仪表放大器INA337放大信号，放大倍数G由R2、R3阻值决定：322(/)GRR=(3-10)所得电压信号VP从模拟通道AIN3中输入，由ADuC834进行A/D转换。3.4USB转UART桥接通讯电路3.4.1USB通讯技术USB是英文UniversalSerialBus的缩写，中文含义是“通用串行总线”。它是一种新的支持即插即用技术的外部设备接口标准。USB总线以其方便易用、快速、标准统一、可以连接多个设备和价格低廉的特性，己经被广泛应用于各种数据传输设备。现在大部西安科技大学硕士学位论文18分的计算机都有USB接口，有人预言未来所有的总线接口都将被USB技术统一。USB接口技术为计算机间的数据传输提供了便捷的解决方案。电子压力计采用USB接口主要用于上传数据、下载井下工作参数和下位机程序，与COM端口相比，使用USB接口具有以下优点：（1）热插拔，支持即插即用，易于与计算机接口，用户使用方便。在计算机上安装USB驱动程序后，一旦仪器与计算机连接，USB会自动检测识别，支持动态接入和动态配置，不需要用户进行操作；（2）方便、快捷。油井现场一般使用笔记本电脑与仪器进行通讯，但是大部分笔记本电脑没有COM端口，而采用USB则可以更方便地解决接口问题；（3）总线供电。在直读模式和进行通讯时，电子压力计可以直接通过USB接口进行供电，为仪器提供3.3V的电压，使用方便。3.4.2CP2101芯片简介USB接口芯片选用的是SiliconLab公司推出的无需外部元件的USB转UART桥接器CP2101，它支持USB转串口功能，具有集成度高、低功耗、速度高(支持USB2.0)、低成本、封装小等特点，设计和使用方便。CP2101只有工业级芯片，但是它在井下不工作，其存储温度为(－55℃~125℃)，故可满足井下工作的要求。CP2101的最大优点是可以把USB当成一个普通的串口来使用，可以直接对虚拟串口和普通串口一样进行控制和数据操作，CP2101芯片内部经过一定的处理后就可以把数据变成USB的形式上传到计算机。因此，使用CP2101时可以抛开复杂的USB 协议 离婚协议模板下载合伙人协议 下载渠道分销协议免费下载敬业协议下载授课协议下载 问题而专注于硬件开发和数据传输方面的设计。3.4.3桥接通讯电路图3.7为电子压力计的USB接口电路原理图，图中CP2101的VBUS和REGIN引脚被连接到USB的VBUS端，C1和C2为REGIN的输入端去耦电容；USB的VBUS为CP2101提供5V电源，将5V电压连接至MAX856的电压输出端，CP2101在片内将5V电压调节成3.3V电压从VDD引脚输出[11]，接到MAX8863的电压输出端，因此在使用USB接口进行通讯时，USB总线可以对仪器供电。通过两个串联电阻对VDD输出的电压进行分压，将分压值接入ADuC834的引脚AIN5，仪器可以通过该引脚来判断仪器的电源是由电池供电还是计算机USB总线供电，从而判断仪器是工作在井上还是井下；使用一个10K欧姆的上拉电阻确保SUSPEND端保持在高电平。CP2101中的发送端TXD和接收端RXD分别与ADuC834的接收端RXD和发送TXD端连接，其它控制信号端与ADuC834的I/O端口连接。3系统硬件电路设计19VBUSD＋D－GNDD＋D－REGINGNDVDDTXDRXDSUSPENDRSTP3.0/RXDP3.1/TXDVBUSCP2101ADuC834C10.1uFC21uFDIODEC34.7uF10KC410uF3.3V51K3.3VUSB510K100KADuC834AIN5的引脚MAX8863OUT的引脚处MAX856OUT的引脚处+5V图3.7USB接口电路在进行通讯时，首先要在计算机中安装CP2101接口芯片的驱动程序，当把仪器接到主机的USB端口时系统会提示发现新硬件，并要求安装CP2101的驱动程序(该驱动程序为厂家提供)，安装完毕后，可以从主机的设备管理器中查询端口 内容 财务内部控制制度的内容财务内部控制制度的内容人员招聘与配置的内容项目成本控制的内容消防安全演练内容 ，此时端口设置中应该多出一项：CP2101USBtoUARTBridgeController(COMX)。该项就表明USB模块已经正常连接，并且分配了虚拟端口COMX。