脱落测斜仪井下模块

陀螺测斜仪——井下数据采集模块设计

摘要:现代陀螺仪是一种能够精确地确定运动物体的方位的仪器，广泛应用于石油、天然气、矿井、航空和国防工业领域中。当它用于石油钻井时，其中的数据采集模块设计显得尤为关键，需要实现陀螺测斜仪的斜度和方位检测，并把数据交给井下通信模块传到地面。采集到的数据实时传送到地面设备，让工作人员及时了解无人值守的井下设备的工作情况。本文详细介绍了陀螺井下数据采集模块硬件和软件设计思路和方法，以及在设计当中是如何分析并最终选取。为了实现有效地数据采集，在采集模块中主要依靠编码器收集并处理方位信息，加速技收集并处理井斜信息，温度传感器采集温度信息等，对于编码器和加速计还设计了调理电路以实现信号的准确、有效采集。而其核心处理器选用MSC-51 单片机ADuC834。ADuC834是高度集成的24位数据采集系统，该芯片主要由两个多通道且皆可达到24位分辨率的A/D转换器、双D/A 转换器以及一个8位可编程微控制器组成。由于需要进行A/D转换，本设计采用的是AD7865, 它是逐次逼近型A/D转换器，它的特点是兼顾精度与速度，应用最为广泛，分辨率从8位到16位，采样速度从KHz到MHz。进行A/D转换后的数据要传输给CPU来处理，所以涉及到一个串口问题这里采用MAX232，它是一款兼容RS232标准的芯片，并且有两个完全相同的电平转换电路，可以把CPU输出的TTL电平转换为RS232标准电平，把其它微机送来的RS232标准电平转换成TTL电平送给CPU，实现单片机与其它微机间的通讯。试验证明本文所提出的设计方法和思路符合系统设计的需要，为现代陀螺仪的发展提供了一种新思路和方法。

关键词：陀螺仪编码器加速计单片机

一．系统模块概述

陀螺测斜仪——井下数据采集模块设计，具体实现陀螺测斜仪的斜度和方位检测，并把数据交送给井下通信模块传到地面。本文研究的井下系统的数据采集部分，具体包括：编码器输出的方位信息、加速度计输出的井斜信息、陀螺仪的工作温度信息等。数据采集模块的总体框架如图1所示。

图1 数据采集模块总体框架

本文主要包括：对陀螺测斜仪井下数据采集模块的各个部分的硬件以及软件设计。结合数据采集模块的整体框图对各个小模块从硬件和软件设计着手做简单介绍。

二．硬件设计

1.编码器调理电路设计

为了方便A/D转换器对信号进行采样，调整基准电平使得ref由0上升为2.5V，那么函数原来的负电平也就随之改变为了正电平，达到一个消除负电平的目的。正弦信号和余弦信号的调理原理是相同的，这里只描述正弦信号的调理电路。其调理电路图如图2所示。

图2 编码器调理电路

2.加速计的调理电路设计

同编码器一样，加速计的输出信号同样需要一个调理电路，同样起到一个提高基准电压的作用，其原理相似，这里不再详细介绍，其电路图如图3所示。

图3 加速度计调理电路

3.A/D采集模块电路设计

根据精度要求选择了一个16为的A/D转换器，其型号是AD7865.本芯片提供了4路输入通道，恰好对应编码器和加速计的输出；而且AD7865还能够给CPU提供便准的接口信号；当然为了实现A/D转换，参考电源是不可缺少的，下面介绍偏置电源的设计。其电路图如图4所示。

图4 A/D采集模块电路

4.偏置电源设计

这里的偏置电源是针对于编码器调理电路和A/D转换电路而言的，分别给它们提供2.5V和5V的基准电源和参考电源。其电路图如图5所示。MAX6350是高精度电源，适合A/D转换，但是功

率不够，所以不能为整个模块提供电源，所以另外涉及电源电路的设计。

图5 配置电源设计

5.电源电路设计

由于该系统需要5V稳定电源，而LM7805是提供标准5V的器件，所以这里选择了LM7805作为

提供电源的核心器件，其电路图如图6所示。

图6 电源电路设计

6.CPU模块设计

对于CPU模块的选择基于以下几个原因，首先，我们比较熟悉的是51系列的单片机，另外

ADuC834的加载不需要单独的仿真器，可以直接使用串口加载程序；它的时钟频率也比较高，CPU

处理速度快。其电路图如图7所示。

图7 CPU模块设计

7.滤波电路设计

电路板上有很多个芯片，每个芯片都有电源管脚，而最好的滤波方式就是为每一个电源提供一个滤波电路，但是考虑到电路板的空间有限，这里的解决办法是把滤波电容集中到一起为各个电源进行分配。其电路图如图8所示。

图8 滤波电路设计

8.接口电路设计

CPU提供的是TTL电平，单片机提供的是RS232电平，所以需要电平转换电路，MAX232刚好可以实现这个功能。其电路图如图9所示。

图9 接口电路设计

二．软件设计

软件设计是把A/D转换的数据读回来，再通过串口发送出去，下面以流程图的方式进行说明。

1.主程序流程

它的主要过程包括一下几个部分：系统初始化，编码器的正、余弦修正系数的确定，加速度计两个分量X、Y的修正系数确定，获取粗略模式角度值，获取精细模式角度值，获取编码器真实角度值，获取加速度计X分量值，获取加速度计Y分量值，读取温度。

图10 主程序流程图

由主流程图可以看出，本文一个关键的问题就是可以得到编码器和加速计的角度值，对于温度值和加速度计角度值来说是容易获取的，因为CPU内含有温度传感器可以直接获取；而加速度计的角度值只需要乘以修正系数即得X、Y分量，可以直接上传；但是由于编码器在解算位置角度时，提供的是正弦和余弦信号，这两路信号在传输过程中的路径和处理不同，使得两路信号的幅度不一致，直接计算正切值会带来很大误差。为此提供了一种解决办法。

2．编码器绝对角度值的解算方法

2.1 正、余弦曲线修正

分别读取正弦和余弦的极限值，计算出它们之间的比例系数，计算正切的时候带上这个比例系数，就可以弥补信号不一致带来的误差了。