摘要：描述了以PIC16F877單片機為主控制器的壓力檢測系統(tǒng)，它主要以惰性氣體作為壓力傳遞介質(zhì)，在地面完成井口氣體壓力的測量，然后通過井口壓力的大小推算井下測壓深度處壓力大小。詳細敘述了系統(tǒng)設(shè)計原理與軟硬件的實現(xiàn)方法，整個系統(tǒng)包含數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)顯示等。經(jīng)過室內(nèi)試驗和現(xiàn)場試驗驗證，這種壓力檢測系統(tǒng)具有精度高、穩(wěn)定性好、實時性強等優(yōu)點，可滿足測量現(xiàn)場環(huán)境的要求。
關(guān)鍵詞：PIC16F877；測壓；數(shù)據(jù)采集；實時顯示

    目前，我國油井主要采用的是電子式井下壓力測量系統(tǒng)，由于電子壓力傳感器長期工作在高溫環(huán)境中，所以存在漂移問題，而且可靠性不高。同時這種儀器大多數(shù)將采集的數(shù)據(jù)存儲在存儲器中，缺乏實時性測量的要求。而本文所介紹的井下壓力采集系統(tǒng)是一種新型的壓力測量系統(tǒng)，其主要是以惰性氣體作為壓力傳遞介質(zhì)，在地面完成對井口氣體壓力的測量，然后通過井口壓力的大小推算井下測壓點處壓力大小。其主要特點是所有的測量都在地面上進行，避免了井下復雜環(huán)境對測量結(jié)果造成的影響，同時也滿足了系統(tǒng)的實時性要求。

1 井下壓力測量系統(tǒng)工作原理
    井下測壓系統(tǒng)的基本原理是帕斯卡定理。整個套管設(shè)備在測壓時被下放到井下測壓點處，地面可以通過壓力泵向傳壓筒內(nèi)充放氣體，為維持井液與高壓氣體接觸的氣液面平衡，傳壓筒里面的氣體要定期進行補充。根據(jù)帕斯卡定理，傳壓筒內(nèi)氣體的壓力等于井液的壓力，將信號采集到PIC16F877中，在PIC16F877中根據(jù)相應的算法計算出井內(nèi)的壓力值，并進行存儲、實時顯示和數(shù)據(jù)回放。

2 硬件電路設(shè)計
    壓力檢測系統(tǒng)主要由以下幾部分組成，分別為數(shù)據(jù)采集電路、數(shù)據(jù)存儲電路、數(shù)據(jù)顯示以及數(shù)據(jù)回放。數(shù)據(jù)采集電路主要使用PIC16F 877單片機對壓力數(shù)據(jù)進行實時采集數(shù)據(jù)，存儲電路使用型號FLASH存儲芯片；數(shù)據(jù)顯示使用的是智能顯示器；數(shù)據(jù)回放采用RS-232串行接口，將存儲在flash芯片中的數(shù)據(jù)回放到計算機中。圖1為壓力檢測硬件電路的設(shè)計框圖。

2．1 壓力傳感器的選取
    壓力的測量一直以來受到壓力傳感器技術(shù)的制約，其測量的準確程度取決于壓力傳感器的技術(shù)指標，根據(jù)壓力檢測系統(tǒng)的設(shè)計要求，最后決定選用德國HeLM公司生產(chǎn)的HM10高精度壓阻式壓力傳感器，此傳感器采用了最堅固可靠的壓力敏感元件，特別適合于野外的壓力測量。  HM10主要的性能指標如下：
    1)工作溫度：-40～85℃
    2)沖 擊：100 g，11 ms
    3)振 動：10 gRMS．20～2 000 Hz條件下無變化
    4)壓力量程：-0．1 MPa～0～10 kPa…70 MPa
2．2 壓力采集電路設(shè)計
    壓力檢測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集主要是通過單片機PIC16F877來完成。壓力檢測系統(tǒng)設(shè)計中有一項要求就是精度要達到0．1％FS，且采集最小間隔為1 s，鑒于這兩個要求，在數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計時選用精度很高的多通道24位芯片ADS1226，具有100SPS的數(shù)據(jù)采集率，符合最小1 s的數(shù)據(jù)采集間隔。

