基于MSP430的石油井下壓力測試系統的設計

1 引言
??? 壓力數據在油田開采過程中是一項極重要的資料。而這其中的射孔工藝是關鍵環節，其對高質量打開油氣層，提高油氣井產能都有重要影響。射孔是打開油氣層讓地層流體流入井內的主要完井工序。測取射孔瞬間動態壓力參數具有重要意義；確定每次射孔的施工效果；結合其他測試參數評價地質效果：研究射孔工藝機理，為我國射孔理論水平的發展創造有利條件。該參數的測取也是研究油氣層特征，掌握油氣層動態。檢查地面采油工藝流程的重要手段。為此，必須借助于各種精密的壓力測量儀表。以獲得精確的壓力數據。

2 測試系統設計
2．1 存儲測試原理簡介
??? 存儲測試系統是用以完成存儲測試的物理系統，可工作在高溫、高壓、強沖擊振動、高過載等惡劣環境下，自動完成被測信息的實時采集與存儲記憶。它將傳感器、適配電路、數字化存儲記錄電路、通訊接口、控制指示單元和電源集成為一體，構成一個小型化的、可安裝在被測體內(相對)獨立丁作的測試系統。由于存儲測試系統具有體積小、功耗低、可重復使用、抗干擾性好及能適應特殊環境等特點，所以對于工程測試，特別是在野外惡劣的環境下，存儲測試系統提供了一個很好的解決方案。
??? 這里設計的儀器必須能夠在高溫、高壓、高沖擊的油井中安全、可靠的取得射孔壓裂數據，且能保持數據長時間不丟失，可順利回收被測信息。因此該系統除需能耐高溫、高壓、高沖擊振動的電路外，還必須對其保護，防止儀器損壞。
2．2 系統工作原理
??? 系統原理框圖如圖1所示。

??? 石油井下射孔壓力測試系統選用編程自適應分段均勻采樣策略，即通過事先編程確定記錄過程分為若干個均勻采樣階段，每一階段的開始時間、采樣頻率、存儲點數是根據被測信號的變化自適應調整的。此系統在單片機程序的控制下，上電延時50 s后，在觸發信號到來之前，以1 Hz的采樣頻率進行低頻采樣A／D轉換，并將MD轉換輸出的數據存人存儲器。觸發信號到來后，開始以100 kHz的采樣頻率采樣，連續采樣滿128 K字數據，再以500 Hz采樣，至采滿256 K字，數據停止采樣。當電路回收后，可通過RS232接口將存儲器中的數據讀至計算機．以便后續處理。

2．3 MSP430單片機低功耗的設計
??? MSP430系列單片機具有獨特的時鐘系統設計，包括兩個不同的時鐘系統：基本時鐘系統和鎖頻環(FLL和FLL+)時鐘系統或數字振蕩器(DCO)時鐘系統。由時鐘系統產生CPU和各功能模塊所需時鐘，這些時鐘可在指令的控制下打開或關閉，從而控制總體功耗。由于系統運行時所使用的功能模塊不同，即采用不同的工作模式，器件的功耗有明顯區別。系統具有1種活動模式(AM)和5種低功耗模式(LPM0～LPM4)。MSP430系列單片機各個模塊運行完全獨立，定時器、輸入／輸出端口、A／D轉換、看門狗等都可在主CPU休眠的狀態下獨立運行。當需要主CPU工作時，任何一個模塊都可以通過中斷喚醒 CPU，從而使系統以最低功耗運行。這是MSP430系列單片機最突出的優點。
??? 為充分利用CPU的低功耗性能，使其工作于突發狀態。通常情況下，根據需要使用軟件將CPU設定到某一種低功耗工作模式下，在需要時使用中斷將CPU從休眠狀態中喚醒，完成工作后又可進入相應休眠狀態。圖2為MSP430F1611單片機的基本配置電路。

