【文章內(nèi)容簡介】 機(jī)選用24C256的主要原因是其低功耗和小體積。 24C1024主要特點(diǎn)如下： 低功耗CMOS技術(shù)：串行內(nèi)部總線（兼容I2C）；256字節(jié)頁寫功能；硬件寫保護(hù)；10萬次擦寫；電壓保護(hù)大于4000V；數(shù)據(jù)可保持200年；有PDIC以及SOIC兩種封裝；為耐高溫，在本應(yīng)用系統(tǒng)中采用24C1024，其可工作在40~+125℃之間，典型工作電流在寫數(shù)據(jù)時(shí)為：3Ma,讀數(shù)據(jù)時(shí)：400mA，靜態(tài)電流：1uA。 引腳功能如下：AO：片選地址SDA：串行數(shù)據(jù)總線SCL: 串行地址總線WP： 寫保護(hù)端當(dāng)WP端為高電平時(shí)，24C1024只允許讀操作，當(dāng)其為低電平或懸空時(shí)，24C1024允許讀寫操作。具體24C1024的讀寫操作見第三章 。 24C1024封裝圖 5），而整個(gè)系統(tǒng)需要+5V的供電電源，因此需要直流變換器升壓至5V。這里選用MAXIM公司推出的直流變換器MAX619。MAXIM公司研制的可調(diào)節(jié)5V充電泵直流變換器MAX619，由2節(jié)電池（2～）輸入，就可轉(zhuǎn)換成5V177。4%的電壓輸出。并且它的外圍元件極少，即可把整個(gè)的MAX619及外圍元件裝下。外圍元件只有2個(gè)充電電容、2個(gè)輸入輸出電容。變換器自身最大耗電為150uA，帶有可關(guān)斷功能。邏輯控制負(fù)載開路時(shí)，耗電最大只有1uA。有雙列直插（DIP28P）和SO軟封裝形式，能適應(yīng)各種需直流變換的場合。 MAX619輸入2～（2節(jié)電池）電壓，可提供5V輸出。內(nèi)部充電泵和外部濾波電容保證5V的輸出。當(dāng)輸出電勢有下降趨勢時(shí)，充電泵受脈動(dòng)控制，使電壓保持在5V177。4%范圍內(nèi)。當(dāng)ON/OFF為邏輯高電平時(shí)，MAX619就處于輸出關(guān)斷狀態(tài)，充電泵開關(guān)停止工作，輸出為0V。50 / 50 MAX619輸入2～（2節(jié)電池）電壓，可提供5V輸出。內(nèi)部充電泵和外部濾波電容保證5V的輸出。當(dāng)輸出電勢有下降趨勢時(shí)，充電泵受脈動(dòng)控制，使電壓保持在5V177。4%范圍內(nèi)。當(dāng)ON/OFF為邏輯高電平時(shí)，MAX619就處于輸出關(guān)斷狀態(tài)，充電泵開關(guān)停止工作，輸出為0V。 MAX619典型應(yīng)用電路 充電電容C1和C2的參數(shù)選擇：C1和C2充電泵電容是關(guān)鍵元件，它的電容值保證輸出電壓和輸出電流的穩(wěn)定。大容量的電容（達(dá)50uF）也可用，但是，大容量電容使用后，輸出電壓的紋波將增加。所以，選擇電容值不宜太小和太大，而且，應(yīng)選用陶瓷和鉭電容。的陶瓷電容。 工作原理 本系統(tǒng)為存儲(chǔ)式壓力計(jì)，其采用斷電工作方式：即依照工作表（時(shí)間表）在特定時(shí)間進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理、存儲(chǔ)，而在其它時(shí)間卻處于斷電狀態(tài)（只有時(shí)鐘工作）。這這種方式下，使得應(yīng)用系統(tǒng)處于省電狀態(tài)，又使得采樣數(shù)據(jù)不至過多，以免系統(tǒng)存儲(chǔ)不下。 第一章中已經(jīng)介紹過，壓力傳感器采用KELLR1型壓阻式傳感器，其量程為0100Mpa，輸出為0600mV。的電壓信號(hào)，有AD7710進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后，變?yōu)閿?shù)字最后進(jìn)入CPU進(jìn)行存儲(chǔ)等處理。壓力測量的原理如如下： 。（1）腳SCL K：串行時(shí)鐘脈沖。