基于PIC24单片机井下温度探测电路系统设计⋆

王冠军，李楠楠，叶 欣，刘军宁

（1 光电油气测井与检测教育部重点实验室（西安石油大学），陕西西安 710065；2 大庆钻探集团地质录井一公司，大庆 613411）

0 引言

在油气探测开发中，地层温度是描述油气藏特征的重要参数之一，是勘探、钻井、测井、完井和采油工程的一个重要参数，是评价地层信息的重要依据。因此，在油气探测开发过程中对温度的测量也成为油气生产中的重要活动。近年来地质工作人员一直都在研究地层的温度与地层介质规律。尽管井下情况复杂，研究十分困难。但是，通过研究，还是加深了对地层温度与地层介质的认识，增加了地层温度对石油勘探的应用价值。工作人员在研究地层温度与地层介质关系的同时，也对温度的测量提出要求，这就要求硬件能够准确和快速获取温度数据。本文设计温度测量电路能够快速获取温度信号并经软件处理传送到地面系统。

1 系统总体框架设计

温度探测电路系统主要由5部分构成，温度传感器、井下测温电路、井下PIC 单片机控制器、电缆驱动电路、地面系统。其总体框图如图1所示。

图1 系统总体框图

2 系统硬件设计

2.1 温度传感器选择

测量电路首先要把温度转换成电信号，这就要考虑传感器的选取。综合考虑本电路设计特点、被测量环境的温度范围、使用的探测材料的稳定性，以及物理特性与温度变化的关系等，选用铂电阻作为系统的测温元件。铂电阻的特点是性能可靠、精度高、稳定性好、测量温度范围大、其线性度较高且不需进行冷端补偿。

该铂电阻测温范围一般为-70℃～+600℃。其热响应时间特别小，适合于测量表面温度和动态温度检测。

在0℃～630℃范围内，铂电阻的电阻值与温度间的关系可以精确地表示为：

式中，Rx表示的是温度为t℃时铂电阻的电阻值，R0表示温度为0℃时铂电阻的电阻值（Ω），A、B、C为常数。对于Pt100，R0=100Ω，A=3.90802×10-3℃，B=-5.802×10-7℃，C=0。由公式可以得出在100℃时，电阻值的变化量是38.5Ω，而由Bt2带来的变化量为0.58Ω，在系统中影响为1.5%。因此可将其近似作为线性器件来使用。

2.2 温度转换电路和调理电路设计

温度转换电路和调理电路的作用是把温度信号转化为电信号经过放大后经过开关芯片，最后信号进入采集电路。温度调理转换电路由R1、R2、Rx、VR1、C1、A1构成，其中将温度传感器Pt100也就是Rx 接在A1的负反馈回路中，C1并联在A1的两端；R3、R4、VR2、A2构成放大回路，其中的放大倍数是可调的。R5主要是限流，C2是将输出信号中的交流滤去。HI-201是开关芯片，因为后续的采集电路在不同的时间段要采集来自地层的其它信号。所以，最后通过单片机对SW1脚控制此开关芯片完成对不同信号的切换，把信号输入采集电路完成采集。

温度转换电路和调理电路原理，如图2所示，其中Rx表示的是铂电阻Pt100传感器的阻值。

图2 温度转换电路和调理电路原理

在图2中，可以通过调整VR1的阻值来使在0℃时，输出信号的电压值为0 V，调整VR2的阻值来改变该电路的放大倍数，确保温度探测信号的幅度在AD的采集范围内以及足够的分辨率。选取合适的R1、R2、VR1的数值，可以使输出的电压信号U0与温度的变化呈线性关系。

2.3 采集电路与控制电路接口设计

2.3.1 采集电路设计

温度采集电路的核心是采集芯片ADS8519。ADS8519采集芯片具有以下特点：最大积分非线性(INL)为±1.5LSB；最大差动非线性(DNL)为±1 LSB；采样率为250kHz；灵活的模拟输入范围，芯片可配置的工作电压范围为±10V、±5V、0-8.192V；采用串行接口；单一+5V模拟电源供电；采样和转换时间最大为4us；功耗低，工作在250kHz 采样率时功率为110 mW。温度采集电路如图3所示。

图3 采集电路

采集电路芯片ADS8519的时钟设置为外部时钟模式；模数转换输出标准二进制码；使用外部基准电压电路；允许输入采集电路的模拟信号的范围是±5V。

2.3.2 控制电路接口设计

控制电路的主要功能是通过控制器控制相应管脚控制采集芯片在相应的时间段对温度信号进行采集，然后把接收到的数据作相应的编码处理传给地面处理系统。

由于单片机PIC24FJ128GA010与ADS8514都支持SPI 协议，因此本电路使用SPI 接口传输采集数据。接口电路如图4所示。

图4 单片机PIC24FJ128GA010与ADS8514接口电路

ADS8514是16位模数转换芯片，单片机PIC24FJ128GA010在SPI模式时接收数据可选择8位或16位模式通信，这里ADS8514设置非连续外部时钟模式；单片机采用主控模式，16位字宽进行数据接收。

图5 ADS8514控制时序图

根据图5 ADS8514控制时序图采集数据模块具体操作如下：

（2）查询外部中断标志位，由于BUSY 引脚标示ADS851转换状态，该管脚与单片机的INT0脚连接，通过把单片机设置为外部上升沿中断触发，当ADS851转换完成后，BUSY 引脚置位，触发外部中断，置位外部中断位。

（3）接收第N个数据，对（N+1）个模拟信号进行采样。

3 系统软件设计

软件流程如图6所示。

图6 软件数据采集流程图

4 实验结果及分析

通过对图2中的各个参数选取合适的数值，其测试数据及理论数据如表1所示（只选取了数值的一部分）。

表1 测试数据及对应的理论数值

图7 温度与电压信号值的关系

按照温度电路原理图分析可知，参数选取合适的数值，其温度与对应的电压信号值呈线性关系。将以上两组数据进行绘图，其结果如图7所示。从图7可以看出，理论数值与实验数值分别与对应的温度值呈线性关系，其趋势基本吻合，只是实验数值的曲线相比理论值整体抬高了，也就是实验数值曲线减去一个固定值就可与理论值曲线相重合。表1中的Δx表示的就是对应于同一个温度值其实验值与理论值的差值，其最大值为0.230 V，最小值为0.212 V。经过分析，最后取其平均值Δx=0.222 V，在地面上经过软件处理的时候，只需给探测到的数值减去一个固定值0.222 V，就可使实验数值曲线与理论数值曲线基本上相重合。也就是说本设计测温电路能够达到预期目标，满足设计要求，能够应用于实际的生产实践中。

5 结论

本设计已经过室内的模拟测试实验，测试数据能真实反应出探头外界温度的变化，测试数据与硬件电路输出电压相符，使用处理软件对测试数据进行修正，实验结果完全能够达到设计要求。

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