2020年12月24日 | 采用MSP430F2274和TDC-GP2实现油田测量系统的设计

1 、引言

随着我国经济的快速发展，对石油的需求量越来越大，因此我国许多油田纷纷采用多种办法来提高油气产量。例如：各大油田都成立了自己的研究机构，充分利用油田自身的人才和资金的优势，研制油田钻井、测井所急需的仪器。许多油田特别是东部和东北地区的开采时间较长的油田，对油井进行二次开采，以提高油气产量等等。而对于油井的二次开采，往井下注水是现在应用广泛，且效率较高的一种方法。现在油田对注水技术的要求越来越高，近几年又提出井下分层注水。对井下分层注水参数的监测，越来越引起油田相关部门的重视。因此现在急需井下分层注水参数监测的仪器，基于这种现状，本文设计了一套检测流量、温度的电路。

2 、设计思想的提出

目前油田上使用的流量计都是存储式的，其种类很多，包括浮子流量计、电磁流量计、涡轮流量计、超生波流量计等。由于设计的原理和机械结构的不同，这些流量计都有自身的一些缺点，且其精度不是很高，相比较而言，超声波流量计有比较显著的优点，它有较高的测量精度，一般在2%~5%之间，而其他流量计的精度一般都在5%之上，并且机械结构的损坏率也比超声波流量计要高很多。另外，现在集成芯片的应用越来越广泛，可以说已经渗透到工农业生产的各个领域。随着材料工业和集成电路的发展，单片机的性价比越来越高，选择MSP430F2274作为流量数据的处理芯片可以说既经济又实惠。2274的处理速度和数据处理格式完全满足参数测量的技术要求。设计所选择的GP2是超声波原理流量计专用的测量芯片，芯片的内部结构就是基于超声波时差法测量流量的原理设计的，此芯片有极高的测量精度，从而可以保证最终测量数据的精度。把这两种芯片应用到一个电路，加上少量的外围电路，就可以实现流量的监测功能。

3 、系统电路总体设计

3.1 芯片介绍

MSP430F2274是TI公司2006年推出的一款高性能低功耗、性价较高的16位单片机芯片，MSP430F2274继承了TI单片机的传统特点：超低功耗、体积更小、性能更好、更易使用。将MSP430F2274内部的16位精简指令集CPU通过冯o诺依曼结构的地址总线和数据总线，连接到外围设备和可编程时钟系统，另外，由于有一个先进的CPU配合具有标准组件存储印象的模拟和数字的外围设备，使得MSP430 可以用于处理混合信号。具有众多的内部资源，从而可为系统的构造提供很大的便利。TDC-GP2是德国ACAM公司即TDC-GP1后推出的又一款新的时间数字转化芯片，它的高精度和小型封装使其成为低成本工业应用领域设计的理想器件，GP2具有高速脉冲发生器，停止信号使能，温度测量和时钟控制等功能，这些特殊功能模块使得它尤其适合于超声波流量和热量测量方面的应用。它有两个测量范围，可以使时间的测量精度达到ps级。