该端口不是固定的，连接电子压力计之前要先查看端口的内容，这样可以弄清操作系统为该USB接口分配了哪个虚拟端口号。因此电子压力计与管理平台通讯时，物理连接为USB接口，而通讯协议仍然遵循RS232协议。3.5数据存储电路ADuC834内部的数据存储器容量小，而井下采集的数据高达40万组，因此采用Atmel公司推出的具有SPI串行接口、体积小、容量大和功耗低的AT45DB161作为外部数据存储器，该芯片具有16Mbit的存储容量，可用此存放采集的温度、压力和电源电压数据。3.5.1SPI同步串行通讯技术SPI（SerialPeripheralInterface，串行外围设备接口）是一种工业标准的同步串口，同时同步地发送和接收8位数据，即全双工工作方式，主要应用于EEPROM、FLASH、实时时钟、A/D转换器，还有数字信号处理器和数字信号解码器之间。SPI接口是以主从方式工作，这种模式通常有一个主机和一个或多个从机，其接口包括以下四种信号：（1）MOSI－主机数据输出、从机数据输入；（2）MISO－主机数据输入、从机数据输出；（3）SCLK－时钟信号由主器件产生；（4）/SS－从机使能信号、由主机控制。SPI接口在由主机产生从机使能信号和移位脉冲时，数据按位传输，其中高位在前，西安科技大学硕士学位论文20低位在后，数据传输速度可达到几兆比特每秒。在SCLOCK的下降沿上数据改变，同时一位数据被存入移位寄存器。在点对点的通信中，SPI接口不需要进行寻址操作，简单高效。在多个从机的系统中，每个从机件需要独立的使能信号，硬件设计较之点对点通信模式要复杂一些。3.5.2数据存储器与接口电路AT45DB161是大容量串行Flash存储器，适应于构成微型低功耗的测量系统。它有17301504位主存储器单元，分成4096页，每页528个bytes，除了主存储器单元外，还包含2个SRAM缓冲器，每个缓冲器有528个bytes，共2MB存储空间，当主存储器内的一页正被编程时，缓冲器照样能接收输入数据。最大时钟频率可达到20MHz，它支持页和块(1块=8页)擦除功能。AT45DB161支持SPI串口模式0和模式3访问数据，使得系统可靠性强，程序简单。ADuC834为主机，AT45DB161为从机，接口电路原理图如图3.8所示。其中，ADuC834的SCLOCK引脚作为输出，传输速率通过设置SPI的数据寄存器SPIDAT来决定。只有在从机模式中，SS引脚必须保持低电平，为保证ADuC834工作在主机模式，将SS引脚上拉至高电平。R4100KR3100KR2100KR1100KR5100K3.3V3.3VSO14SI13SCK12CS11RDY/BUSY1RESET2WP3MISO14MOSI27P2.331SCLOCK26P2.230P2.436SS13AT45DB161ADuC834图3.8数据存储电路AT45DB161的数据存取方式有4种模式，本文采用SPI3模式。在该模式下AT45DB161的工作时序如图3.9所示。对于不同的操作模式，执行相同的操作，其操作码也不相同。操作时，ADuC834首先向AT45DB161发送1个命令字节，其后跟随24位地址数据，地址数据前两位为保留位，其后12位为页选择位，最后10位为页内开始字节地址，最后根据不同的操作对SI执行不同的处理。根据系统回放数据的特点采用连续读取阵列方式读取数据，其操作代码为68H，将缓冲区数据写入主存页使用边写边擦操作，为主存储器方式写入，所有时序均高位在前、低位在后。3系统硬件电路设计21图3.9AT45DB161在SPI3下的工作时序图3.6外部时钟电路ADuC834的内核时钟源由32.768kHz晶体和振荡电路产生，在电子压力计中，通过芯片上集成的PLL（PhaseLockLoop）电路将32.768kHz倍频到1.572864MHz作为系统的内核时钟。由于仪器在油井下的工作模式为间歇式，也就是说仪器的核心电路在井下的大部分时间是处于休眠状态，为了能更好地保证系统低功耗的要求，采用外部时钟电路定时唤醒系统[12]。图3.10为外部时钟电路原理图。外部时钟电路的晶体振荡频率为4MHz，晶体产生的正弦信号经过74HC04的两个首尾相接反相器反相后得到方波信号。