3 狀態設計及系統狀態分析
3．1 狀態設計理論
??? 狀態設計是指根據被測對象的運動規律確定存儲測試系統狀態組織結構的過程。它是實現功能設計的關鍵環節，是硬件設計的依據，也是建立基型存儲測試系統的有效手段。狀態設計可以使設計思想始終清晰地貫穿于設計和調試，不同程度地簡化原本復雜的設計過程。
3．2 系統的狀態分析
??? 根據狀態分析，存儲測試系統完成一次有效的數據測試，大致需經6個過程：等待狀態A0，低速采存狀態A1，高速采存狀態A2，低速采存狀態A3，信息保持狀態A4，數據讀出狀態A5。MSP430F1611通過控制ONA、ONB分別產生VDD= 3．6 V、VEE=3．6 V，OE、WE、CE分別為存儲器的讀、寫、片選控制信號。ONA信號為低電平時輸出VDD，為高電平時關閉。ONB為低電平時輸出VEE，為高電平時關閉。圖3為系統狀態轉換圖，詳細分析系統各工作階段的電源開閉情況及低功耗模式。

??? 等待狀態A0對系統進行初始化，復位操作。其中，在I／O初始化中，設置上電外部中斷，當ONA、ONB為OE、WE、CE為低，電源VDD、VEE關閉，初始化通用寄存器，將內部DCO晶振8分頻，初始化定時器A，通過TA中斷延時50 s．等待電源穩定后進入低功耗1。

?? 低速采存狀態A1中，延時50 s后，使ONA、ONB、CE為低，OE、WE為高，電源VDD、VEE打開，存儲器片選端有效，初始化時鐘，使子系統時鐘設置為外部高頻時鐘源．初始化 A／D轉換器并設置單通道單次轉換模式，初始化定時器B，由TB中斷實現采存，初始化中TB每隔0．01 ms中斷一次，在采存過程中A／D轉換器一直處于100 kHz的高速采樣狀態。并將數據送入FIFO。頻率變換則通過存儲器推地址來實現，此狀態是采樣射孔前井下靜壓，因此采用1 Hz進行低速采存。
??? 高速采存狀態A2中，將128 K作為是否變頻的標志，ONA、ONB、CE為低，OE、WE為高，電源VDD、VEE打開，存儲器讀、寫端有效，由數字內觸發方式實現觸發變頻。當觸發信號來臨，改變存儲器推地址，實現100 kHz高速采存。低速采存狀態A3中，ONA、ONB、CE為低，OE、WE為高電源VDD、VEE打開，存儲器讀、寫端有效，改變存儲器推地址，實現 500 Hz低速采存，將256 K作為是否采滿的標志。
??? 信息保持狀態A4中，定時器A、定時器B禁止中斷，ONA為低，ONB、OE、WE、CE為高，打開VDD=3．6 V，存儲器處于有效狀態，于是數據保存在存儲器內，關閉A／D轉換器，清零地址位，進入低功耗4模式，等待讀數中斷。數據讀出狀態A5中，通過讀數中斷初始化串口讀數，設置時鐘為外部8 MHz高頻晶振，通過串口向計算機傳輸采存到的數據，讀數完畢進入低功耗4模式。

4 實驗數據
??? 測試實驗由信號發生器提供頻率10 Hz正弦波，數據采集完畢讀數后情況如圖4所示，其中橫縱坐標分別表示采集到的數據的點數和比特數，單位分別是點和bit。系統完全實現觸發和變頻采樣過程。被測信號為lO Hz正弦波，直接觸發進行高頻100 KHz采存和低頻500 Hz采存，一個周期內采樣10 000個點，在131 072點處變頻采存，因此高頻采樣得到約13個正弦信號周期，高頻采樣時間約為1．3 s。

5 結束語
??? 系統利用MSP430系列單片機內部提供的12 bit的A／D轉換器進行數據采集，該采樣方式大大簡化了電路設計，并能使測量結果達到較高的精度；此測試系統可減小電路板的體積，從而減小整個裝置的體積；由于MSP430單片機超低功耗的設計，大大簡化了系統。實驗結果證明，此測試系統具有較好的實用性。