一种基于DSP的张力、深度、速度测量系统

摘 要：本系统用于油田测井过程中，对电缆所受的张力、油井的深度及电缆下井速度等参数的测量。重点阐述了系统结构及工作原理。同时，对测力传感器、测深编码器、系统硬件电路设计及软件流程也做了介绍。该系统精度高、体积小、工作稳定。既能实时测量所测参数，又兼具"黑匣子"功能，能对数据进行24小时以内的记录，为事故分析提供可靠的依据，具有较高的工程应用价值。可用与所有测负荷，测长度，测速度的场合。
关键词：应变传感器，光电编码器，DSP，CPLD，I2C总线

1 引言

在油田测井过程中，地面操作人员需要知道油井的深度、电缆下井速度及电缆所承载的负荷。只有及时准确地掌握这些数据，才能使测井工作顺利进行，以保证测井过程安全可靠。因此，我们开发了基于DSP的张力、深度、速度测量系统。该系统准确度高，可靠性强，处理速度快，是地面操作人员理想的监测工具。

2 应变传感器及光电编码器

2.1 应变传感器
电缆所受张力使应变传感器产生机械变形，传感器将机械变形转化为电信号输出，从而测得张力。
.工作电压：直流１２V
.输出范围：０～１２mV
.输出灵敏度：１mv/v

2.2 光电编码器
将光电编码器的转轴同轴地固定在周长已知的量轮的圆心上，当量轮转动时编码器同步转动并输出脉冲信号。这样，一定的长度便对应一定数量的脉冲信号，通过计算脉冲信号便可换算出深度值。对单位时间的深度值采样便得到速度值。
.工作电压：直流5V
.工作电流：40mA
.脉冲类型：两路正交的脉冲信号，通过逻辑电路可完成对光电编码器转动方向的识别和对深度脉冲的输出。

3 系统结构及工作原理

将应变传感器产生的毫伏信号输入到放大器进行放大，然后送入A/D转换器进行模数转换，转换成处二进制序列后送入DSP处理。为保证A/D转换的可靠性，采用V/F器件LM331实现模数转换，将电压信号转换为频率信号。此器件可靠性高，占用资源少。
由光电编码器产生的两路正交信号输入到CPLD，经处理后，产生两路信号。一路为辨向脉冲，用于识别光电编码器的转动方向。另一路为计数脉冲，用于完成深度参数的换算。两路脉冲均输入到DSP。见图1。

图1 系统硬件实现框图

4 核心硬件电路设计

4.1 TMS320VC33处理器
该芯片为TI公司推出的32位浮点高性能数字信号处理器。指令周期分为13ns和17ns两种，单周期完成32位整数、40位浮点乘法运算。片内34K 32bitSRAM,分为2个16K和2个2K 的块，块上集成一个DMA通道，一个同步串口，两个32bit的定时器；总存储空间为 16M 32bits, 程序、数据及I/O空间均包含在其中，可根据不同的要求划分地址空间；具有程序引导功能，系统复位后，可将程序从慢速的外部存储器中装载到快速的片内RAM中运行；支持IEEE Std 1149.1(JTAG)标准；0.18-µm工艺，1.8V核心电压，3.2VI/O电压；低功耗（<200mW@150MFLOPS）。该芯片结合了浮点运算和定点运算的长处，具有很高的运算精度和很快的运算速度，适用于快速处理的场合。

4.2 高精度实时时钟/日历SD2001E
本系统要求对测试数据进行24小时以内的实时记录（即"黑匣子"功能），因此选用具有I2C总线接口的实时时钟器件SD2001E，用以记录测量参数、操作人员的姓名及具体操作时间（年、月、日、时），作为问题分析的资料。该器件可提供３２k bits及１００亿次擦写次数的非易失性ＳＲＡＭ；内部集成了晶振、电池及电源管理电路，在系统掉电时能保证该芯片正常工作，时钟走时时间为１０年以上；I2C总线接口（包括实时时钟部分和ＳＲＡＭ部分）；内置高精度晶振，精度＜ ５ppm, 即一个月内，走时误差不超过１３秒（25°C）；年、月、日、星期、时、分、秒的ＢＣＤ码输入／输出；自动日历到２０９９年（包括闰年自动换算功能）。

4.3 SST39VF320存储器
该芯片为CMOS多用途 FLASH器件，2M 16容量，是理想的大容量存储器。可满足本测量系统中24小时以内数据记录的要求，记录的内容为张力、深度、速度的测量值。该器件提供2.7-3.6V的工作电压；超可靠性，10万次擦写次数，永久数据保存；低功耗，有效电流9mA，备用电流3µA，自动低功耗模式3µA；70ns及90ns的快速读取时间；地址及数据锁存功能；2KWord 扇区擦写能力及32KWord块擦写能力；快速擦写及字编程能力；兼容CMOS I/O口。

4.4　串行E2PROM ＡＴ２４Ｃ５１２
　　该芯片为６４k字节的串行E2PROM,具有I2C总线接口。测量数据存于其中，当系统掉电时数据不会丢失，给操作人员带来很大的方便。该器件擦写次数有限，工作可中先将数据写入SD2001E片内的ＮＶＲＡＭ，当ＮＶＲＡＭ写满后再将数据传送到ＡＴ２４Ｃ５１２中，这样可大大降低其刷新次数，从而延长了使用寿命。