基于PIC16F877單片機的井下壓力測量技術研究

彭琰舉，趙 毅，潘海洋

（1.西安石油大學井下測控研究所 陜西 西安 710065；2.陜西延長石油（集團）有限責任公司研究院 陜西 西安 710075；3.西安石油大學 陜西 西安 710065）

目前，我國油井主要采用的是電子式井下壓力測量系統，由于電子壓力傳感器長期工作在高溫環境中，所以存在漂移問題，而且可靠性不高。同時這種儀器大多數將采集的數據存儲在存儲器中，缺乏實時性測量的要求。而本文所介紹的井下壓力采集系統是一種新型的壓力測量系統，其主要是以惰性氣體作為壓力傳遞介質，在地面完成對井口氣體壓力的測量，然后通過井口壓力的大小推算井下測壓點處壓力大小。其主要特點是所有的測量都在地面上進行，避免了井下復雜環境對測量結果造成的影響，同時也滿足了系統的實時性要求。

1 井下壓力測量系統工作原理

井下測壓系統的基本原理是帕斯卡定理。整個套管設備在測壓時被下放到井下測壓點處，地面可以通過壓力泵向傳壓筒內充放氣體，為維持井液與高壓氣體接觸的氣液面平衡，傳壓筒里面的氣體要定期進行補充。根據帕斯卡定理，傳壓筒內氣體的壓力等于井液的壓力，將信號采集到PIC16F877中，在PIC16F877中根據相應的算法計算出井內的壓力值，并進行存儲、實時顯示和數據回放。

2 硬件電路設計

壓力檢測系統主要由以下幾部分組成，分別為數據采集電路、數據存儲電路、數據顯示以及數據回放。數據采集電路主要使用PIC16F877單片機對壓力數據進行實時采集數據，存儲電路使用型號FLASH存儲芯片；數據顯示使用的是智能顯示器；數據回放采用RS-232串行接口，將存儲在flash芯片中的數據回放到計算機中。圖1為壓力檢測硬件電路的設計框圖。

圖1 壓力檢測硬件的設計框圖Fig.1 Block diagram of the hardware design of the pressure detection

2.1 壓力傳感器的選取

壓力的測量一直以來受到壓力傳感器技術的制約，其測量的準確程度取決于壓力傳感器的技術指標，根據壓力檢測系統的設計要求，最后決定選用德國HeLM公司生產的HM10高精度壓阻式壓力傳感器，此傳感器采用了最堅固可靠的壓力敏感元件，特別適合于野外的壓力測量。HM10主要的性能指標[3]如下：

1）工作溫度：-40～85 ℃

2）沖 擊：100 g，11 ms

3）振 動：10 gRMS，20～2 000 Hz條件下無變化

4）壓力量程：-0.1 MPa～0～10 kPa...70 MPa

2.2 壓力采集電路設計

壓力檢測系統的數據采集主要是通過單片機PIC16F877來完成。壓力檢測系統設計中有一項要求就是精度要達到0.1%FS[5]，且采集最小間隔為1 s，鑒于這兩個要求，在數據采集電路設計時選用精度很高的多通道24位芯片ADS1226，具有100SPS的數據采集率，符合最小1 s的數據采集間隔。圖 2 為壓力采集電路的連接圖，其中，P3.0、P3.1、P3.2、P3.3 為單片機的I/O接口，分別與ADS1226的START、SCLK、DOUT、MUX引腳相連。其中P3.0控制著ADS1226的啟動信號，當P3.0輸出高電平時，ADS1226開始進行數模轉換，當P3.2輸入低電平時A/D轉換完成，轉換完的數據信號隨著SCLK傳輸到PIC16F877單片機內。由于壓力傳感器HM10輸出的是4～20 mA的電流信號，而ADS1226是一個電壓采集芯片，在此處選用了型號為ISO-A4-P3-O4的電流轉電壓芯片。ISOA4-P3-O4把4～20 mA的電流信號轉換成了0～5 V的電壓信號。