當(dāng)MODE為高電平時(shí)，則SCLK引腳輸出串行時(shí)鐘脈沖，器件狀態(tài)為內(nèi)時(shí)鐘模式；當(dāng)MODE為低電平時(shí)，則為外時(shí)鐘模式，SCLK為輸入端。（2）腳XIN：器件的主時(shí)鐘信號(hào)。如主時(shí)鐘信號(hào)為CMOS兼容時(shí)鐘，則直接從該引腳饋入。（3）腳XOU:T器件的主時(shí)鐘信號(hào)。主時(shí)鐘為石英晶體時(shí)，石英晶體聯(lián)接在XIN和XOU T之間。（4）腳AO：地址輸入。低電平時(shí)，對(duì)控制寄存器進(jìn)行讀和寫，高電平時(shí)，進(jìn)行數(shù)據(jù)寄存器和校準(zhǔn)寄存器的存取。（5）腳SYNC：邏輯輸入，低電平有效（6）腳MODE：模式選擇，邏輯輸入，高電平時(shí)，為內(nèi)時(shí)鐘模式；低電平時(shí)，為外時(shí)鐘模式。（7）腳AINI（+）：通道1的正模擬輸入。 壓力測量原理圖（8）腳AIN1（）：通道1的負(fù)模擬輸入。（9）腳AIN2（+）：通道2的正模擬輸入。（10）腳AIN2()：通道2的負(fù)模擬輸入。（11）腳VSS：負(fù)模擬電源。典型值為0～5V。單電源工作時(shí)，該端與地（A GND）短接。（12）腳AVDD：正模擬電源，使用范圍+5～+10。（13）腳VBIAS：偏置電壓輸入。（14）腳REF IN（）：負(fù)的參考電壓輸入端。（15）腳REF IN（+）：正的參考電壓輸入端。（16）腳REF OUT：。（17）腳IOU T：補(bǔ)償電流輸出端。它能提供20uA的恒定電流，能與外部的熱敏電阻連接，進(jìn)行冷端補(bǔ)償。（18）腳AGND：模擬地。（19）TFS：發(fā)送幀同步，低電平有效。在脈沖下降沿后串行數(shù)據(jù)有效。（20）腳RFS：接收幀同步發(fā)送幀同步，低電平有效。（21）腳DRD Y：邏輯輸出，低電平有效，下降沿觸發(fā)。（22）腳SDATA：串行數(shù)據(jù)。（23）腳DVDD：數(shù)字電源，+5V。，否則AD7710不能正常工作。另外DVDD必須小于或等于AVDD。（24）腳DGND：數(shù)字地。 AD7710以一定的速率對(duì)壓力差模輸入信號(hào)（0—600mV）進(jìn)行連續(xù)采樣，采樣速率由主時(shí)鐘f CLKIN決定。采樣信號(hào)經(jīng)PGA放大后，使其輸出電平滿足電荷平衡（∑—△）ADC的要求，爾后轉(zhuǎn)換成數(shù)字脈沖序列。該序列經(jīng)數(shù)字濾波器處理后以濾波器一階陷波頻率確定的速率更新21位的輸出寄存器，寄存器中的數(shù)據(jù)可從雙向串行口采用同步內(nèi)時(shí)鐘或同步外時(shí)鐘方式隨機(jī)讀取，或者以輸出寄存器更新速率周期地讀取。 外部時(shí)鐘模式讀寫AD7710時(shí)序 AD7710內(nèi)部具有自校準(zhǔn)、系統(tǒng)校準(zhǔn)和背景校準(zhǔn)等功能。自校準(zhǔn)能消除芯片本身的零點(diǎn)誤差和增益誤差，系統(tǒng)校準(zhǔn)能消除輸入通道的失調(diào)和增益誤差，背景校準(zhǔn)能消除溫度漂移、電源波動(dòng)和時(shí)間漂移的誤差。這些校準(zhǔn)均由微控制器的軟件來實(shí)現(xiàn)?！啤鰽/D轉(zhuǎn)換器的基本思想是基于過采樣技術(shù)把更多的量化噪聲壓縮到基本頻帶外邊的高頻區(qū)，并由數(shù)字濾波器濾掉帶外噪聲。因此，過采樣∑—△A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)有三個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)：① 采用一位編碼技術(shù)，故模擬電路少；② ADC前面抗混（模擬低通）濾波器設(shè)計(jì)容易；③ 提高信噪比。本次設(shè)計(jì)中AD7710的轉(zhuǎn)換速度設(shè)為10HZ，通過實(shí)驗(yàn)得知，其有效精度高達(dá)20位，滿足了設(shè)計(jì)的要求。 溫度測量部分 系統(tǒng)測溫傳感器采用數(shù)字溫度傳感器DS1629。