【文章內(nèi)容簡介】 機選用24C256的主要原因是其低功耗和小體積。 24C1024主要特點如下： 低功耗CMOS技術：串行內(nèi)部總線（兼容I2C）；256字節(jié)頁寫功能；硬件寫保護；10萬次擦寫；電壓保護大于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)時為：3Ma,讀數(shù)據(jù)時：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： 寫保護端當WP端為高電平時，24C1024只允許讀操作，當其為低電平或懸空時，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，就可轉換成5V177。4%的電壓輸出。并且它的外圍元件極少，即可把整個的MAX619及外圍元件裝下。外圍元件只有2個充電電容、2個輸入輸出電容。變換器自身最大耗電為150uA，帶有可關斷功能。邏輯控制負載開路時，耗電最大只有1uA。有雙列直插（DIP28P）和SO軟封裝形式，能適應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。當輸出電勢有下降趨勢時，充電泵受脈動控制，使電壓保持在5V177。4%范圍內(nèi)。當ON/OFF為邏輯高電平時，MAX619就處于輸出關斷狀態(tài)，充電泵開關停止工作，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。當輸出電勢有下降趨勢時，充電泵受脈動控制，使電壓保持在5V177。4%范圍內(nèi)。當ON/OFF為邏輯高電平時，MAX619就處于輸出關斷狀態(tài)，充電泵開關停止工作，輸出為0V。 MAX619典型應用電路 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，應選用陶瓷和鉭電容。的陶瓷電容。 工作原理 本系統(tǒng)為存儲式壓力計，其采用斷電工作方式：即依照工作表（時間表）在特定時間進行數(shù)據(jù)采集、處理、存儲，而在其它時間卻處于斷電狀態(tài)（只有時鐘工作）。這這種方式下，使得應用系統(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，有AD7710進行A/D轉換后，變?yōu)閿?shù)字最后進入CPU進行存儲等處理。壓力測量的原理如如下： 。（1）腳SCL K：串行時鐘脈沖。當MODE為高電平時，則SCLK引腳輸出串行時鐘脈沖，器件狀態(tài)為內(nèi)時鐘模式；當MODE為低電平時，則為外時鐘模式，SCLK為輸入端。（2）腳XIN：器件的主時鐘信號。如主時鐘信號為CMOS兼容時鐘，則直接從該引腳饋入。（3）腳XOU:T器件的主時鐘信號。主時鐘為石英晶體時，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，對控制寄存器進行讀和寫，高電平時，進行數(shù)據(jù)寄存器和校準寄存器的存取。（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，為內(nèi)時鐘模式；低電平時，為外時鐘模式。（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的負模擬輸入。（9）腳AIN2（+）：通道2的正模擬輸入。（10）腳AIN2()：通道2的負模擬輸入。（11）腳VSS：負模擬電源。典型值為0～5V。單電源工作時，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，進行冷端補償。（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以一定的速率對壓力差模輸入信號（0—600mV）進行連續(xù)采樣，采樣速率由主時鐘f CLKIN決定。采樣信號經(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)時鐘或同步外時鐘方式隨機讀取，或者以輸出寄存器更新速率周期地讀取。 外部時鐘模式讀寫AD7710時序 AD7710內(nèi)部具有自校準、系統(tǒng)校準和背景校準等功能。自校準能消除芯片本身的零點誤差和增益誤差，系統(tǒng)校準能消除輸入通道的失調(diào)和增益誤差，背景校準能消除溫度漂移、電源波動和時間漂移的誤差。這些校準均由微控制器的軟件來實現(xiàn)?！啤鰽/D轉換器的基本思想是基于過采樣技術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轉換技術有三個主要優(yōu)點：① 采用一位編碼技術，故模擬電路少；② ADC前面抗混（模擬低通）濾波器設計容易；③ 提高信噪比。本次設計中AD7710的轉換速度設為10HZ，通過實驗得知，其有效精度高達20位，滿足了設計的要求。 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℃，然而采取擴展讀后，其測量井度可達到177。3℃.DS1629的溫度轉換方式有兩種：連續(xù)轉換與單詞轉換。DS1629出廠時設定為一上電即開始連續(xù)測量溫度，即連續(xù)轉換方式。這一操作類似后臺工作，主控CPU可連續(xù)讀取溫度寄存器，而不會影響穩(wěn)定的測量與轉換。