基于PIC16F688的隨鉆儀器鋰電池監(jiān)控系統(tǒng)的設計

石倩，潘興明，孫成芹

（北京石油機械廠 北京 100083）

隨著隨鉆測井、導向技術的發(fā)展，石油鉆井隨鉆測井方法不斷豐富，如聲波測井，方位密度中子測井、實時電阻率圖像，多探測深度的定量成像測井，近鉆頭地質導向測井，旋轉導向測井等測井方法也逐漸應用到石油鉆井領域中。研發(fā)出多樣化的隨鉆測井、導向技術的儀器為鉆井工作人員進行實時決策提供了豐富的井下信息，為更全面地分析、判斷正在鉆遇地層的地質、工程情況，適時地調整鉆進方向，控制最有利的井眼軌跡，實現(xiàn)預期鉆井目的，節(jié)約鉆井工作時間，降低噸油成本起到了越來越重要的作用，應用前景十分廣闊[1]。

測井儀器種類越來越多，其使用的井下電子電路復雜性越來越大，所需要解決的供電、節(jié)能問題日益突出。目前，井下隨鉆測量系統(tǒng)的供電電源主要分為井下渦輪發(fā)電機與電池兩種方式，渦輪發(fā)電機雖然能夠提供長時間供電，但其在泥漿泵停泵時不能發(fā)電，導致儀器工作中斷，信息丟失，因此，電池供電是必不可少的供電方式。隨鉆儀器長期工作在井下高溫環(huán)境中，必須使用耐高溫的鋰電池來供電，而目前高溫鋰電池還不能實現(xiàn)充電循環(huán)使用。鉆井工程中，一次起下鉆的成本很高，通常不會使用電量不足的舊電池入井，以避免因為電池電量不足引起起下鉆次數(shù)的增加，這會導致大量鋰電池在電量剩余較多的情況下便報廢處理，造成浪費（高溫鋰電池價格昂貴，報廢處理費用也頗高）。

鋰電池是指以鋰為負極材料的化學電池的總稱，通常鋰電池在放電過程中，電池電壓與剩余電量、工作時間之間不是線性關系，一旦電池剩余電量低于臨界值，電池輸出電壓會快速下降，所以不能簡單地采用電壓采樣，通過函數(shù)計算剩余電量[2-3]。電池的電量一般用安時（Ah）來計算，它表示電池工作在額定電壓下，以某個固定的電流放電能夠持續(xù)的時間。

為了盡可能充分地使用鋰電池的有限電量，發(fā)揮舊鋰電池剩余電量的作用，在深入學習鋰電池工作特性的基礎上，本文設計了一種主、從鋰電池監(jiān)控系統(tǒng)作為井下儀器的供電系統(tǒng)。其主要特點是兩組鋰電池共同供電，采用PIC16F688單片機作為主控芯片進行設計。硬件體積小，功耗低，系統(tǒng)具有電池電量統(tǒng)計精確，穩(wěn)定可靠等優(yōu)勢。現(xiàn)場應用驗證，此系統(tǒng)適用于石油鉆采井下工況，有效地提高了隨鉆儀器鋰電池使用效率，減少了鋰電池報廢數(shù)量。

1 井下隨鉆儀器主、從鋰電池監(jiān)控系統(tǒng)工作原理

本系統(tǒng)采用兩組電池構成主、從電池系統(tǒng)作為井下儀器的電源，主、從電池并聯(lián)為后續(xù)電路供電，但從電池在并聯(lián)之前由單片機控制的電子開關控制其是否向后供電。首先由主電池對井下儀器進行供電，同時對主電池進行監(jiān)測，當主電池的電壓降低到某個設定值，或者主電池的耗電量超過其本身額定電量的90%后，切換到主、從電池共同為負載供電。這樣做的好處是：可以將剩余電量不多的舊電池用作主電池，將新電池用作從電池，從而保證實際應用過程中，舊電池的電量幾乎耗盡新電池才開始供電，達到減少電池電量浪費的目的。同時系統(tǒng)對電池的放電電流按某一固定頻率進行采樣，將所有采樣值累加，對累加值進行計算可以得到電池已經消耗的電量。將電池電壓與電流累加值保存到EEPROM中可以防止任意時刻系統(tǒng)掉電后電池電壓、電量等數(shù)據(jù)的丟失。還可以通過總線將電池的各種數(shù)據(jù)上傳給總線上的主機或是上位機。系統(tǒng)的邏輯關系如圖1所示。

圖1 主、從電池監(jiān)控系統(tǒng)邏輯關系圖Fig.1 Logical structure diagram of the master slave battery monitor system

2 硬件電路設計

2.1 電池電流采樣模塊

電池放電電流采樣模塊是以LTC6101[4]為核心的電路。LTC6101是LINEAR公司生產的高壓側電流采樣放大器，它具有輸入范圍廣，5～100 V；低偏移電壓，最大 300 μV；響應速度快等特點。以LTC6101為核心的電流采樣電路原理圖如圖2所示。

圖2 電流采樣電路原理圖Fig.2 Current sampling circuit

根據(jù)運算放大器的虛短、虛斷特性，LTC6101的+IN腳與-IN腳的電位相等，流過電阻Rin的電流IRin與流過電阻Rout的電流IRout相等，假設流過電阻Rsense的電流為I，得到公式如下：

最后得到：

雖然LTC6101的外圍電路會使電池放電電流有一部分分流，但通常采樣電阻Rsense阻值很小，所以I近似等于電池的放電電流。這樣，通過對Vout進行AD采樣，得到Vout的電壓，就可以計算出電池的放電電流I。

實際應用中，系統(tǒng)額定工作電流500 mA，Rsense選用0.5 Ω，Rin選用 6.04 kΩ，Rout選用 42.2 kΩ。 可以得到 I≈0.286×Vout。