振荡器输出的方波由74HC590做64分频，信号由ADuC834内的定时/计数器0计数，从而实现采集间隔可在5秒~2小时内自由设置。4MHz27pF27pF1M2KU2B74HC04U2E74HC04CCLK11RCLK13E14Q0Q4～Q5574HC5904MHzP0.7P0.3～P0.28P3.4/T09ADuC834图3.10外部时钟电路3.7本章小结本章完成了电子压力计硬件电路设计。首先针对系统的核心ADuC834单片机作了简要的介绍，并描述了与其它电路的接口关系；然后分别对电源管理电路、温度和压力采集电路、USB转串行通讯电路、数据存储电路等部分进行了设计，并对各部分电路的功能和工作过程作了较详细的论述。西安科技大学硕士学位论文224数据融合技术及应用测试系统中，精度是反映测试系统误差的一个最为关键和重要的性能指标，是系统误差与随机误差的综合。电子压力计的误差定义为非线性误差（即拟合误差）和重复误差之和，是系统误差和随机误差的综合表现。系统的随机误差主要是由于油井工作环境恶劣，在信号采集的过程中经常受到外界的干扰而产生的，可采用数字滤波技术提高采样的可靠性和减小系统的随机误差。系统的非线性误差主要是由于压力传感器存在非目标参量的交叉灵敏度而造成的，其表现为压力传感器的输出不仅仅取决于目标参量，还受诸如温度、电源等环境因素的影响，而且这些因素又相互关联、相互作用，存在交叉干扰现象，使得传感器的输出信号不能准确地反映被测物理量，造成测量准确度不高，稳定性差等问题[13]。在诸多非目标参量中，以温度对压力传感器的交叉干扰最为显著，大大降低了系统的精度。本系统利用基于PSO算法的人工神经网络方法对压力数据与温度数据进行融合，有效地提高了系统的精度。4.1数字滤波技术数字滤波技术是指输入输出均为数字信号的系统通过一定的算法对采样信号进行平滑加工，消除或减少各种干扰和噪声，以保证系统的可靠性和精度的一门技术。可以看出，系统的输入是一组（由模拟信号取样和量化的）数字量，其输出是经过数字变换的另一组数字量。与模拟滤波相比较，数字滤波具有如下优点：（1）数字滤波只是一个计算过程，无需硬件，因此可靠性高，并且不存在阻抗匹配、特性波动、非一致性等问题，模拟滤波器在频率很低时较难实现的问题不会出现在数字滤波器的实现过程中；（2）只要适当改变数字滤波程序有关参数，就能方便的改变滤波特性，使用灵活方便。4.1.1几种常用的滤波算法常用的数字滤波算法有限幅滤波法、中值滤波法、基于拉依达准则的奇异数据滤波法、算术平均法、滑动平均法、加权滑动平均法等。前三种方法主要用于克服大脉冲干扰，后面的方法主要用于抑制小幅度高频噪声。下面分别对几种常用的滤波算法做简单介绍。中值滤波算法是对某一被测参数连续采样n次（一般n应为奇数），然后将这些采样值进行排序，选取中间值为本次采样值。中值滤波算法运算简单，在滤除脉冲噪声的4数据融合技术及应用23同时可以很好地保护信号的细节信息，但是一般适合于缓慢变化的信号。算术平均滤波算法是N个连续采样值相加，然后取其算术平均值作为本次测量的滤波值。平均值滤波法是指对连续N次采样值进行算数平均，其数学表达式为：11NiYYiN==∑(4-1)式中，Y——N个采样值的算术平均值；Yi——第i个采样值。这种方法的滤波效果主要取决于采样次数N，当N值较大时，平滑度高，但灵敏度低；当N值较小时，平滑度低，但灵敏度高。滑动平均值滤波采用队列作为测量数据存储器，队列的长度固定为N，每进行一次新的测量，把测量的结果放于队尾，而扔掉原来队首的一个数据，这样在队列中始终有N个新的数据。计算平均值时，只要把队列中的N个数据进行算术平均，就可得到新的算术平均值。这样每一次测量，就可以得到一个新的算术平均值。这种方法平滑度高，灵敏度低，但是对偶然出现的脉冲性干扰的抑制作用差。加权滑动平均值滤波是增加新的采样数据在滑动平均中的比重，以提高系统对当前采样值的灵敏度，即对不同时刻的数据加以不同的权。通常越接近现时刻的数据，权值取得越大。这种方法对采用周期较长，变化缓慢的信号滤波效果较差，因为不能迅速反映系统当前所受干扰的严重程度。4.1.2去极值平均滤波算法电子压力计在井下工作时，既有由外部环境偶然因素引起的突变性扰动或仪器不稳定引起误码等造成的尖脉冲干扰，也有由电子器件热噪声、A/D量化噪声等产生的小幅度高频电子噪声。