175℃石英压力计的研制

中图分类 号：TH823 .2 文献标识码 ：B doi：10.3969/j.issn.1674-3407.2013.02.017Development of 1 7 5C Quartz Pressure GaugeW ang Lixin(BNC Technology Company，Beijing 100081，China)Abstract：Bi-directional data transfer and real-time data acquisition monitoring system is consist ofpressure and temperature data acquisition module and wireless transfer module.Quartz pressuregauge is one of the most key components in the system.The gauge has two working modes，which are surface read out(SRO)mode and memory read out(MRO)mode.The gauge not onlymemorizes the measurement data，but also communicates with the wireless transfer module，CO-ordinates with the surface real time monitoring device.In the system ，the gauge specifications(such as the range and precision of measurement，data style，interval and speed of data transmis-sion)are clearly definite.In order to meet these demands，the hardware and software design inthe environments of high temperature and high pressure need resolve some key technology prob-lems，including high temperature component selection and sifting，PCB processing technique，mechanical design and materia1.W hen the component works in over temperature，fault tolerancemechanism and power dissipation control are the main factors of effecting the reliability and sta-bility of system.The precision of RTC and communication speed ensure the normal operation ofsystem.In order to use the measurement data correctly，before being run into a well，the gaugewil be connected by the PC computer with the USB cable to set the date，the sample interval andcomment the information of test wel1.The function of initial configuration coordinating with PCis an important part of software in the gauge. Keywords：quartz transducer；surface read out and memory read out；real time communication[收稿日期] 2013-O5-26[作者简介]三 新(19 ! 。 ：女， 。 。 曼得 京理工大学电子工程系学士学位，199年取得北京理工大学信号与信息处理专业硕士 学位，2000年以来-直从事通讯、音视频监控，高端石油测井仪器的开发、研制 、产品化等工作。 。 · 56 ·王立新：175℃石英压力计的研制2.3 硬件设计与工艺DSP芯片除了 3.3V的 IO供电外，内部还有-个 2.5V 的核电源。为 了内核电源能正常工作，VCAP/VDDCORE管脚必须接 4.7uf～1Our的电容。在使用过程中，电池可能会偶尔接触不好，芯片需要能在高温环境下稳定、可靠地复位，复位和调试管脚 MCLR连接的电阻需要满足-定的条件：R1<470Ohm，R

图 4 推荐设计连 接图示高温环境下，如果电路板的材料不满足要求，或焊接不可靠，会严重影响仪器正常工作。PCB制版需要用高温板材(聚酰亚胺)，表面处理需要镀金(高温特性好)。

电阻、电容最好-次焊好，如发现没有焊好，需换新器件，重新焊(建议先用烙铁在其中的-个焊盘上镀锡，将阻容器件的-个脚焊在这个镀锡焊盘上，再焊另-个)。IC都有-个最高焊接温度和时间，通常是 260℃/lOs，-般电烙铁远超这个温度 (通常400℃)，所以最好先抹助焊剂，电烙铁在管脚上停留时间尽量短。镀金板虽然可焊性差-些，但抹合适的助焊剂是没有 问题 的，千万不要用电烙铁镀锡后再焊 ，这种方式对分立 器件可 以，但对管脚 很多 的IC器件可靠性不好。

3 压力计的软件设计压力计软件功能拈如图 5所示，主要实现数据采集、计算处理、数据存储、实时通讯等功能。井上通讯主要是初始配置，井下通讯主要是实时传送数据和命令。压力计软件功能的主流程见图 6。

图 5 压力计软件功能拈 图集 J 击 l匿 - ： - 是匝 1 Tf存甲 崮 图 6 主流程 图3.1 系统初始化及配置系统初始化包括对 UART 串口、系统时钟 、定时器、IO控制信号及外设石英探头、FLASH等进行初始化。

井上工作方式时，系统时钟设定为较高的频率(32MHz)，UART通讯速率设定为 1MHz，系统工作在正常模式。

· 59 ·工程与试验而在井下工作方式时，为了控制工作电流，系统时钟设定为较低的频率(4MHz)，UART通讯速率设定为 9.6kHz，工作在省电模式，石英探头的电源关闭，FLASH写操作关闭。只有到了采样间隔 6s，系统才被唤醒，同时打开石英探头的电源开关。