2.2 電壓采樣模塊

本系統(tǒng)選用的電池是ELECTROCHEM公司的150 MR系列雙D電池，單節(jié)電壓3.6 V，7節(jié)串聯(lián)作為一組電池，電壓為25.2 V。電池電壓采樣電路主要利用運算放大器完成電池電壓Vbat1的縮小與低通濾波，然后將變換后的電壓VO1送至單片機進行A/D轉換。

電壓采樣電路如圖3所示，由圖可知，VO1≈0.125×Vbat1。

圖3 電壓采樣電路圖Fig.3 Voltage sampling circuit

2.3 總線接口模塊

系統(tǒng)通過RS-485總線將數(shù)據(jù)上傳至主機或上位機，總線電路以AD公司的ADM3072EY為核心搭建，為了抑制干擾并減小功耗，采用二極管代替終端電阻，如圖4所示。

圖4 RS-485總線電路圖Fig.4 RS-485 bus circuit

2.4 單片機與EEPROM數(shù)據(jù)存儲模塊

系統(tǒng)選用MICROCHIP公司的PIC16F688單片機[5]，該款單片機是采用納瓦技術的14引腳8位CMOS閃存單片機，它具有低功耗，引腳少的特性，本系統(tǒng)用到了該款單片機的若干特性，例如：精確的內部振蕩器，8路10位A/D轉換器，12個I/O引腳，2個可預分頻的定時器，增強型USART，在線串行編程。

系統(tǒng)選用MICROCHIP公司的24LC256作為外擴的EEPROM，該芯片可擦除/寫100 000次，數(shù)據(jù)可以保存200年。24LC256與單片機的接口是I2C總線，但PIC16F688自身沒有I2C模塊，所以用I/O口模擬I2C總線。

3 軟件設計

軟件設計主要指單片機系統(tǒng)的軟件設計，是實現(xiàn)系統(tǒng)自動控制與數(shù)據(jù)處理的關鍵環(huán)節(jié)。PIC16F688的內核CPU結構是按照精簡指令集和高透明指令的宗旨來設計的[6]，單片機開發(fā)采用MICROCHIP專門用于PIC系列8位單片機而設計的開發(fā)環(huán)境MPLAB，編程采用C語言，編譯器選擇MPLAB C18 C Compiler。

圖5 系統(tǒng)主程序流程圖Fig.5 System flow chart of main program

系統(tǒng)首先通過判斷主電池電壓是否過低，決定是否啟動從電池供電，然后每100 ms對電池電壓進行采樣（主電池供電時采樣主電池電壓，如果從電池供電，則對并聯(lián)后的電池電壓采樣），并對主電池電流與從電池電流進行采樣。電池電流的采樣值進行累加，累加值作為電池的耗電量保存或上傳。如果是對主電池電壓進行采樣，就對主電池電壓進行判斷，如果電池電壓連續(xù)30個采樣值都低于21 V，或者主電池累計耗電量已經超過額定電量的90%，則啟動從電池供電。電壓、耗電量等數(shù)據(jù)每10 s保存至EEPROM一次，如果總線上有請求，便將最新測得電池的電壓、耗電量等數(shù)據(jù)進行上傳。值得一提的是，電池數(shù)據(jù)保存至EEPROM時，避免重復將數(shù)據(jù)保存到EEPROM的同一地址，因為EEPROM的擦寫次數(shù)有限，多次擦寫EEPROM的同一單元，可能會引起EEPROM的失效，導致系統(tǒng)只工作很短時間便不能存儲電池數(shù)據(jù)。所以每保存一組電池數(shù)據(jù)，就要將指針指向EEPROM的下一組空閑單元。主程序流程圖如圖5所示。

4 結 論

文中設計的主、從鋰電池監(jiān)控系統(tǒng)有效的管理了兩組電池共同作為井下儀器的供電電源，可有效提高井下儀器使用的耐高溫鋰電池的使用效率，同時大幅度減少了電池的浪費。系統(tǒng)中介紹的電池耗電量統(tǒng)計方法，可以用于其他使用耐高溫鋰電池作為供電主體的石油鉆采儀器中，具有體積小、外圍元器件少，穩(wěn)定安全可靠等特點。目前，本主、從鋰電池監(jiān)控系統(tǒng)已作為CGDS系列近鉆頭地質導向系統(tǒng)的MWD的電池管理單元，電池耗電量統(tǒng)計電路這項技術也大量應用于CGDS系列井下隨鉆儀器，通過國內外的大量現(xiàn)場應用驗證表明該系統(tǒng)的性能穩(wěn)定可靠，具有較高的工程應用價值。

[1]秦緒英，肖立志，索佰峰.隨鉆測井技術最新進展及其應用[J].勘探地球物理進展，2003（4）：314.

QIN Xu-ying，XIAO Li-zhi，SUO Bai-feng.The development of logging while drilling and its application[J].Progress in Exploraion Geophysics，2003（4）：314.

[2]盧林.電池管理設計及發(fā)展趨勢[J].電子測試，2007（12）：7-11.

LU Lin.Design and development of battery management[J].Electron Test，2007（12）：7-11.

[3]陳祝清.電池電量計的原理與計算[J].今日電子，2008（1）：36-38.

CHEN Zhu-qing.The theory and calculation of battery coulometer[J].Today Electron，2008（1）：36-38.

[4]LTC6101/LTC6101HV[EB/OL].（2005）.http://www.linear.com

[5]PIC16F688[EB/OL].（2007）.http://www.microchip.com

[6]劉和平.PIC16F87X單片機實用軟件與接口技術[M].北京：北京航空航天大學出版社，2002.