由于采用间歇方式对压力、温度和电压数据进行采样，因此对数据变化速度要求不高，为了节省存储空间，数字滤波算法在下位机软件中完成。综合上述滤波技术的优缺点和本系统的特性，采用去极值平均滤波算法对采样信号进行数字滤波处理。去极值平均滤波算法是一种混合滤波，先用中值滤波算法滤除采样值中的脉冲性干扰，然后把剩余的各采样值进行平均滤波。连续采集N次，剔除其最大值和最小值，再求余下N-2个采样的平均值。仪器每次进行采样时，分别对压力、温度和电压信号采集22次，先将采集的数据存入缓冲区中，然后剔除最大和最小值，最后对剩余的20个数据进行算术平均值滤波，取其平均值作为本次采样的结果存入外部数据存储器中。西安科技大学硕士学位论文244.2数据融合技术4.2.1数据融合的基本概念数据融合（Datafusion）一词出现在20世纪70年代，并于80年代发展成一项专门技术，是通过对来自多种类传感器的数据进行多级别、多方面、多层次的处理与综合，以期获得比单传感器更丰富、更精确、更可靠的有用信息。它是人类模仿自身信息处理能力的结果。数据融合本质上不但是一种数据处理方法，而且是认识世界和改造世界的科学方法，是建立和谐的人机环境的基础。一般概念上讲，数据融合就是指充分利用不同时间与空间的多传感器信息资源，采用计算机技术对按时序获得的多传感器观测信息在一定准则下加以自动分析、综合、支配，获得对被测对象的一致性解释与描述，以完成所需的决策和估计任务，使系统获得比它的各组成部分更优越的性能。它的过程复杂并且具有适应性，需要对大量、不确定的多种信息进行处理得出融合结果，并转换为对环境有意义的信息。4.2.2数据融合的结构形式数据融合可以提高一个具有多个传感器的智能检测系统的性能，减少全体或单个传感器检测信息的损失，它的结构有串行、并行和混合融合三种，如图4.1所示。传感器1传感器2传感器N传感器N输入传感器1输入传感器1输出传感器2输入传感器2输出最终结果(a)串行融合结构4数据融合技术及应用25(b)并行融合结构(c)混行融合结构图4.1多传感器数据融合的结构方式由图可见，串行融合时，当前传感器要接收前一级传感器的输出结果，每个传感器既有接收信息处理信息的功能，又有信息融合的功能，前级传感器的输出对后级传感器输出的影响大。并行融合时，各个传感器直接将各自的输出信息传输到传感器融合中心，传感器之间没有影响，融合中心对各信息按适当方法综合处理后，输出最终结果。因此，并行融合时，各传感器的输出之间不存在影响。混行融合结构是串行融合和并行融合两种融合方式的结合，可分为总体串行局部并行和总体并行局部串行两种方式[14]。本系统中应用压力传感器和温度传感器进行并行数据融合处理，可以消除使用单类型传感器检测的不确定性，提高了电子压力计测量的可靠性，可获得更高精度的压力数据，从而对油井环境有更准确的认识。4.2.3数据融合的层次数据融合可以分为三个层次：像素层融合、特征层融合和决策层融合。（1）像素层融合像素层融合是直接在采集到的原始数据的层次上进行的融合，在各种传感器的原始观测信息未经预处理之前就进行的综合和分析。像素层融合能保持尽可能多的现场数据。西安科技大学硕士学位论文26（2）特征层融合特征层融合先对来自传感器的信息进行特征提取，然后对特征信息进行综合分析和处理。特征层融合实现了对可观信息的压缩，有利于实时处理，并且由于所提取的特征直接与决策分析有关，因而融合结果能最大限度地给出决策分析所需要的特征信息。（3）决策层融合决策层融合是一种高层次融合，其结果为检测、控制、指挥和决策提供依据，决策级融合从具体决策问题的需求出发，充分利用特征层融合的最终结果，直接针对具体决策目标，融合结果直接影响决策水平。决策层融合中心处理代价低，具有很高的灵活性，且通信量小，抗干扰能力强，对传感器依赖小，并能有效反映环境或目标各个侧面的不同类型信息[15]。