基于C8051F500的溫差法流量測(cè)量電路設(shè)計(jì)*

閆 鍇，馮旭東，汪功維，王航超

(西安石油大學(xué)電子工程學(xué)院，陜西 西安 710065)

在石油開(kāi)采過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)因?yàn)榱髁繙y(cè)量不準(zhǔn)確，而導(dǎo)致發(fā)生漏油井噴事故。針對(duì)這一問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一套基于溫差法的流量測(cè)量電路。

1 基于8051的流量測(cè)量電路

油田上所見(jiàn)用到的流量計(jì)琳瑯滿目，壓差式流量計(jì)、超聲波流量計(jì)、溫差式流量計(jì)采用兩點(diǎn)接觸式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，為現(xiàn)場(chǎng)使用過(guò)程中維護(hù)起到很大便利。另外，傳感器pt1000壽命至少在3年以上，保證流量計(jì)可以長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定的工作，而且溫差流量計(jì)精確度相比于其他流量計(jì)相對(duì)較高，一般精確度在6%或者更小，而其余流量計(jì)均在此數(shù)值之上。C8051F500單片機(jī)芯片，其廣泛應(yīng)用而且穩(wěn)定性相比于其他處理器更優(yōu)，考慮以后量產(chǎn)成本問(wèn)題，選用此芯片的性價(jià)比相對(duì)很高。

2 流量測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

F500作為整個(gè)流量計(jì)的主控芯片，它主要負(fù)責(zé)對(duì)流量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，ad模塊負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣，并將其傳送至51主控芯片，在將其存貯在FLASH中，為以后讀取之前的歷史流量信息做準(zhǔn)備。測(cè)量過(guò)程中ad采樣獲取溫度信息，在通過(guò)8051F500芯片對(duì)其進(jìn)行處理，數(shù)據(jù)全部放置于存儲(chǔ)芯片中，并通過(guò)485轉(zhuǎn)TTL傳輸至數(shù)據(jù)處理模塊。其電路總體連接如圖1所示。

圖1 流量測(cè)量電路總體結(jié)構(gòu)圖

2.1 主控芯片

C8051F500是一款指令內(nèi)核和傳統(tǒng)MCS—51兼容的低功耗高性能芯片，在工業(yè)上大量被使用。相比于傳統(tǒng)51單片機(jī)，F(xiàn)500使用流水線處理技術(shù)(pipe line)，使其能在執(zhí)行當(dāng)前指令的同時(shí)處理下一條指令，因此使用F500可以有效提高指令的執(zhí)行效率[1]。

2.2 F500與電腦進(jìn)行通信

因?yàn)閿?shù)據(jù)需要傳輸至電腦上，選用RS-485協(xié)議，設(shè)計(jì)的流量計(jì)系統(tǒng)中采用耗能低傳輸效率高的的差分信號(hào)收發(fā)芯片LIC485M。在石油勘探中，井下的深度往往可達(dá)幾百，甚至上千米。普通的RS-232C一般通信傳輸效率在20 kbit/s時(shí)，它所能直接連接的最大物理距離為15 m(50英尺);RS-485的最大通信一般為1219 m，最大傳輸效率為10 Mbit/s。在 100 kbit/s 的傳輸效率下，將可以達(dá)到最大傳輸距離。數(shù)據(jù)傳輸電路如圖2所示。RO為接收輸出，DE是輸出使能信號(hào)，RE時(shí)輸出使能，DI是驅(qū)動(dòng)器輸入信號(hào)，A與B是差分信號(hào)的輸入輸出端口。

圖2 通信電路的連接

2.3 F500與AD7799的通信電路

此流量計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中ADC采用了AD7799，F(xiàn)500單片機(jī)通過(guò)SPI數(shù)據(jù)通信接口方式與AD7799進(jìn)行通訊連接。實(shí)現(xiàn)同通信的數(shù)字信號(hào)接口共有4條線，依次為片選信號(hào)CS，數(shù)據(jù)輸入線DIN和數(shù)據(jù)輸出線DOUT/RDY，串行同步時(shí)鐘SCLK。DOUT/RDY的第二個(gè)功能為AD轉(zhuǎn)換結(jié)束的通知信號(hào)。讀數(shù)據(jù)時(shí)，單片機(jī)發(fā)SCLK的下降沿信號(hào)，AD7799輸出一位數(shù)據(jù)，單片機(jī)讀入。寫(xiě)數(shù)據(jù)時(shí)，的那篇及發(fā)送DIN,在發(fā)送SCLK上升沿信號(hào)，則DIN的上一位數(shù)據(jù)移入AD7799[2]。

3 系統(tǒng)軟件

本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要功能是實(shí)現(xiàn)整個(gè)流量計(jì)的初始化，其次溫度差數(shù)據(jù)采集并處理，同時(shí)與時(shí)間日歷參數(shù)相配合，存儲(chǔ)在FLASH中，最終通過(guò)RS-485和pc端進(jìn)行通信。程序流程框架如圖3所示。井下系統(tǒng)主要有兩種工作模式：通訊模式和測(cè)量模式。在系統(tǒng)開(kāi)始初始化以后，判斷為測(cè)量模式，則首先給ADC復(fù)位；接著開(kāi)始溫度差的測(cè)量，系統(tǒng)內(nèi)部發(fā)生中斷置位，AD會(huì)進(jìn)行多次采樣，測(cè)得傳感器之間的溫度參數(shù)，再由主控模塊進(jìn)行溫度差時(shí)間的計(jì)算，算出相應(yīng)的流速并轉(zhuǎn)化為流量；然后對(duì)采集到的時(shí)間、流速、流量等信息進(jìn)行存儲(chǔ)。如果初始化后產(chǎn)生串口中斷為通訊模式，則首先開(kāi)始判斷上位機(jī)的指令是時(shí)間校正還是讀取當(dāng)前FLASH中的數(shù)據(jù)，又或者是對(duì)井下FLASH中的數(shù)據(jù)進(jìn)行擦除；接著根據(jù)相應(yīng)的指令模式進(jìn)行工作。指令響應(yīng)完成后，將終端進(jìn)行關(guān)閉然后再次回到測(cè)量模式狀態(tài)中進(jìn)行循環(huán)[3]。

圖3 程序流程

4 結(jié)語(yǔ)

該電路已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測(cè)試實(shí)驗(yàn)，完全符合之前設(shè)計(jì)電路的預(yù)期效果，時(shí)間證明了此設(shè)計(jì)的合理性與可行性，為以后此類(lèi)流量計(jì)進(jìn)一步開(kāi)發(fā)提供了可靠依據(jù)。