    圖2為壓力采集電路的連接圖，其中，P3．0、P3．1、P3．2、P3．3為單片機的I／O接口，分別與ADS1226的START、SCLK、DOUT、MUX引腳相連。其中P3．0控制著ADS1226的啟動信號，當P3．0輸出高電平時，ADS1226開始進行數(shù)模轉(zhuǎn)換，當P3．2輸入低電平時A／D轉(zhuǎn)換完成，轉(zhuǎn)換完的數(shù)據(jù)信號隨著SCLK傳輸?shù)絇IC16F877單片機內(nèi)。由于壓力傳感器HM10輸出的是4～20 mA的電流信號，而ADS1226是一個電壓采集芯片，在此處選用了型號為ISO-A4-P3-04的電流轉(zhuǎn)電壓芯片。ISO-A4-P3-04把4～20 mA的電流信號轉(zhuǎn)換成了0～5 V的電壓信號。
2．3 數(shù)據(jù)存儲電路設(shè)計
    井下數(shù)據(jù)測量期間可能會有大量的原始數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)對油井狀況的評估是一份寶貴的資料，因此測量系統(tǒng)在設(shè)計時要考慮數(shù)據(jù)的存儲。本系統(tǒng)選用的是大容量Flash存儲器。該器件采用三星公司的CMOS浮置門技術(shù)和與非存儲結(jié)構(gòu)，存儲容量為64M×8位，除此之外還有2 048k×8位的空閑存儲區(qū)。對528字節(jié)一頁的寫操作所需時間典型值是200 μs，而對16 k字節(jié)一塊的擦除操作典型值也僅需2 ms。每一頁中的數(shù)據(jù)讀出速度也很快，平均每個字節(jié)只需50 ns，已經(jīng)與一般的SRAM相當。8位I／O端口采用地址、數(shù)據(jù)和命令復用的方法。這樣既可減少引腳數(shù)，還可使接口電路簡潔。片內(nèi)的寫控制器能自動執(zhí)行寫操作和擦除功能，包括必要的脈沖產(chǎn)生，內(nèi)部校驗等，完全不用外部微控制器考慮，簡化了器件的編程控制難度。如圖3為單片機PIC16F877與Flash存儲器的接口連接圖。單片機的P5．0～P5．7管腳與Flash的8為I／O口相連。

2．4 數(shù)據(jù)顯示電路設(shè)計
    壓力檢測系統(tǒng)采用了彩色智能顯示液晶屏，該系列顯示器采用集成化CPU，內(nèi)置一級漢字庫(二級字庫可選)，采用標準指令集，通過RS232C接口或打印機并行口接收控制命令和數(shù)據(jù)。同時為了提高通訊速度，顯示器內(nèi)設(shè)置了一個256字節(jié)的輸入緩沖區(qū)。在發(fā)送數(shù)據(jù)前應先檢查DTR(液晶顯示器上串口名稱)信號，若DTR為高電平(TTL)，表示緩沖區(qū)滿，要等到DTR信號變?yōu)榈碗娖?TTL)后再發(fā)送數(shù)據(jù)。即DTR為低電平(TTL)時發(fā)送數(shù)據(jù)，DTR為高電平(TTL)時停止數(shù)據(jù)發(fā)送。如果每組的數(shù)據(jù)量少于256字節(jié)，同時每組之間又有足夠的間隔，則不需要判斷DTR位信號也可連續(xù)發(fā)送。
    壓力檢測系統(tǒng)在處理器與液晶屏通信時采用的是串口的形式，把PIC16F877的P4．6管腳當作通用I／O口直接與液晶屏的串行接口向連接，標準的RS-232在進行通信時只需要發(fā)送、接收和地線(GND)3個管腳即可，因此液晶顯示器與處理器的連接十分簡單。但是由于PIC16F877管腳能承受的電平最大5．5 V，而串行接口的電平是TTL電平，所以在連接這兩個器件時必須添加一個電平轉(zhuǎn)換芯片MAX3232，具體的連接方式如圖4所示，圖中YJ-RXD是液晶屏的串行接收接口，P4．6為PIC16F877的發(fā)送端口，MAX3232起到了一個電壓轉(zhuǎn)換的作用。數(shù)據(jù)回放主要指的是將存儲在FLASH存儲芯片中的數(shù)據(jù)回放到PC機上，PC機接收數(shù)據(jù)采用的是串口RS-232，通過MAX3232進行連接，如圖4所示，這里不再敘述。

3 軟件設(shè)計
    本系統(tǒng)軟件設(shè)計主要是單片機系統(tǒng)軟件設(shè)計。PIC16F877的內(nèi)核CPU結(jié)構(gòu)是按照精簡指令集和高透明指令的宗旨來設(shè)計的，因此單片機開發(fā)采用專門用于PIC16F877系列單片機而設(shè)計集成開發(fā)環(huán)境，編程采用C語言。PIC16F877作為主CPU。PIC16F877在系統(tǒng)中主要負責壓力數(shù)據(jù)的采集、系統(tǒng)的啟動、采集數(shù)據(jù)的處理、數(shù)據(jù)的顯示和上位機數(shù)據(jù)的回放等。其軟件的主程序流程圖如圖5所示。

    在整個壓力采集系統(tǒng)中，通過PIC16F877單片機來控制啟動A／D轉(zhuǎn)換，單片機共采集12個數(shù)據(jù)，去掉最大與最小的數(shù)據(jù)，取平均值，作為一個井口壓力值。在根據(jù)相應的算法，通過進口壓力值計算出測點壓力和油層壓力，再把這3個數(shù)據(jù)進行存儲和顯示。

4 結(jié)束語
    本文設(shè)計的壓力檢測系統(tǒng)通過了現(xiàn)場實驗的測試，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，采集了大量的數(shù)據(jù)，通過改變測試條件驗證了測得壓力值的準確性，由于要長期實時監(jiān)測井下壓力，F(xiàn)lash存儲器可以存儲10天的數(shù)據(jù)，所以該系統(tǒng)連續(xù)工作10天后要對數(shù)據(jù)進行回訪，并存儲在計算機上，以便后續(xù)參考。井下壓力檢測系統(tǒng)是通過測量井口壓力來推算井底壓力的方法來實現(xiàn)壓力測量的，這就避免了井下的復雜環(huán)境，從而減少了環(huán)境對測量的影響。同時使用液晶屏將測量數(shù)據(jù)進行實時的顯示，滿足了實時性測量的要求。