4.2.4数据融合的方法数据融合所采用的主要方法有以下几种[16-17]：（1）经典推理和统计方法：经典推理和统计方法是在已知先验概率的情况下，求取所观察事件的概率，它建立在牢固的数学基础之上，但存在严重不足；（2）贝叶斯推理方法：解决了经典推理方法的某些困难，贝叶斯推理在给定一个预先似然估计和附加证据的条件下，能更新一个假设的似然函数；（3）Dempster-Shafer：是贝叶斯技术的推广，利用概率区间和确定区间来决定多元假设的似然性；（4）模糊集理论：应用广义的集合论以确定指定集合所具有的隶属关系，模糊集合是这样的一个集合，其隶属关系不是一个布尔判定元素，模糊集理论正在开始用于含有不精确事件的判断分析中，模糊逻辑对属性的融合推理更有意义；（5）聚类分析：采用若干方法，根据预先制定的相似标准，把观测分成一些自然组；（6）估值理论：根据估计准则，对目标进行估计，通常是越接近真实值越好，它所用技术比较成熟，包括最小均方估计、极大似然估计、极大后验估计、线性最小方差估计和最小二乘估计等；（7）熵法：用于融合系统的一种新技术，计算与假设有联系的信息内容的度量值，熵法在对采用经验或主观概率进行备选假设估计的系统中，有着潜在的用途；（8）品质因数（FOM）技术：依据观察数据和先验加权系数，计算观测和目标属性之间的相似度，FOM方法经常用于相关和自相关方案中，以进行联系程度的定量说明；（9）专家系统或人工智能技术：是一组计算机程序，它试图模拟专家对专业进行决策和推理的能力；4数据融合技术及应用27（10）人工神经网络技术：人工神经网络的研究是从人脑的生理结构出发来研究人的智能行为，模拟人脑信息处理的功能；（11）分布式和并行处理技术：主要指处理结构。这些方法各有优缺点，本文采用人工神经网络完成压力和温度数据的融合，将压力传感器存在非目标参量的交叉灵敏度降到最低，从而提高系统的精度。4.3人工神经网络人工神经网络是一门发展十分迅速的学科，它作为对人脑最简单的一种抽象和模拟，是探索人类智能奥秘的有力工具。人工神经网络涉及到生物、电子、计算机、数学和物理等学科，有着广泛的应用前景。4.3.1人工神经网络及其特点人工神经网络是对生物神经系统的模拟，其信息处理功能是由网络单元(神经元)的输入输出特性（激活函数）、网络的拓扑结构（神经元的连接方式）所决定的。按突触修正假说，当神经网络的拓扑结构确定后，其学习（训练）神经网络实际上是以一种简单计算过程；以单元（即神经元）为节点，采用某种网络拓扑结构的活性网络，可以用来描述几乎任意的非线性系统。人工神经元是人工神经网络的基本单元，也称作（信息）处理元素、单元、细胞、节点和神经节[18]。图4.2为神经元模型，其中0kx，1kx，…，nkx表示其它神经元的输出，0kω，1kω，…，nkω为其它n个神经元与第k个神经元的连接权值，ku为该神经元输入的加权和，()ϕ⋅为激励函数，kd为神经元的阈值，ky为该神经元的输出。图4.2神经元模型神经元之间的连接强度由各连接上的权值表示，权值为正表示激活，为负表示抑制，激励函数起非线性映射的作用，将神经元输出幅度限制在一定范围内。用数学方式表神经元为：西安科技大学硕士学位论文281nkkiiiuxω==∑，kkkvud=−，()kkyvφ=(4-2)神经网络具有学习能力、记忆能力、计算能力以及各种智能处理能力，可以在不同程度和层次上，模仿人脑神经系统的信息处理、存储和检索的功能。与传统的算法相比，人工神经网络的优越性主要表现在如下几个方面：（1）神经网络具有高度的并行结构和并行实现能力，因而有较好的耐故障能力和较快的总体处理能力，这一特性适合于实时和动态控制；（2）非线性映射神经网络具有固有的非线性特性，这源于其近似任意非线性映射（变换）能力；（3）通过训练进行学习神经网络是根据系统过去的数据记录进行训练的，一个经过适当训练的神经网络，具有归纳全部数据的能力，因此，神经网络能够解决那些用数学模型或描述规则难以处理的问题；（4）神经网络通过调节权重和神经元，能够实时处理大量数据集；（5）具有泛化功能，能够处理带有噪声的或不完全的数据。4.3.2人工神经网络的分类人工神经网络有多种不同的分类方法。例如：按照神经网络学习或需要的训练类型，或者能够完成的各种应用，使用的是激励函数还是基函数，是递归的还是非递归的，以及训练输入类型等等。人工神经网络较常见的分类方法是按照网络结构分为前馈网络和反馈网络。图4.3是一种典型的多层前馈神经网络结构，由具有多个节点的输入层、隐含层和多个或一个输出节点的输出层组成。每个节点表示单独的神经元，各神经元接受前一级输入，并输出到下一级，无反馈。输入、输出节点称为可见层，其它中间层称为隐含层。