基于MSP430的石油井下壓力測試系統(tǒng)的設計

1 引言
??? 壓力數(shù)據(jù)在油田開采過程中是一項極重要的資料。而這其中的射孔工藝是關鍵環(huán)節(jié)，其對高質量打開油氣層，提高油氣井產能都有重要影響。射孔是打開油氣層讓地層流體流入井內的主要完井工序。測取射孔瞬間動態(tài)壓力參數(shù)具有重要意義；確定每次射孔的施工效果；結合其他測試參數(shù)評價地質效果：研究射孔工藝機理，為我國射孔理論水平的發(fā)展創(chuàng)造有利條件。該參數(shù)的測取也是研究油氣層特征，掌握油氣層動態(tài)。檢查地面采油工藝流程的重要手段。為此，必須借助于各種精密的壓力測量儀表。以獲得精確的壓力數(shù)據(jù)。

2 測試系統(tǒng)設計
2．1 存儲測試原理簡介
??? 存儲測試系統(tǒng)是用以完成存儲測試的物理系統(tǒng)，可工作在高溫、高壓、強沖擊振動、高過載等惡劣環(huán)境下，自動完成被測信息的實時采集與存儲記憶。它將傳感器、適配電路、數(shù)字化存儲記錄電路、通訊接口、控制指示單元和電源集成為一體，構成一個小型化的、可安裝在被測體內(相對)獨立丁作的測試系統(tǒng)。由于存儲測試系統(tǒng)具有體積小、功耗低、可重復使用、抗干擾性好及能適應特殊環(huán)境等特點，所以對于工程測試，特別是在野外惡劣的環(huán)境下，存儲測試系統(tǒng)提供了一個很好的解決方案。
??? 這里設計的儀器必須能夠在高溫、高壓、高沖擊的油井中安全、可靠的取得射孔壓裂數(shù)據(jù)，且能保持數(shù)據(jù)長時間不丟失，可順利回收被測信息。因此該系統(tǒng)除需能耐高溫、高壓、高沖擊振動的電路外，還必須對其保護，防止儀器損壞。
2．2 系統(tǒng)工作原理
??? 系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

??? 石油井下射孔壓力測試系統(tǒng)選用編程自適應分段均勻采樣策略，即通過事先編程確定記錄過程分為若干個均勻采樣階段，每一階段的開始時間、采樣頻率、存儲點數(shù)是根據(jù)被測信號的變化自適應調整的。此系統(tǒng)在單片機程序的控制下，上電延時50 s后，在觸發(fā)信號到來之前，以1 Hz的采樣頻率進行低頻采樣A／D轉換，并將MD轉換輸出的數(shù)據(jù)存人存儲器。觸發(fā)信號到來后，開始以100 kHz的采樣頻率采樣，連續(xù)采樣滿128 K字數(shù)據(jù)，再以500 Hz采樣，至采滿256 K字，數(shù)據(jù)停止采樣。當電路回收后，可通過RS232接口將存儲器中的數(shù)據(jù)讀至計算機．以便后續(xù)處理。

2．3 MSP430單片機低功耗的設計
??? MSP430系列單片機具有獨特的時鐘系統(tǒng)設計，包括兩個不同的時鐘系統(tǒng)：基本時鐘系統(tǒng)和鎖頻環(huán)(FLL和FLL+)時鐘系統(tǒng)或數(shù)字振蕩器(DCO)時鐘系統(tǒng)。由時鐘系統(tǒng)產生CPU和各功能模塊所需時鐘，這些時鐘可在指令的控制下打開或關閉，從而控制總體功耗。由于系統(tǒng)運行時所使用的功能模塊不同，即采用不同的工作模式，器件的功耗有明顯區(qū)別。系統(tǒng)具有1種活動模式(AM)和5種低功耗模式(LPM0～LPM4)。MSP430系列單片機各個模塊運行完全獨立，定時器、輸入／輸出端口、A／D轉換、看門狗等都可在主CPU休眠的狀態(tài)下獨立運行。當需要主CPU工作時，任何一個模塊都可以通過中斷喚醒 CPU，從而使系統(tǒng)以最低功耗運行。這是MSP430系列單片機最突出的優(yōu)點。
??? 為充分利用CPU的低功耗性能，使其工作于突發(fā)狀態(tài)。通常情況下，根據(jù)需要使用軟件將CPU設定到某一種低功耗工作模式下，在需要時使用中斷將CPU從休眠狀態(tài)中喚醒，完成工作后又可進入相應休眠狀態(tài)。圖2為MSP430F1611單片機的基本配置電路。