在55—125℃測溫范圍內(nèi)，其測量精度為177。2℃，然而采取擴(kuò)展讀后，其測量井度可達(dá)到177。3℃.DS1629的溫度轉(zhuǎn)換方式有兩種：連續(xù)轉(zhuǎn)換與單詞轉(zhuǎn)換。DS1629出廠時(shí)設(shè)定為一上電即開始連續(xù)測量溫度，即連續(xù)轉(zhuǎn)換方式。這一操作類似后臺(tái)工作，主控CPU可連續(xù)讀取溫度寄存器，而不會(huì)影響穩(wěn)定的測量與轉(zhuǎn)換。由于DS1629的溫度測量轉(zhuǎn)換速度很快，而且在連續(xù)穩(wěn)定轉(zhuǎn)換模式下DS1629的功耗增加，如果讓其在整個(gè)壓力計(jì)的采樣時(shí)間內(nèi)連續(xù)穩(wěn)定轉(zhuǎn)換，則必然增加系統(tǒng)的功耗。因此程序設(shè)計(jì)時(shí)，讓其一上電就處于單次轉(zhuǎn)換模式，那么DS1629在一次溫度轉(zhuǎn)換完畢后，回到待機(jī)模式，這就降低了整機(jī)的功耗。 DS1629芯片提供I2C協(xié)議接口，與CPU之間接口簡單方便。CPU通過命令A(yù)AH、A8H、A9H分別讀取溫度寄存器（TEMP_READ）、計(jì)數(shù)寄存器（COUNT_REMAIN）、斜率寄存器（COUNT_PER_C）,然后通過下式的計(jì)算以提高轉(zhuǎn)換精度。 T=+式（21） 實(shí)驗(yàn)證明，選取DS1629進(jìn)行測溫并通過擴(kuò)展讀的方法，溫度精度達(dá)到了177?！?，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)。 電源控制部分 由單節(jié)電池，升壓片MAX619，模擬轉(zhuǎn)換開關(guān)MAX4624以及電源監(jiān)控芯片MAX6315構(gòu)成的電源部分，起到了對(duì)電源的開關(guān)控制。本系統(tǒng)采用了在井下工作時(shí)無法從井上得到電能，只能采用電池供電。為了能夠長時(shí)間井下采集要求，要求系統(tǒng)功耗要小。為了達(dá)到低功耗目的，我們除了選用低功耗的元器件，整個(gè)系統(tǒng)采用了斷電工作方式。在此方式下，MAX619只在工作表所指定的時(shí)間點(diǎn)為儀器供電，其余時(shí)間只為定時(shí)器供電，其余元器件處于斷電方式。由上述可知，本系統(tǒng)要有兩種供電：一路為定時(shí)器及其相關(guān)元件供電：另一路為采樣、計(jì)算、存儲(chǔ)環(huán)節(jié)供電。電源控制電路見下圖所示。 電源控制電路圖，系統(tǒng)第一次上電時(shí)（接上電池），MAX6315產(chǎn)生100ms的復(fù)位，RST引腳變化低電平（維持100ms），因此模擬開關(guān)MAX4624的控制腳INI為低電平，此時(shí)COM1與NC1接通，升壓片MAX619接通電源，其輸出V2為5V，V1=。其中V2給系統(tǒng)供電，V1給時(shí)鐘DS1629供電。系統(tǒng)工作后，（為開漏輸出）為低電平，因此系統(tǒng)處于常供電狀態(tài)。待采樣結(jié)束后，因此MAX4624的控制腳IN1變?yōu)楦唠娖?。此時(shí)COM1與NO1接通，NC1與電源切斷，MAX619的輸出電壓為V2=0V，系統(tǒng)停止工作。但此時(shí)V1=，因此時(shí)鐘時(shí)刻有電，保證了時(shí)間的準(zhǔn)確性。下次采樣時(shí)刻到達(dá)后，時(shí)鐘芯片DS1629發(fā)出報(bào)警信號(hào)，即ALARM引腳產(chǎn)生下降沿，因此復(fù)位芯片的手動(dòng)復(fù)位端MR有效，MAX6315產(chǎn)生復(fù)位，RST腳變?yōu)榈碗娖剑瑥亩龎浩a(chǎn)生輸出電壓，系統(tǒng)循環(huán)工作。 存儲(chǔ)部位 本儀器采用24C1024作為存儲(chǔ)元件。24C1024采用I2C總線技術(shù)，含禁止寫入腳（WP）。系統(tǒng)要求存儲(chǔ)容量在1M位，所以共用1片24C1024。