成像測井中基于ARM LPC1788顯示系統的設計

李方明

（中國電波傳播研究所 河南 新鄉 453003）

石油行業中的測井技術是一種井下油氣勘探方法，用于發現油氣藏，評估油氣儲量及其產量[1]。從1927年發展至今已經出現第五代測井系統，即成像測井系統。成像測井系統通過成像井下儀傳感器陣列掃描或旋轉掃描測量，沿井眼縱向、周向或徑向采集地層信息，經測井電纜傳輸到井上成像測井地面系統，使用圖象處理技術得到井壁的二維圖象或井眼周圍某一探測深度以內的三維圖象。這比以往測井系統的曲線表示方法更精確、更直觀、更方便。

第四代數控測井地面系統以LED指示燈、數碼管等作為顯示器件，存在顯示信息量小，擴展不靈活，電路復雜等諸多缺點。本設計以控制能力突出，外設接口豐富，運算速度快的ARM芯片LPC1788作為控制、數據處理核心，使用了位于AHB總線上能進行快速訪問的多個GPIO口以擴展定制的寬溫液晶屏，對各種信息的顯示明確、清晰、實時、穩定可靠，并能在惡劣的環境中正常工作。

1 NXP LPC1788 ARM處理器簡介

LPC1788是恩智浦公司新推出的一款基于ARMCortex-M3的微控制器，用于處理要求高集成度和低功耗的嵌入式應用。本系統選用此芯片作為主控芯片是由于它具備以下突出特點[2]：

1）LPC1788是下一代內核Cortex-M3架構，在相同的時鐘速率下能提供比ARM7更高的性能，頻率可以高達120 MHz。

2）多達165個可配置上拉/下拉電阻、開漏模式的通用I/O管腳，控制能力強大。

3）一個以太網MAC帶MII/RMII，便于數據的傳輸。5個UART，帶小數波特率發生功能，支持RS-485/EIA-485。

4）12位模數轉換器（ADC），可在8只管腳之間實現多路輸入，轉換速率高達400 kHz，并具有多個結果寄存器。12位ADC可以與GPDMA控制器一起使用。

5）LPC1788的管腳引出線可與LPC24xx和LPC23xx保持管腳功能兼容，方便系統的升級。

2 ARM顯示系統組成

圖1是ARM顯示系統工作原理示意圖。ARM LPC1788是整個系統的核心，它主要有以下幾個方面的功能：一方面負責收發網絡和串口上的數據，另一方面用內置AD采集直流交流供電回路上的電壓電流信號，并控制液晶屏顯示相關信息。

圖1 系統結構示意圖Fig.1 Structure diagram of system

圖2 是實際電路圖截選。ARM LPC1788、晶振電路、供電電源、復位電路、驅動電路和其他外圍電路封裝成一個小模塊LPC1788 MODULE，通用化，以方便系統共用。程序調試和下載使用JTAG口。D2為MC1413，負責控制繼電器的通斷。XS10：RJ45接網線，和上位機進行數據交換。XS8為液晶屏接口，分別把數據線D0-D7，地址線A0-A1，控制線CS0、WR、RD接到液晶屏相應端口上去。ARM模塊管腳70-73是LPC1788內部AD收入，采集模擬信號。串口為49、50兩管腳，與單片機C8051F040轉發數據。

圖2 ARM控制電路圖截選Fig.2 Circuit diagram of ARM control

2.1 顯示部分電路

成像測井地面系統在野外環境工作，條件比較惡劣，要求高溫和低溫情況下都能正常地使用。為了達到這點，本系統選用了寬溫型芯片（達到-40~85℃的指標）及寬溫型液晶顯示屏。基本原理如圖3所示。

圖3 顯示部分電路原理圖Fig.3 Circuit diagram of display part

LPC1788 P3口、P4口出來的地址信號、片選信號、讀寫信號和數據信號，經三態輸出到16位總線收發器SN74LVC16245并經驅動連接到液晶屏控制電路上的CPLD進行邏輯控制，并和其相應的存儲器進行數據交換。同時，DC/DC電壓變化器供給液晶屏所需各種電壓，背光供電電路給液晶屏背光燈供電。邏輯控制部分加入緩沖技術，可以讓寫入與顯示同時進行，避免雪花現象，實現高速刷新。

此液晶屏為點陣型液晶屏，由480×272個顯示單元組成，顯示字符相對復雜。每一個漢字都可以認為是由許多個點組成點陣所構成的。此屏每8列對應一個字節的8位，即每行由60字節共60×8=480個點組成，屏上272×60個顯示單元與顯示存儲器區16 320字節對應，每一字節的內容和顯示屏上相應位置的亮暗對應。當一行的字節寫滿刷新屏幕后，自動跳轉到下一行寫新的字節，如此，寫滿整屏。本設計每一個字符由20×16點陣組成，共需要40字節才能寫完一個字。