由于DS1629的溫度測量轉換速度很快，而且在連續(xù)穩(wěn)定轉換模式下DS1629的功耗增加，如果讓其在整個壓力計的采樣時間內(nèi)連續(xù)穩(wěn)定轉換，則必然增加系統(tǒng)的功耗。因此程序設計時，讓其一上電就處于單次轉換模式，那么DS1629在一次溫度轉換完畢后，回到待機模式，這就降低了整機的功耗。 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AAH、A8H、A9H分別讀取溫度寄存器（TEMP_READ）、計數(shù)寄存器（COUNT_REMAIN）、斜率寄存器（COUNT_PER_C）,然后通過下式的計算以提高轉換精度。 T=+式（21） 實驗證明，選取DS1629進行測溫并通過擴展讀的方法，溫度精度達到了177?！妫瑵M足設計指標。 電源控制部分 由單節(jié)電池，升壓片MAX619，模擬轉換開關MAX4624以及電源監(jiān)控芯片MAX6315構成的電源部分，起到了對電源的開關控制。本系統(tǒng)采用了在井下工作時無法從井上得到電能，只能采用電池供電。為了能夠長時間井下采集要求，要求系統(tǒng)功耗要小。為了達到低功耗目的，我們除了選用低功耗的元器件，整個系統(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間點為儀器供電，其余時間只為定時器供電，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：一路為定時器及其相關元件供電：另一路為采樣、計算、存儲環(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（接上電池），MAX6315產(chǎn)生100ms的復位，RST引腳變化低電平（維持100ms），因此模擬開關MAX4624的控制腳INI為低電平，此時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)。待采樣結束后，因此MAX4624的控制腳IN1變?yōu)楦唠娖?。此時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V1=，因此時鐘時刻有電，保證了時間的準確性。下次采樣時刻到達后，時鐘芯片DS1629發(fā)出報警信號，即ALARM引腳產(chǎn)生下降沿，因此復位芯片的手動復位端MR有效，MAX6315產(chǎn)生復位，RST腳變?yōu)榈碗娖?，從而升壓片產(chǎn)生輸出電壓，系統(tǒng)循環(huán)工作。 存儲部位 本儀器采用24C1024作為存儲元件。24C1024采用I2C總線技術，含禁止寫入腳（WP）。系統(tǒng)要求存儲容量在1M位，所以共用1片24C1024。存儲器分成兩部分：一部分為測量數(shù)據(jù)存儲區(qū)；另一部分為控制數(shù)據(jù)存儲區(qū)。為防止數(shù)據(jù)出錯，測量數(shù)據(jù)存儲區(qū)要求一次只有一片可以寫入。~，可以實現(xiàn)此要求。對于另一部分控制數(shù)據(jù)區(qū)，又可以分為兩部分：浮動工作表部分；固定工作表部分。浮動工作表部分在數(shù)據(jù)采集時被下位機改寫。固定工作表部分存儲的是上位機傳下來的固定工作表，只有與上位機通訊時，才允許下位機改寫里面的內(nèi)容。硬件電路見附圖部分。 定時控制部分 此部分有DS1629以及MAX6315組成。DS1629同樣為I2C總線元件，其SDA、報警時間以及浮動工作表分別寫入DS1629的控制單元、報警時間寄存器及片內(nèi)RAM。當當前時間與報警時間相同時，DS1629發(fā)出報警：ALARM腳發(fā)出低電平。此電平將一直維持到再次對DS1629的時間寄存器或報警時間寄存器進行讀寫操作后，ALARM端才恢復常態(tài)（DS1629的ALARM端常態(tài)電平狀態(tài)及報警電平狀態(tài)可由控制字設置）。ALARM腳發(fā)出低電平后，復位芯片產(chǎn)生手動復位，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 在介紹了一些常用的器件后，本章就針對壓力計的測量部分，計算部分，時間控制部分，電源控制部分，存儲器部分的原理做了詳細的闡述。 第3章 系統(tǒng)軟件在本章中，將詳細的闡述壓力計應用系統(tǒng)的軟件流程。首先，就I2C總線的應用，給出了基本時序；然后是存儲單元軟件實現(xiàn)；其次是測量軟件實現(xiàn)；再次敘述了對DS1629的一系列操作；最后給出了壓力計程序的主流程框圖。 測井數(shù)據(jù)采集部分 測井數(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 時鐘控制部分 這部分主要詳述了對DS1629的一系列操作，其中包括DS1629的初始化、以及對DS1629時間寄存器的讀寫、浮動工作表的讀寫操作。A． DS1629初始化發(fā)地址、寫控制字有應答有應答有應答發(fā)寫控制字命令發(fā)控制字 否 否 否是是是發(fā)起始信號發(fā)停止信號、返回 DS1629初始化流程圖B、讀時間發(fā)地址、寫控制字發(fā)非應答及停止信號發(fā)應答、地址加一發(fā)控制字重發(fā)起始信號發(fā)地址、讀控制字發(fā)讀時間控制字發(fā)地址、寫控制字去時間錯誤處理程序讀入一字節(jié)有應答有應答有應答有應答有應答AA讀出時間正確返回發(fā)起始信號NNNNNYYY