高精度电子压力计的研究中.docx

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高精度电子压力计的研究中

6

2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论文

8

（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

9

0.5MHz、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

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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

11

3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

12

3.1.2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

13

MAX856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

/SHDN1

LBO2

LBI

3

REF4

LX5

OUT6

3/5

7

GND8

MAX856

1N5819

5V

/SHDN1

GND2

IN3

OUT4

SET5

MAX8863R

P0.0

AIN4

+

100uF

0.1uF

+

10uF

1uF

47uH

20pF

510K

100K5K

100K3.3V

8.2K

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Sinc

3

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ADC

ADuC834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/IEXC1

3

REFIN（-）

7

REFIN（+）

8

P1.4/AIN1

9

P1.5/AIN2

10

P1.6/AIN3

11

ADuC834

PT1K

4.75K

VR

VP

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

16

UO

U

1

2

4

3

R1+△R1

R2－△R2R4+△R4

R3－△R3

I1

I2

I

图3.5压力传感器桥路

全桥差动电路的输出电压为

23UUUO−=

U

RRRR

RR

RRRR

RR

⎟

⎟

⎠

⎞

⎜

⎜

⎝

⎛

Δ++Δ−

Δ−

−

Δ−+Δ+

Δ+

=

4422

22

3311

11

（3-3）

将式（3-1）和（3-2）代入上式，可得：

O

R

UU

R

Δ

=（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：

113224

12

（）（）IRRIRR

III

+=+⎧

⎨

=+⎩

（3-5）

解得方程组得：

24

1

1234

RR

II

RRRR

+

=

+++

（3-6）

13

2

1234

RR

II

RRRR

+

=

+++

（3-7）

全桥差动电路的输出电压为：

1423

11