FLASH写操作开关，石英探头电源的开关，都需要严格遵守上电时序要求，否则会出现存储错误，或采集数据错误 。

初始化配置包括 FLASH 格式化、采样间隔的设定、系统时间的初始化、采集数据测试及测井完成后存储数据下载等。与井上通讯配合的 PC端软件，分为管理员软件和客户端软件两个版本。管理员软件功能包括：压力计生产过程中各个参数的设定与修改、压力计维修、压力计工作进程设定、数据管理和下载等⊥户端软件提供给现场工程师使用，功能包括：压力计工作进程设定、数据管理和下载、曲线显示等。PC端软件的实现不在此论述。

3.2 数据处理算法系统初始化 时，把石 英探头 EEPROM 中的系数文件读出，并存储到 FLASH中。在测量过程中，用下面的公式就可以计算出所需要的温度、压力值。

N N. 1， t 、，Z0ut(Standard Unhs)S1善善c (参)(参)N 、 分别代表系统文件的阶数(在这个探头中，阶数是 3)，C 是系数 ，X 、X 是实时采集到的数据的归-化值，代码描述如下：/ -R- / Name CalculateOutput -R- Function Calculate the pressure and temperature according O counts f Parameter None / /double CalculateOutput(double dwRawPCnt，double dwRawTCnt， structCoe Coes)double dfXp - Coes- > ScaleFactorP (dwRawPCnt- Coes-> OffsetPmax)；double dfXt- Coes- > ScaleFactorT (dwRawTCnt- Coes- > 0ffsetTmax)；int i，j；double Z1 - 0.0，Z2 - 0.0；for(i- 0；i< - Coes->Np；i ) //Pressure fit order-- Coes.NpZ2 0.0。

for(j- 0；j<- Coes->Nt；j )//Temperature fit order-- Coes.NtZ2- Coes->Coe[-Coes->Np- i][Coes->Nt- j] Z2dfXt；)Zl Z2 ZldfXp：return(ZlCoes- > Span Coes- > Zero)；计算完成后，还需要对此计算结果进行类型转 醒系统至正常工作状态。当程序检测到这种情况发换、补偿等处理，保证实时传送的数据与监测系统的 生时，就会设定在几秒钟之内系统工作在正常状态，数据格式统-。 确保系统收到正确的命令。压力计能够识别系统发3.3 实时数据通讯的可靠性、容错性的解决方法 送给压力计的指令，并按照指令要求完成工作。

井下通讯是用串口，速率是 9.6kHz。无线通讯 在串口中断程序中，从接收寄存器读接收数据拈发送命令后，如果没有收到回应，会以-定间隔 时，需要读空接收寄存器的 4个 Byte，如 void Com-重复发同-个命令，直到收到回应，最多连续发 9次 mandProcess(void)所示，其中函数 CommandPro-命令。当系统处于 SLEEP状态时，串口收到命令 cessl处理每个接收到的Byte。

时，接收管脚会变低电平∮收管脚低电平，就会唤 void CommandProcess(void)· 60 ·王立新 ：175C石英压力计的研制while(U1 STAbits.URXDA)ucRCV-Data - U1 RXREG；CommandProcessl；)串口接收数据寄存器中，接收到-个 Byte，就会产生串口中断。在处理第-个 Byte的同时，有可能接收数据寄存器中已收到了另外 3个数据。及时处理这些数据，就会避免因为接收到的信息不完整，造成不能实时处理接收到的命令，或不能正确接收命令，造成通讯失败等通讯不可靠的问题。

在井上通讯时，由于接收、发送的数据量比较大，增加了定时中断的处理机制，即进入串口接收中断开始计时，到了 4s没有出串口中断程序，在定时器中断程序中重新初始化串口，这样可避免由于与 PC端通讯时的错误而造成的死机现象。

4 结 论在 CPU和 FLASH等关键器件的工作温度性能指标能达不到 175C的条件下，通过高温筛选，硬件设计中对外设的供电控制、CPU软件工作方式、频率的选择等几个方面的处理，降低了电路板的功耗，使器件能够在 175℃环境下正常工作；通过选用 200℃高温实时晶体振荡器，通讯软件设计的可靠性、容错性的处理，在 175℃环境下，实时通迅功能稳定、正常；石英压力计的测量精度、时钟的精度、工作时间及其它设计指标均达到了设计要求，并经过测试，已交付用户，在双向数据传输系统中正常使用。