基于STM32在井壁取心仪器数据采集电路的设计.pdf

196电力工程技术引言旋转式井壁取心是一种方便实用的地质取样技术，对油藏评价和新区开发精细解释及降低成本具有重要意义。旋转式井壁取心作为钻井取心的重要补充，可以弥补钻井漏取的层位，以及对薄层、不连续层段进行点取，节约钻井时间，降低钻井取心风险及费用。目前，使用的旋转式取心器，主要是基于早期的美国哈里伯顿公司的RSCT旋转式井壁取心器技术设计的，该仪器取心颗粒较小，在使用过程中经常出现卡钻、平衡系统容易进泥浆、液压系统可靠性低等问题，易导致电机泵损坏，维修保养工作量大、费用高。针对油田及国内市场需求，在现有的成熟技术背景下，研发一套大颗粒旋转式井壁取心仪器，该仪器达到性能稳定、自动化程度高、操作简单、取心收获率高、单相220V交流供电，取心器探头采用全液压工作方式，由单相电机和齿轮液压泵、液压马达组成动力系统，通过电路控制动作方式电磁阀及动力系统，实现取心过程自动化，以应对市场需求。该仪器由电子线路和探头两部分组成。由于大颗粒旋转式井壁取心仪器中的数据采集电路板空间设计有限，A/D模数转换电路及外围电路设计复杂，成本高，因此不采用A/D模数转换芯片，而采用STM32微处理器芯片。本文介绍了微处理器STM32芯片特点，A/D部分的功能和应用，定时器启动A/D转换功能，DMA传输数据功能，利用C语言编程完成数据采集及A/D模数转换功能。一、设计思想1.电路组成数据采集电路对采集到的各种状态测量数据进行分析，通过使相应电磁阀动作对取心过程实施自动控制。在钻进过程中通过采集、检测、分析电机的电流、钻进压力等参数，控制钻进压力电磁阀、钻进/钻退电磁阀、旋转控制电磁阀，达到钻进取心以及对电机保护目的。数据采集电路主要由微处理器STM32L496ZGT3组成，见图1。通过七个I/O口输入模拟采集电压，并对采集到的模拟量通过定时器外部触发启动A/D模数转换后通过DMA通道进行传输，运算后通过CAN总线传输到相应的控制板及通信接口板。图1微处理器电路图2.微处理器STM32芯片特点STM32是由ST公司开发的基于ARM的32位低功耗微控制器。配备常见的外设诸如多通道ADC、通用定时器、CAN总线接口等。不同于51单片机，它的每一个设备都是非常有特点的，如12位精度的ADC具备多种转换模式，STM32的每一个定时器都具备4个捕获比较单元，STM32有专门为电机控制而设的高级定时器等。STM32还包含7个DMA通道。每个通道都可以用来在基于STM32在井壁取心仪器数据采集电路的设计王勇李红欣周小妮*孙旭政申剑飞赵希军方丽中石化经纬有限公司中原测控公司【摘要】旋转式井壁取心是一种方便实用的地质取样技术，对油藏评价和新区开发精细解释及降低成本具有重要意义。针对市场需求，需研发一套大颗粒旋转式井壁取心仪器。由于大颗粒旋转式井壁取心仪器中的数据采集电路板空间设计有限，A/D模数转换电路及外围电路设计复杂，成本高，因此，采用STM32微处理器芯片。通过介绍了微处理器STM32芯片特点，A/D部分的功能和应用，并设计了以低功耗、高性能、高集成度的STM32为核心的采集控制一体化电路。结果表明，系统通信稳定，数据传输可靠，完成了STM32在大颗粒旋转式井壁取心仪器上的数据采集转换功能，满足仪器测井要求。【关键词】STM32；旋转式井壁取心；电路；A/D；定时器；DMA【DOI】10.12316/j.issn.1674-0831.2023.15.066197电力工程技术设备和内存之间进行8位、16位或32位数据的传输。每个设备都可以向DMA控制器请求发送或接收数据。STM32内部总线仲裁器和总线矩阵将CPU数据接口和DMA通道之间的连接大大地简化了，这意味着DMA单元是很灵活的，其使用方法简单，足以应付微控制器应用中常见的数据传输需求。STM32在具备高性能表现的同时保持低功耗特性。它可以在2V供电的情况下运行，同时在所有设备打开且运行在满速72MHz主频的情况下，也仅消耗36mA的电流；在与Cortex-M3内核的低功耗模式结合之后只有最低达2uA的电流消耗。STM32配备了一系列的硬件来支持对可靠性有高度要求的应用。这些硬件包括一个低电压检测器、一个时钟安全管理系统和两个看门狗定时器。时钟管理系统可以检测到外部主振荡器的失效，并随即安全地将STM32内部8MHz的RC振荡器切换为主时钟源。