鉆柱振動信號采集系統(tǒng)的研究與設計
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2 系統(tǒng)的硬件設計
鉆柱振動信號采集系統(tǒng)按照功能分為數(shù)據(jù)采集模塊、單片機微控制器模塊、擴展Flash存儲器模塊、無線通信模塊和保護模塊。
2．1 數(shù)據(jù)采集模塊
系統(tǒng)選用三軸型壓電式加速度傳感器作為測振元件，此傳感器具有靈敏度高，體積小，重量輕，使用壽命長，動態(tài)范圍大，頻率范圍寬，堅固耐用，受外界干擾小等特點。
本系統(tǒng)的壓電式傳感器主要參數(shù)選擇：三軸；量程范圍±10 g；靈敏度500 mv／g；頻率范圍0～2 000 Hz；溫度范圍-40～125℃。
2．2 微控制器
本系統(tǒng)采用C8051F005作為主控芯片，它是Silicon Lab公司的12位單片機，具有64管腳TQFP封裝，SPI串行接口，12位8通道的AD，供電電壓為5 V。其中12位的AD滿足對所采集振動信號的精度要求。若所處環(huán)境要求苛刻，可適當提高芯片品級；若需提高現(xiàn)場芯片的數(shù)字運算能力，也可采用DSP替代。
2．3 數(shù)據(jù)存儲模塊
要完成振動信號的實時采集和存儲，要求系統(tǒng)具備足夠的存儲空間并且具有較高的存儲速率，需擴展外部高速存儲器。本系統(tǒng)采用三星公司的NAND結構的Flash存儲芯片——K9F1G08UOM。此芯片的各端口與C8051F005的端口連接，通過C8051F005控制端口的輸入輸出，即可方便實現(xiàn)對Flash存儲器的讀取與寫入操作。
2．4 無線通信模塊
無線技術的應用省去了現(xiàn)場布線的麻煩，為系統(tǒng)的安裝提供了更多的選擇。由于系統(tǒng)長期處于戶外作業(yè)，對信號保真度的要求較高。此外為了更好地對鉆井作業(yè)進行實時監(jiān)控，對異常情況及時作出調(diào)整，需要有較高的信號傳輸速率。綜合考慮，本系統(tǒng)采用Nordi公司的nRF905射頻收發(fā)模塊實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)收發(fā)，并提供RS-232接口，實現(xiàn)與PC機的實時直連通信。nRF905由頻率合成器、接收解調(diào)器、功率放大器、晶體振蕩器和調(diào)制器組成，具有低功耗的Shock Burst工作模式，可自動完成前導碼的工作，可由片內(nèi)硬件自動完成曼徹斯特解碼，使用SPI接口與微控制器通信，配置非常方便。
2. 5 保護模塊
由于本系統(tǒng)應用于鉆井平臺，不會經(jīng)常性地更換或維護，要求系統(tǒng)有自我檢測和恢復的能力。因此，本系統(tǒng)引入了看門狗電路和時鐘電路，通過軟硬件的結合，實現(xiàn)系統(tǒng)自我檢測、現(xiàn)場自我恢復等保護功能。
2．5．1 看門狗電路
本系統(tǒng)選用的X5045是一種集看門狗、電壓監(jiān)控和串行EEPROM 3種功能于一身的可編程芯片。這種組合設計減少了電路對電路板空間的需求。芯片中的看門狗對系統(tǒng)提供了保護功能，當系統(tǒng)發(fā)生程序故障時，自動通過RESET信號向微控制器發(fā)出復位請求。
2．5．2 時鐘電路
軟件實現(xiàn)時鐘需要編寫的程序復雜，代碼多，且單片機軟件開銷大，時間信息也不易長期保存。為避免以上問題，本系統(tǒng)采用美國Dall as公司的DS1305實時時鐘芯片非易失性地保存時間信息。它有20腳的TSSOP、16腳的DIP兩種封裝方式，工作電壓范圍從2．0～5．5V。DS1305采用BCD碼表示實時時鐘的秒、分、小時、星期、日、月和年的時間信息，并且自動對小月和閏年的日期進行調(diào)整，兼有帶AM／PM指示12小時和24小時兩種時間指示格式。
系統(tǒng)硬件功能結構圖如圖2所示。本文引用地址：http://cafeforensic.com/article/193972.htm
3 系統(tǒng)的軟件設計
系統(tǒng)軟件部分完成單片機系統(tǒng)初始化、數(shù)據(jù)采集、AD轉(zhuǎn)換、FLASH讀寫、與上位機通信等功能。軟件采用C語言編程以增加可讀性和可移植性。
通過壓電式加速度傳感器的轉(zhuǎn)換，將振動信號轉(zhuǎn)化成電壓信號。利用C8051F005內(nèi)部自帶的12位AD將模擬電壓量轉(zhuǎn)換成為數(shù)字量保存至微處理器存儲單元。程序?qū)崿F(xiàn)對3路通道的電壓信號循環(huán)采集，將采集到的振動特征數(shù)據(jù)寫入到外部Flash存儲器中暫存。
無線通信部分，在nRF905正常工作前，必須根據(jù)需要寫好配置寄存器。發(fā)送數(shù)據(jù)時，先通過微控制器把nRF905置于待機模式，通過SPI總線把發(fā)送地址和待發(fā)送的數(shù)據(jù)都寫入相應的寄存器中，之后把nRF905置于發(fā)送模式，配置成功后數(shù)據(jù)就會自動發(fā)送出去。若射頻配置寄存器中的自動重發(fā)位設為有效，數(shù)據(jù)包就會被重復發(fā)出，直到微控制器退出發(fā)送模式為止。接收數(shù)據(jù)時，微控制器先在nRF905的待機狀態(tài)中寫好射頻配置寄存器中的接收地址，然后將nRF905置于接收模式，nRF905就會自動接收空中的載波。當收到有效數(shù)據(jù)時，微控制器在檢測到這個信號后，可以將nRF905置為待機模式，然后通過SPI總線從接收數(shù)據(jù)寄存器中讀出有效數(shù)據(jù)。
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