单片机在井下油气压力存储测试系统中的设计应用

ADuC812是美国ADI(Analog Device Inc)公司生产的高性能单片机，是全集成的12位数据采集系统。它在芯片内集成了高性能的自校准多通道ADC（8通道12位高精度）、2个12位DAC以及可编程的8位MCU（与8051兼容）。片内有8kB的闪速/电擦除程序存储器和在线下载/调试/编程的功能、640B的闪速/电擦除数据存储器、256B片内数据存储器以及与8051兼容的内核。另外MCU支持的功能包括看门狗定时器、电源监视器以及ADC DMA功能。同时为多处理器接口和I/O扩展提供了32条可编程的I/O线、与I 2C兼容的串行口、SPI串行接口和标准UART串行接口。MCU内核和模拟转换器均有正常、空闲和掉电工作模式，在工业温度范围内器件可在3V和5V两种电压下工作，提供了适合于低功耗应用的灵活的电源管理方案。

2 系统的结构和主要特点

ADuC812单片机的结构框图如图1所示，主要特点如下：


（1）具有高速（200kSPS）8通道12位高精度的ADC，片内40×10－6/℃电压基准，片内集成温度传感器。ADuC812单片机的ADC有三种工作模式：用软件或通过把转换信号加至外部引脚 convst可以执行单步或连续转换模式；用定时器T2产生A/D转换的触发信号执行单步或连续转换模式；配置ADC工作在DMA模式。在DMA模式，ADC连续采样并把采样结果自动写到预定的外部 RAM空间，而不需要来自MCU核的任何干预。这种模式可以实现200 kSPS高速A/D转换，DMA模式尤其适用于要求高速采样数据流的存储测试系统。

（2）DPP数据页指针可以访问最大为16MB的大容量外部数据存储器。ADuC812具有扩展64kB的程序存储器和16MB的数据存储器。图2为扩展 16MB数据存储器的接口电路。P0作为分时复用的地址/数据总线，它先送出数据指针的低位字节（DPL）作为低位地址，由ALE锁存到低位地址锁存器，然后给出数据（写操作时）或变为高阻态（读操作时），由SRAM把数据加载到数据总线。P2口在P0口送出数据指针的低位字节的同时，它送出数据指针页字节（DPP），并由ALE锁存到高位地址锁存器，然后给出数据指针的高位字节（DPH）作为中位地址。当P2口没有外接锁存器时，DPP被忽略，ADuC812同8051一样访问外部64kB数据存储器。


（3）ADuC812可以工作在低电压、低功耗的省电模式。它可以在3V或5V电压下工作，具有正常、空闲和掉电模式。通过软件可以控制芯片从正常模式切换到空闲模式，也可以切换到掉电（关闭）模式。在空闲模式下，振荡器继续工作，但不与芯片内核接通，芯片上外设可接收时钟信号并处于激活状态。在掉电模式，振荡器停止工作，所有片上外设被关闭，芯片在接收到硬件复位信号或重新上电时，将从掉电模式恢复到正常工作模式。在掉电模式下，ADuC812消耗的总电流约为5uA。

3 在存储测试系统中的应用

由于ADuC812单片机具有高速高精度ADC转换、灵活的电源管理方案和可访问大容量外部数据存储器等性能，所以在存储测试系统设计中， ADuC812单片机为首选。图3为井下油气压力存储测试系统功能图。该系统由主机模块、电源模块、电源监测模块、数据采集模块、数据传输模块和数据处理分析模块组成。主机模块为系统核心部分，它由ADuC812单片机、复位电路、时钟振荡电路、地址锁存器和外部RAM芯片组组成。电源模块是由升压电路、稳压电路和反馈电路组成。锂电池组向电源模块输入7.2V电压，电源模块向数据采集模块输出+12V电压和向整个系统提供+5V稳定的工作电压。电源监测模块由监测电路和指示电路组成，它不时地监测电源的输出，当低于正常范围时，及时通知单片机保存有关数据，关闭有关端口，发出电源低的指示，系统进入掉电工作模式。数据采集模块由量程为0~100MPa的压力传感器、校正电路和信号运算放大器组成，完成数据的采集、放大功能。数据传输模块由专用的PC232接口转换电路组成，这是单片机与微机数据传输的通道。数据处理分析模块具有数据过滤功能、数据比较功能、图表显示功能、图表编辑功能、图表打印功能和自动生成测试报告功能。


在该存储测试系统中，触发点的选择是关键点，也是系统的技术难点。深井油气压力的测试要求测试系统必须在穿甲弹引爆的瞬间能准确地跟踪油气压力的变化，并实时地记录下该时段的压力变化。触发点过早地启动，由于受到存储空间的制约，势必丢失一部分实用数据；触发点启动滞后，必将丢失引爆瞬间重要的油气压力峰值，导致测试失败。所以说，在存储测试系统中触发点的控制尤为重要（限于篇幅，不详述）。ADuC812单片机在采样时工作在DMA模式。

4 结束语

在研制井下油气压力存储测试系统的过程中，对单片机的选型查阅了大量的中、英文资料，最终选定ADuC812作为该系统的单片机，它不仅封装体积小，而且测试系统所需的高性能硬件和功能几乎都集成在片内，经使用系统稳定、可靠。