圖2 壓力采集電路設計Fig.2 Pressure acquisition circuit design

2.3 數據存儲電路設計

井下數據測量期間可能會有大量的原始數據，這些數據對油井狀況的評估是一份寶貴的資料，因此測量系統在設計時要考慮數據的存儲。本系統選用的是大容量Flash存儲器。該器件采用三星公司的CMOS浮置門技術和與非存儲結構，存儲容量為64 M×8位，除此之外還有2 048k×8位的空閑存儲區。對528字節一頁的寫操作所需時間典型值是200 μs，而對16 k字節一塊的擦除操作典型值也僅需2 ms。每一頁中的數據讀出速度也很快，平均每個字節只需50 ns，已經與一般的SRAM相當。8位I/O端口采用地址、數據和命令復用的方法。這樣既可減少引腳數，還可使接口電路簡潔。片內的寫控制器能自動執行寫操作和擦除功能，包括必要的脈沖產生，內部校驗等，完全不用外部微控制器考慮，簡化了器件的編程控制難度。如圖3為單片機PIC16F877與Flash存儲器的接口連接圖。單片機的P5.0～P5.7管腳與Flash的8為I/O口相連。

圖3 PIC16F877與Flash存儲器的硬件接口Fig.3 PIC16F877 and Flash memory hardware interface

2.4 數據顯示電路設計

壓力檢測系統采用了彩色智能顯示液晶屏，該系列顯示器采用集成化CPU，內置一級漢字庫（二級字庫可選），采用標準指令集，通過RS232C接口或打印機并行口接收控制命令和數據。同時為了提高通訊速度，顯示器內設置了一個256字節的輸入緩沖區。在發送數據前應先檢查DTR（液晶顯示器上串口名稱）信號，若DTR為高電平（TTL），表示緩沖區滿，要等到DTR信號變為低電平（TTL）后再發送數據。即DTR為低電平（TTL）時發送數據，DTR為高電平（TTL）時停止數據發送。如果每組的數據量少于256字節，同時每組之間又有足夠的間隔，則不需要判斷DTR位信號也可連續發送[4]。

壓力檢測系統在處理器與液晶屏通信時采用的是串口的形式，把PIC16F877的P4.6管腳當作通用I/O口直接與液晶屏的串行接口向連接，標準的RS-232在進行通信時只需要發送、接收和地線（GND）3個管腳即可，因此液晶顯示器與處理器的連接十分簡單。但是由于PIC16F877管腳能承受的電平最大5.5 V，而串行接口的電平是TTL電平，所以在連接這兩個器件時必須添加一個電平轉換芯片MAX3232[6]，具體的連接方式如圖5所示，圖中YJ-RXD是液晶屏的串行接收接口，P4.6為 PIC16F877的發送端口，MAX3232起到了一個電壓轉換的作用。數據回放主要指的是將存儲在FLASH存儲芯片中的數據回放到PC機上，PC機接收數據采用的是串口RS-232，通過MAX3232進行連接，如圖4所示，這里不再敘述。

圖4 液晶屏與PIC16F877電路連接圖Fig.4 LCD with PIC16F877 circuit connection diagram

3 軟件設計

本系統軟件設計主要是單片機系統軟件設計。PIC16F877的內核CPU結構是按照精簡指令集和高透明指令的宗旨來設計的，因此單片機開發采用專門用于PIC16F877系列單片機而設計集成開發環境，編程采用C語言。PIC16F877作為主CPU。PIC16F877在系統中主要負責壓力數據的采集、系統的啟動、采集數據的處理、數據的顯示和上位機數據的回放等。其軟件的主程序流程圖如圖6所示。

在整個壓力采集系統中，通過PIC16F877單片機來控制啟動A/D轉換，單片機共采集12個數據，去掉最大與最小的數據，取平均值，作為一個井口壓力值。在根據相應的算法，通過進口壓力值計算出測點壓力和油層壓力，再把這3個數據進行存儲和顯示。

4 結束語

圖5 主程序流程圖Fig.5 Main program flow chart

本文設計的壓力檢測系統通過了現場實驗的測試，系統穩定可靠，采集了大量的數據，通過改變測試條件驗證了測得壓力值的準確性，由于要長期實時監測井下壓力，Flash存儲器可以存儲10天的數據，所以該系統連續工作10天后要對數據進行回訪，并存儲在計算機上，以便后續參考。井下壓力檢測系統是通過測量井口壓力來推算井底壓力的方法來實現壓力測量的，這就避免了井下的復雜環境，從而減少了環境對測量的影響。同時使用液晶屏將測量數據進行實時的顯示，滿足了實時性測量的要求。

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