存儲(chǔ)器分成兩部分：一部分為測量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)；另一部分為控制數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)。為防止數(shù)據(jù)出錯(cuò)，測量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)要求一次只有一片可以寫入。~，可以實(shí)現(xiàn)此要求。對(duì)于另一部分控制數(shù)據(jù)區(qū)，又可以分為兩部分：浮動(dòng)工作表部分；固定工作表部分。浮動(dòng)工作表部分在數(shù)據(jù)采集時(shí)被下位機(jī)改寫。固定工作表部分存儲(chǔ)的是上位機(jī)傳下來的固定工作表，只有與上位機(jī)通訊時(shí)，才允許下位機(jī)改寫里面的內(nèi)容。硬件電路見附圖部分。 定時(shí)控制部分 此部分有DS1629以及MAX6315組成。DS1629同樣為I2C總線元件，其SDA、報(bào)警時(shí)間以及浮動(dòng)工作表分別寫入DS1629的控制單元、報(bào)警時(shí)間寄存器及片內(nèi)RAM。當(dāng)當(dāng)前時(shí)間與報(bào)警時(shí)間相同時(shí)，DS1629發(fā)出報(bào)警：ALARM腳發(fā)出低電平。此電平將一直維持到再次對(duì)DS1629的時(shí)間寄存器或報(bào)警時(shí)間寄存器進(jìn)行讀寫操作后，ALARM端才恢復(fù)常態(tài)（DS1629的ALARM端常態(tài)電平狀態(tài)及報(bào)警電平狀態(tài)可由控制字設(shè)置）。ALARM腳發(fā)出低電平后，復(fù)位芯片產(chǎn)生手動(dòng)復(fù)位，升壓片MAX619上電，輸出+5V電源。系統(tǒng)開始工作。硬件電路見附圖部分。 本章小結(jié) 在介紹了一些常用的器件后，本章就針對(duì)壓力計(jì)的測量部分，計(jì)算部分，時(shí)間控制部分，電源控制部分，存儲(chǔ)器部分的原理做了詳細(xì)的闡述。 第3章 系統(tǒng)軟件在本章中，將詳細(xì)的闡述壓力計(jì)應(yīng)用系統(tǒng)的軟件流程。首先，就I2C總線的應(yīng)用，給出了基本時(shí)序；然后是存儲(chǔ)單元軟件實(shí)現(xiàn)；其次是測量軟件實(shí)現(xiàn)；再次敘述了對(duì)DS1629的一系列操作；最后給出了壓力計(jì)程序的主流程框圖。 測井?dāng)?shù)據(jù)采集部分 測井?dāng)?shù)據(jù)包括井底壓力和溫度，程序中先測量壓力然后測量溫度，再按照一定的格式存儲(chǔ)起來。氣壓力穩(wěn)定采樣子程序流程圖如下：組成AD7710控制字初始化AD7710組成DS1629控制字初始化DS1629讀取AD7710采樣值存入55H，56H，57H單元讀取DS1629溫度值按個(gè)格式存入1024存入58H,59H,5AH單元返回開始 數(shù)據(jù)采集流程圖 時(shí)鐘控制部分 這部分主要詳述了對(duì)DS1629的一系列操作，其中包括DS1629的初始化、以及對(duì)DS1629時(shí)間寄存器的讀寫、浮動(dòng)工作表的讀寫操作。A． DS1629初始化發(fā)地址、寫控制字有應(yīng)答有應(yīng)答有應(yīng)答發(fā)寫控制字命令發(fā)控制字 否 否 否是是是發(fā)起始信號(hào)發(fā)停止信號(hào)、返回 DS1629初始化流程圖B、讀時(shí)間發(fā)地址、寫控制字發(fā)非應(yīng)答及停止信號(hào)發(fā)應(yīng)答、地址加一發(fā)控制字重發(fā)起始信號(hào)發(fā)地址、讀控制字發(fā)讀時(shí)間控制字發(fā)地址、寫控制字去時(shí)間錯(cuò)誤處理程序讀入一字節(jié)有應(yīng)答有應(yīng)答有應(yīng)答有應(yīng)答有應(yīng)答AA讀出時(shí)間正確返回發(fā)起始信號(hào)NNNNNYYY