控制液晶屏方式為并行總線控制（片選信號/CS、讀信號/RD、寫信號/WR、數據總線D[7：0]、地址總線A[1：0]）。既可以像普通存儲器一樣使用EMC方式控制，所有操作均對寄存器進行讀寫；也可以用GPIO方式控制，嚴格按照時序控制相應端口置高低電平。液晶屏需要四個寄存器，列地址寄存器（X）、行地址寄存器（Y）、狀態寄存器（CMD）和數據寄存器（DAT）。每個寄存器的位寬是8bit，而行（列）寄存器地址取值范圍均超過255，需占9bit，所以行（列）地址寄存器必須連續寫兩次，第一次寫低8位，第二次寫高位地址。在此期間，不可以對其他三個寄存器做任何操作。在單點寫時，控制寄存器寫0就可以。顯示數據通過數據寄存器寫入和讀出，每次讀寫操作后地址自動沿X方向加一。

讀寫時，先指定行列地址。然后從此點開始進行連續讀寫，無須重新設置行列地址。在顯示數據每次寫操作后，列地址自動加1。當地址加到行尾時，地址將跳到下一行的行首。當寫一個新行時，需重新設置行列地址[3]。

2.2 數據收發電路

本設計共有兩種數據收發總線：

1）以太網。以太網因應用廣泛，技術成熟，具有獨立性和靈活性的優點，適用于本系統結構化綜合布線格局，且便于和計算機交換數據。故成像測井地面系統各分系統之間連接使用以太網網絡總線。ARM LPC1788 MAC通過RMII接口與PHY芯片LAN8720連接[4]，主要負責接收當前系統的控制令、上傳采集到的數據和系統工作狀態。

2）串口。串口通信原理簡單，穩定可靠，主要作為數據通路的轉發器，轉發控制命令。其主要控制兩路DAC提供基準電壓，調節整個電路狀態以便于AD采集。

2.3 AD采樣電路

LPC 1788內含8通道12位逐次逼近式模數轉換器，轉化速度高達400 kHz，并可高速采集多路模擬信號。逐次逼近式模數轉換器由一個比較器和D/A轉換器通過逐次比較邏輯構成，從MSB開始，順序地對每一位將輸入電壓與內置D/A轉換器輸出進行比較，經n次比較而輸出數字值[4]。前級電路對原始信號進行檢波、放大、電流電壓轉換、濾波等預處理以滿足AD的測量要求。

3 軟件設計

ARM LPC1788上電后自動進行初始化操作。首先，程序初始化設置系統時鐘，分頻晶振頻率；設置外設功率寄存器PCONP，使能以太網、串口及GPIO自身和IOCON等外設寄存器，禁止其他外設功能以節省功耗[5]；設置I/O配置寄存器IOCON，控制器件需要使用管腳的功能；設置GPIO端口方向寄存器FIOxDIR、端口屏蔽寄存器FIOxMASK、端口輸出設置寄存器FIOxSET、端口輸出清零寄存器FIOxCLR、端口管腳值寄存器FIOxPIN等[6]。其次，對液晶屏清屏，配置液晶屏底色及字體顏色；設置8點寫模式，提高顯示速度，并顯示恒定不變的信息。然后，控制輸出基準電平以調整電路狀態以便能采集到穩定正確的模擬信號。當接收命令和初始化完成后，LPC1788網絡口等待接收上位機命令，判斷刷新標志是否有效：有效則清除刷新標志，并依次進行數據采集、顯示數據、給上位機上傳采集到的數據等操作；無效則接收并處理新命令。程序流程圖如圖4所示。

圖4 程序流程圖Fig.4 Process of software design

4 結束語

該系統以ARM LPC1788為核心，外擴寬溫總線型液晶顯示屏輸出顯示。以10/100M以太網絡作為數據傳輸總線，達到數據快速傳輸的要求。系統硬件設計簡單，顯示信息豐富，環境適應性強，擴展靈活，效果美觀，電路穩定可靠。

[1]《測井學》編寫組.測井學[M].石油工業出版社，2004.

[2]NXP.LPC178x/7x DATASHEET[EB/OL].荷 蘭：NXP，2011.7.http：//www.nxp.com/documents/data_sheet/LPC178X-7X.pdf.

[3]湖北彩銳科技發展有限公司.YC-LCD-0198總線型液晶顯示器說明書[EB/OL].湖北：湖北彩銳科技發展有限公司，2011.7.http：//www.docin.com/p－622299577.html.

[4]李巖，韓勁松，孟曉英，等.基于ARM嵌入式系統接口技術[M].北京：清華大學出版社，2009.

[5]周立功.深入淺出Cortex－M3——LPC178x（上冊）[M].北京：北京航空航天大學出版社，2008.

[6]周立功.ARM嵌入式系統基礎教程[M].2版.北京：北京航空航天大學出版社，2008.