3.2 系统的总体设计

整个系统是围绕MSP430F2274和GP2 来设计外围电路的。2274主要用来做系统控制和数据处理，GP2主要用来采集时间差，也是整个系统数据采集的核心。该电路是将系统设计成存储式，即先把整个系统装到骨架上放到被测量的井中，测量数据暂时存放到静态存储器中，等测量完成后再把系统提升到地面进行数据回放。在测量过程中GP2在2274的控制下实现与流量、温度相关的时间参数的测量，并存于GP2内部寄存器中，由2274读出后进行相应的处理与存储。仪器被提升到地面后，系统在接收到计算机的命令后将存储的数据通过MAX3232EVE传送给计算机进行处理。系统的总体框图如图1所示。系统上电后，存储在2274内部的ROM中的程序被引导进2274内部运行。当2274完成对自身和GP2的初始化设置后，首先给模拟开关（TS5A23157）一个确定信号，使之处于一个确定状态，这样就可以确定两个超声波传感器的收发状态，也就是确定是顺水测量还是逆水测量。之后2274给GP2发送命令，通过GP2的FIRE引脚发射信号，给超声波传感器提供激励的同时，同时给GP2提供START信号；而超声波传感器接收到的信号经过两极放大电路及滤波电路、波形整形电路后送到GP2作为STOP信号，这样GP2就可以计算出超声波在流体中的传播时间。然后2274改变模拟开关的通道开关状态，即改变传感器的收发状态，再进行一次测量，又可以得到一个传播时间。根据这两个时间参数，利用时差法原理公式就可以计算出管柱中流体的流量。2274把计算结果存入外部的存储器中。在测量完成后，把电路提到地面，利用数据线和PC机连接，把测得的数据传送到PC机进行注水曲线绘制，并作进一步的分层注水剖面分析。

3.3 数据回放电路设计

因为整个系统的测量是在井下进行的，而且在测量过程中数据并不上传。数据的后期处理和注水曲线的绘制是测量完成以后，数据回放到PC机以后进行的。所以对数据的回放也必须考虑在内。数据的回放框图如图2所示。

3.4 TDC-GP2与2274通信电路的设计

3.5 电源电路的设计

因为整个系统的供电采用干电池供电方式。所以在功耗的要求上是比较严格的。在整个电路中所用的芯片都是3.3V供电，这样就减少了以往系统中电平转换芯片使用过程中能量的损失。受供电方式的限制，对电源电路的设计相当重要，必须选择耐高温、体积小、功耗小、能量大的电池。另外，对如何提高电池的利用率也作了考虑。除此之外，在本系统中，采用双电源的供电方式，即一个主电源一个备用电源，整个电源部分的电路结构如图4所示。主电源在刚开始通过二极管网络（二极管网络是用来确定门限电压的）给系统供电，使系统处于主电源供电模式，同时2274使模拟开关选通主电源供电模式，通过检测电路来检测主电源的电压幅度，当电压幅度小于预设的门限电压时，2274通过模拟开关选通备用电源，使用备用电源给系统供电。这样就使得系统的工作时间更长、更可靠。

3.6 流量测量预处理电路的设计

由于从超声波传感器接收到的信号是非常微弱的超声波信号，而GP2的STOP通道对信号的识别是有要求的，所以必须对接收信号进行放大、滤波。具体电路如图5所示：通过模拟开关选通的接收信号经一级运放电路进行放大，放大幅度约为20dB，之后对放大后的信号进行带通滤波，滤波后对信号进行二次放大，这次放大的幅度也是约20dB，即两次总的放大增益约为40dB，二次放大后的信号经比较器整形后送到GP2作为STOP信号。由于GP2 测量的是开始信号和结束信号之间的时间差，要求上升沿尽量的陡，所以必须使用高速比较器。

4 、系统软件设计

GP2的软件设计流程如图6所示：系统上电后通过2274选通GP2，并对GP2的寄存器进行配置，接着初始化GP2，在TDC单元接收到START通道上的第一个脉冲信号后开始工作，直到达到预先设置的采样数或者遇到测量溢出后停止工作。然后，对测量值进行校准（可以不校准）后计算得到测量值，这样就完成了一次测量。一次测量完成后触发中断，2274读取测量到的数据。下次测量前再进行一次初始化后就可以开始第二次测量。

5 、总结

该系统电路经过室内试验，取得了良好的测量效果，系统的测量精度和稳定性都达到了预先的设计要求。从而充分说明了该系统的可行性，为其应用型、产品化仪器的开发提供了必要的依据。另外，这套系统还可以应用到其它的工业领域，可以做成工业自动化的控制最前端的测量流量设备。此测量电路系统的设计对于其它流量测量仪器的设计有一定的参考价值。