3 狀態(tài)設計及系統(tǒng)狀態(tài)分析
3．1 狀態(tài)設計理論
??? 狀態(tài)設計是指根據(jù)被測對象的運動規(guī)律確定存儲測試系統(tǒng)狀態(tài)組織結構的過程。它是實現(xiàn)功能設計的關鍵環(huán)節(jié)，是硬件設計的依據(jù)，也是建立基型存儲測試系統(tǒng)的有效手段。狀態(tài)設計可以使設計思想始終清晰地貫穿于設計和調試，不同程度地簡化原本復雜的設計過程。
3．2 系統(tǒng)的狀態(tài)分析
??? 根據(jù)狀態(tài)分析，存儲測試系統(tǒng)完成一次有效的數(shù)據(jù)測試，大致需經6個過程：等待狀態(tài)A0，低速采存狀態(tài)A1，高速采存狀態(tài)A2，低速采存狀態(tài)A3，信息保持狀態(tài)A4，數(shù)據(jù)讀出狀態(tài)A5。MSP430F1611通過控制ONA、ONB分別產生VDD= 3．6 V、VEE=3．6 V，OE、WE、CE分別為存儲器的讀、寫、片選控制信號。ONA信號為低電平時輸出VDD，為高電平時關閉。ONB為低電平時輸出VEE，為高電平時關閉。圖3為系統(tǒng)狀態(tài)轉換圖，詳細分析系統(tǒng)各工作階段的電源開閉情況及低功耗模式。

??? 等待狀態(tài)A0對系統(tǒng)進行初始化，復位操作。其中，在I／O初始化中，設置上電外部中斷，當ONA、ONB為OE、WE、CE為低，電源VDD、VEE關閉，初始化通用寄存器，將內部DCO晶振8分頻，初始化定時器A，通過TA中斷延時50 s．等待電源穩(wěn)定后進入低功耗1。

?? 低速采存狀態(tài)A1中，延時50 s后，使ONA、ONB、CE為低，OE、WE為高，電源VDD、VEE打開，存儲器片選端有效，初始化時鐘，使子系統(tǒng)時鐘設置為外部高頻時鐘源．初始化 A／D轉換器并設置單通道單次轉換模式，初始化定時器B，由TB中斷實現(xiàn)采存，初始化中TB每隔0．01 ms中斷一次，在采存過程中A／D轉換器一直處于100 kHz的高速采樣狀態(tài)。并將數(shù)據(jù)送入FIFO。頻率變換則通過存儲器推地址來實現(xiàn)，此狀態(tài)是采樣射孔前井下靜壓，因此采用1 Hz進行低速采存。
??? 高速采存狀態(tài)A2中，將128 K作為是否變頻的標志，ONA、ONB、CE為低，OE、WE為高，電源VDD、VEE打開，存儲器讀、寫端有效，由數(shù)字內觸發(fā)方式實現(xiàn)觸發(fā)變頻。當觸發(fā)信號來臨，改變存儲器推地址，實現(xiàn)100 kHz高速采存。低速采存狀態(tài)A3中，ONA、ONB、CE為低，OE、WE為高電源VDD、VEE打開，存儲器讀、寫端有效，改變存儲器推地址，實現(xiàn) 500 Hz低速采存，將256 K作為是否采滿的標志。
??? 信息保持狀態(tài)A4中，定時器A、定時器B禁止中斷，ONA為低，ONB、OE、WE、CE為高，打開VDD=3．6 V，存儲器處于有效狀態(tài)，于是數(shù)據(jù)保存在存儲器內，關閉A／D轉換器，清零地址位，進入低功耗4模式，等待讀數(shù)中斷。數(shù)據(jù)讀出狀態(tài)A5中，通過讀數(shù)中斷初始化串口讀數(shù)，設置時鐘為外部8 MHz高頻晶振，通過串口向計算機傳輸采存到的數(shù)據(jù)，讀數(shù)完畢進入低功耗4模式。

4 實驗數(shù)據(jù)
??? 測試實驗由信號發(fā)生器提供頻率10 Hz正弦波，數(shù)據(jù)采集完畢讀數(shù)后情況如圖4所示，其中橫縱坐標分別表示采集到的數(shù)據(jù)的點數(shù)和比特數(shù)，單位分別是點和bit。系統(tǒng)完全實現(xiàn)觸發(fā)和變頻采樣過程。被測信號為lO Hz正弦波，直接觸發(fā)進行高頻100 KHz采存和低頻500 Hz采存，一個周期內采樣10 000個點，在131 072點處變頻采存，因此高頻采樣得到約13個正弦信號周期，高頻采樣時間約為1．3 s。

5 結束語
??? 系統(tǒng)利用MSP430系列單片機內部提供的12 bit的A／D轉換器進行數(shù)據(jù)采集，該采樣方式大大簡化了電路設計，并能使測量結果達到較高的精度；此測試系統(tǒng)可減小電路板的體積，從而減小整個裝置的體積；由于MSP430單片機超低功耗的設計，大大簡化了系統(tǒng)。實驗結果證明，此測試系統(tǒng)具有較好的實用性。