两个看门狗定时器中的一个称为窗口看门狗。窗口看门狗必须在事先定义好的时间上下限到达之前刷新，如果过早或过晚刷新它，都将触发窗口看门狗复位。第2个看门狗称为独立看门狗。独立看门狗使用外部振荡器驱动，该振荡器与主系统时钟是相互独立的，这样即便STM32的主系统时钟崩溃，独立看门狗也能稳定系统。3.微处理器的ADC简介微处理器STM32L496ZGT3的ADC是12位逐次逼近型的模拟/数字转换器。有3个ADC，ADC 具有独立模式、双重模式和三重模式，对于不同 AD 转换要求几乎都有合适的模式可选。每个ADC可测量不同的信号源，ADC1连接16路外部通道和3路内部通道，ADC2连接16个外部通道和2个内部通道，ADC3连接12个外部通道和4个内部通道，各通道的A/D转换可以按单次、连续、扫描或间断转换模式执行。STM32将ADC的转换分为2个通道组：规则通道组和注入通道组。在任意多个通道上以任意顺序进行的一系列转换，构成成组转换。规则通道相当于正常运行的程序，而注入通道相当于中断。注入通道的转换可以打断规则通道的转换，注入通道被转换完成之后，规则通道才得以继续转换。其中规则组可以一次最多选中16个通道，注入组最多可以选择4个通道。ADC转换可以通过软件启动规则通道和注入通道转换，也可以通过外部触发(定时器事件或GPIO输入事件)来启动转换，设计使用的微处理器STM32L496ZGT3的ADC1和ADC2规则通道的外部触发源见表1，共有16个外部触发源，本次设计使用TIM1_CH2作为ADC1的外部触发源。表1ADC1和ADC2用于规则通道的外部触发名称触发源类型EXTSEL3:0EXT0TIM1_CH1来自片上定时器的内部信号0000EXT1TIM1_CH20001EXT2TIM1_CH30010EXT3TIM2_CH20011EXT4TIM3_TRGO0100EXT5TIM4_CH40101EXT6EXTI line 11外部引脚0110EXT7TIM8_TRGO来自片上定时器的内部信号0111EXT8TIM8_TRGO21000EXT9TIM1_TRGO1001EXT10TIM1_TRGO21010EXT11TIM2_TRGO1011EXT12TIM4_TRGO1100EXT13TIM6_TRGO1101EXT14TIM15_TRGO1110EXT15TIM3_CH41111A D C 的 转 换 结 果 直 接 放 到 数 据 寄 存 器 里。STM32L496ZGT3只有1个16位的规则通道数据寄存器，4个16位的注入通道数据寄存器。如果选择规则通道，多通道转换的话，会导致前面的转换数据被覆盖，只能得到最后一个转换数据。因此使用规则转换的话，最好配合DMA来实现。DMA可以在每个通道转换完了后，把这个转换数据放到别的地方去，防止被覆盖。4.A/D采集电路板的软件设计思路本次设计选择定时器2的捕获比较2作为采集电路板A/D转换的外部触发，定时器设置10ms的周期，独立模式，触发ADC1单次多通道转换，ADC转换结果数据使用DMA方式传输至指定的存储区。这样就不再需要使用TIM和ADC中断资源。编程要点为：初始化配置 ADC目标引脚为模拟输入模式；使能 ADC 时钟和 DMA 时钟；配置DMA从ADC数据寄存器传输数据到我们指定的存储区；配置通用ADC为独立模式，采样4分频；设置ADC为12位分辨率，单次转换，需要外部触发；设置ADC转换通道顺序及采样时间；使能DMA请求，DMA在AD转换完自动传输数据到指定的存储区；启动ADC转换；使能外部定时器触发 ADC 转换。软件编程使用HAL库。首先，初始化A/D转换采集电路用到的GPIO,PC0对应ADC通道ADC_Channel_10，PC1对应ADC通道ADC_Channel_11，PC2对应ADC通道ADC_Channel_12，PC3对应ADC通道ADC_Channel_13，PA0对应ADC通道ADC_198电力工程技术Channel_0，PA1对应ADC通道ADC_Channel_1，PA2对应ADC通道ADC_Channel_2。使用到GPIO时候都必须开启对应的GPIO时钟，GPIO用于模数转换功能必须配置为模拟输入模式。调用 RHEOSTAT_ADC_DMA_CLK_ENABLE函数开启DMA时钟。