基于PIC24單片機井下溫度探測電路系統設計?

王冠軍，李楠楠，葉 欣，劉軍寧

（1 光電油氣測井與檢測教育部重點實驗室（西安石油大學），陜西西安 710065；2 大慶鉆探集團地質錄井一公司，大慶 613411）

0 引言

在油氣探測開發中，地層溫度是描述油氣藏特征的重要參數之一，是勘探、鉆井、測井、完井和采油工程的一個重要參數，是評價地層信息的重要依據。因此，在油氣探測開發過程中對溫度的測量也成為油氣生產中的重要活動。近年來地質工作人員一直都在研究地層的溫度與地層介質規律。盡管井下情況復雜，研究十分困難。但是，通過研究，還是加深了對地層溫度與地層介質的認識，增加了地層溫度對石油勘探的應用價值。工作人員在研究地層溫度與地層介質關系的同時，也對溫度的測量提出要求，這就要求硬件能夠準確和快速獲取溫度數據。本文設計溫度測量電路能夠快速獲取溫度信號并經軟件處理傳送到地面系統。

1 系統總體框架設計

溫度探測電路系統主要由5部分構成，溫度傳感器、井下測溫電路、井下PIC 單片機控制器、電纜驅動電路、地面系統。其總體框圖如圖1所示。

圖1 系統總體框圖

2 系統硬件設計

2.1 溫度傳感器選擇

測量電路首先要把溫度轉換成電信號，這就要考慮傳感器的選取。綜合考慮本電路設計特點、被測量環境的溫度范圍、使用的探測材料的穩定性，以及物理特性與溫度變化的關系等，選用鉑電阻作為系統的測溫元件。鉑電阻的特點是性能可靠、精度高、穩定性好、測量溫度范圍大、其線性度較高且不需進行冷端補償。

該鉑電阻測溫范圍一般為-70℃～+600℃。其熱響應時間特別小，適合于測量表面溫度和動態溫度檢測。

在0℃～630℃范圍內，鉑電阻的電阻值與溫度間的關系可以精確地表示為：

式中，Rx表示的是溫度為t℃時鉑電阻的電阻值，R0表示溫度為0℃時鉑電阻的電阻值（Ω），A、B、C為常數。對于Pt100，R0=100Ω，A=3.90802×10-3℃，B=-5.802×10-7℃，C=0。由公式可以得出在100℃時，電阻值的變化量是38.5Ω，而由Bt2帶來的變化量為0.58Ω，在系統中影響為1.5%。因此可將其近似作為線性器件來使用。

2.2 溫度轉換電路和調理電路設計

溫度轉換電路和調理電路的作用是把溫度信號轉化為電信號經過放大后經過開關芯片，最后信號進入采集電路。溫度調理轉換電路由R1、R2、Rx、VR1、C1、A1構成，其中將溫度傳感器Pt100也就是Rx 接在A1的負反饋回路中，C1并聯在A1的兩端；R3、R4、VR2、A2構成放大回路，其中的放大倍數是可調的。R5主要是限流，C2是將輸出信號中的交流濾去。HI-201是開關芯片，因為后續的采集電路在不同的時間段要采集來自地層的其它信號。所以，最后通過單片機對SW1腳控制此開關芯片完成對不同信號的切換，把信號輸入采集電路完成采集。

溫度轉換電路和調理電路原理，如圖2所示，其中Rx表示的是鉑電阻Pt100傳感器的阻值。

圖2 溫度轉換電路和調理電路原理

在圖2中，可以通過調整VR1的阻值來使在0℃時，輸出信號的電壓值為0 V，調整VR2的阻值來改變該電路的放大倍數，確保溫度探測信號的幅度在AD的采集范圍內以及足夠的分辨率。選取合適的R1、R2、VR1的數值，可以使輸出的電壓信號U0與溫度的變化呈線性關系。

2.3 采集電路與控制電路接口設計

2.3.1 采集電路設計

溫度采集電路的核心是采集芯片ADS8519。ADS8519采集芯片具有以下特點：最大積分非線性(INL)為±1.5LSB；最大差動非線性(DNL)為±1 LSB；采樣率為250kHz；靈活的模擬輸入范圍，芯片可配置的工作電壓范圍為±10V、±5V、0-8.192V；采用串行接口；單一+5V模擬電源供電；采樣和轉換時間最大為4us；功耗低，工作在250kHz 采樣率時功率為110 mW。溫度采集電路如圖3所示。

圖3 采集電路

采集電路芯片ADS8519的時鐘設置為外部時鐘模式；模數轉換輸出標準二進制碼；使用外部基準電壓電路；允許輸入采集電路的模擬信號的范圍是±5V。

2.3.2 控制電路接口設計

控制電路的主要功能是通過控制器控制相應管腳控制采集芯片在相應的時間段對溫度信號進行采集，然后把接收到的數據作相應的編碼處理傳給地面處理系統。

由于單片機PIC24FJ128GA010與ADS8514都支持SPI 協議，因此本電路使用SPI 接口傳輸采集數據。接口電路如圖4所示。

圖4 單片機PIC24FJ128GA010與ADS8514接口電路

ADS8514是16位模數轉換芯片，單片機PIC24FJ128GA010在SPI模式時接收數據可選擇8位或16位模式通信，這里ADS8514設置非連續外部時鐘模式；單片機采用主控模式，16位字寬進行數據接收。

圖5 ADS8514控制時序圖

根據圖5 ADS8514控制時序圖采集數據模塊具體操作如下：

（2）查詢外部中斷標志位，由于BUSY 引腳標示ADS851轉換狀態，該管腳與單片機的INT0腳連接，通過把單片機設置為外部上升沿中斷觸發，當ADS851轉換完成后，BUSY 引腳置位，觸發外部中斷，置位外部中斷位。

（3）接收第N個數據，對（N+1）個模擬信號進行采樣。

3 系統軟件設計

軟件流程如圖6所示。

圖6 軟件數據采集流程圖

4 實驗結果及分析

通過對圖2中的各個參數選取合適的數值，其測試數據及理論數據如表1所示（只選取了數值的一部分）。

表1 測試數據及對應的理論數值

圖7 溫度與電壓信號值的關系

按照溫度電路原理圖分析可知，參數選取合適的數值，其溫度與對應的電壓信號值呈線性關系。將以上兩組數據進行繪圖，其結果如圖7所示。從圖7可以看出，理論數值與實驗數值分別與對應的溫度值呈線性關系，其趨勢基本吻合，只是實驗數值的曲線相比理論值整體抬高了，也就是實驗數值曲線減去一個固定值就可與理論值曲線相重合。表1中的Δx表示的就是對應于同一個溫度值其實驗值與理論值的差值，其最大值為0.230 V，最小值為0.212 V。經過分析，最后取其平均值Δx=0.222 V，在地面上經過軟件處理的時候，只需給探測到的數值減去一個固定值0.222 V，就可使實驗數值曲線與理論數值曲線基本上相重合。也就是說本設計測溫電路能夠達到預期目標，滿足設計要求，能夠應用于實際的生產實踐中。

5 結論

本設計已經過室內的模擬測試實驗，測試數據能真實反應出探頭外界溫度的變化，測試數據與硬件電路輸出電壓相符，使用處理軟件對測試數據進行修正，實驗結果完全能夠達到設計要求。

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