使用DMA_HandleTypeDef 定义一个DMA初始化类型变量。我们需要对DMA进行必要的配置。首先设置外设基地址就是ADC的规则数据寄存器地址，内存的地址就是我们指定的数据存储区空间。数据传输方向为外设到内存。ADC规则转换对应只有一个数据寄存器所以地址不能递增，而我们定义的存储区是专门用来存放不同通道数据的，所以需要自动地址递增。ADC的规则数据寄存器只有低16位有效，实际存放的数据只有12位而已，所以设置数据大小为半字大小。ADC配置为连续转换模式DMA也设置为循环传输模式。DMA传输通道优先级为高，当使用一个DMA通道时，优先级设置不影响。设置好DMA相关参数后就使用HAL_DMA_Init 函数初始化。调用RHEOSTAT_ADC_CLK_ENABLE函数开启ADC时钟，使用ADC_HandleTypeDef结构体变量ADC_Handle来配置ADC为独立模式、分频系数4、ADC1为12位分辨率、多通道采集、启动单次转换、使用外部定时器事件触发、使用右对齐数据格式、转换通道为7，并调用HAL_ADC_Init函数完成ADC1工作环境配置。使用ADC_ChannelConfTypeDef结构体变量ADC_Config来配置ADC的通道转换顺序和采样周期选择，采样周期越短，ADC转换数据输出周期就越短但数据精度也越低，采样周期越长，ADC转换数据输出周期就越长同时数据精度越高。这里我们选择ADC_SampleTime_92Cycles5 即92.5周期的采样时间。STM32 ADC可以使用外部触发来启动规则通道的模数转换。当外部触发信号被选为ADC规则转换时，只有它的上升沿可以启动转换。这里使用外部触发TIM2_CH2每隔10ms触发一次ADC1的多通道转换。调用GENERAL_TIM_CLK_ENABLE函数开启TIM2时钟,使用结构体变量TIM_PWMOUTPUT_Handle来配置TIM2的在下一个更新事件装入活动的自动重装载寄存器周期的值、用来作为TIM2时钟频率除数的预分频值、时钟分割、TIM向上计数模式。使用TIM_OCInitTypeDef结构体变量来配置TIM脉冲宽度调制模式1、待装入捕获比较寄存器的脉冲值、TIM输出比较极性低。设置完后，使能TIM2外设，使能TIM2在CCR2上的预装载寄存器。二、性能分析和对比在设计过程中充分考虑到其实用性、先进性和可靠性，所以采用了低功耗、高性能、高集成度的微处理器STM32实现数据采集转换的功能，从而对取心过程实施自动控制。力求以软件代替硬件，这样不仅大大提高了采集板的集成度，而且增强了可靠性，减少了硬件电路，降低了硬件电路的故障率，同时也降低了成本。三、结论大颗粒旋转式井壁取心仪器的数据采集电路以STM32芯片为核心，实现了信号模/数转换，采集的参数对取心过程实施自动控制。系统通信稳定，数据传输可靠。对于大颗粒旋转式井壁取心仪能够正常使用，解决掌握地下油气藏的延伸范围，计算其储存油气的数量起到了积极的作用。通过对STM32芯片的使用，探索出技术更新的思路，可以在今后测井仪器研发领域中推广芯片新技术，提高电路集成度，增强仪器稳定性。参考文献：1杨亮.旋转式井壁取心系统软件设计J.测井技术，2010，(5):476-478.2谭伟雄.旋转式井壁取芯器收获率影响因素分析J.录井工程，2009，20（4）：44-47.3冯新宇.ARM Cortex-M3嵌入式系统原理及应用M.北京：清华大学出版社，2020.4蒙博宇.STM32自学笔记（第3版）M.北京：北京航空航天大学出版社，2019.5肖广兵.ARM嵌入式开发实例基于STM32的系统设计M.北京：电子工业出版社，2013.6王文成.ARM Cortex-M4嵌入式系统开发与实战M.北京：北京航空航天大学出版社，2021.7ST（意法半导体）公司.STM32L4Axxx Reference Manual.（资料）.8阎石.数字电子技术基础（第四版）M.北京：高等教育出版社，1998.9ST（意法半导体）公司.Description of STM32F1 HAL and Low-layer drivers.（资料）.10ST（意法半导体）公司.STM32L496xx Reference Manual.（资料）.作者简介：王勇（1978），男，汉族，湖南长沙人，本科，高级工程师，研究方向：勘查技术与工程。通讯作者：周小妮。