1 Расчетно-конструкторская часть
Техническое задание
1.Целью является комплексное проектирование интеллектуальной скважины , часть которой , и является данная работа.
2.Требования заказчика к устройству:
-температурный диапазон 0-100 градусов Цельсия.
-виброустойчивость до 100g
-жесткость конструкции устройства до 2000 атмосфер
-относительная дешевизна устройства по сравнению с аналогами
-контроль ЭЦН
-максимальное входное напряжение платы 50 вольт
-максимальная сила тока на входе платы 500 мили ампер.
По своему назначению микропроцессорное устройство должно выполнять следующие функции:
Принимать через акустический канал данные в коде Манчестер 2.
Контроль ЭЦН: измерение температуры, вибрации в 2-х осях, давления.
Осуществлять цифровую фильтрацию .
Осуществлять проверку питания 25V.
Осуществлять передачу данных по RS-485
Программно декодировать данные из кода Манчестер 2.
Датчики :
1)Датчик температуры Hel 775-A-T-O , диапазон рабочих температур -50 – 150 оС , номинальное сопротивление 100 Ом
2)Датчик давления ABH-20K-P-6-C-1-B-3 диапазон рабочих температур -50 – 150 оС, интервал рабочих давлений от 0,075 до 1,3,5,10,15,20 KPSI , напряжение питания +5V , вибрационная устойчивость до 100g
3) акселерометр MMA 2204D диапазон рабочих температур -50 – 125 оС, интервал измерений +/-100g, напряжение питания +5V , вибрационная , ось X.
4) акселерометр MMA 1210D диапазон рабочих температур -50 – 125 оС, интервал измерений +/-100g, напряжение питания +5V , вибрационная , ось Y.
1.2 Разработка функциональной схемы
На основе обобщенной схемы, согласно техническому заданию, была реализована функциональная схема микропроцессорного контроллера погружной телеметрии
Микропроцессорное устройство состоит из следующих компонентов: гидрофон, дифференциальный усилитель, полосовой фильтр, нормирующий усилитель, выпрямитель , АЦП, цифровой FIR фильтр , микроконтроллер ATmega32, датчик давления ABH-20K-P-6-C-1-B-3 , датчик температуры Hel 775-A-T-O, акселерометры MMA 2204D и MMA 1210D .
С акустического канала приходит аналоговый сигнал , который перед этим проходит предварительную обработку на дифференциальном усилителе и полосовом фильтре, далее поступает на нормирующий усилитель, управляемый сигналами микроконтроллера, проходит выпрямитель и аналогово-цифровое преобразование(был подсоединен внешний в виду разрядности битов АЦП) должен попадать на цифровую фильтрацию, реализованную программно в самом микроконтроллере. Оцифрованный сигнал пройдя фильтрацию дешифруется в понятную микроконтроллеру информацию, одновременно с этим, данные от датчиков поступают на ДУ, а с ДУ в свою очередь на входы внутреннего АЦП микроконтроллера , где в свою очередь вся собранная информация передается по интерфейсу RS-485.
Питание поступает по проводам и в блоке конвертора преобразуется в напряжение +5V ,+12V и -12V.
1.3 Разработка электрической принципиальной схемы устройства
1.3.1 Выбор микропроцессора
Процессор, который будет положен в основу главного модуля (вычислителя), должен удовлетворять следующим требованиям и ограничениям:
– Температурный диапазон устройства 0-100 градусов Цельсия.
– обладать достаточным быстродействием (16 MIPS), для решения круга задач возложенных на него;
– объем ПЗУ не менее 5 Кбайт, для реализации необходимых программ;
– 16-битный таймер/счётчик;
– наличие модуля USART для передачи данных;
В результате сравнения микропроцессоров фирмы Atmel семейства AVR ATmega, удовлетворяющих данным требованиям, был выбран 8-разрядный микропроцессор ATmega32 .
Процессор представляет собой КМОП микропроцессор, выполненный с AVR RISC архитектурой с раздельной памятью программ и данных и раздельными шинами для памяти программ и данных (Гарвардская архитектура). AVR-ядро объединяет мощную систему команд с 32 регистрами общего назначения и конвейером (в одном цикле одна команда выполняется, а другая выбирается) выборки из памяти программ.
Контроллер имеет следующие основные характеристики:
- Температурный диапазон до 125 градусов Цельсия (в зависимости от корпуса)
- развитая RISC архитектура: 1) 131 исполняемых команд, большинство за один машинный
такт; 2) 32 рабочих регистра общего назначения; 3) производительность до 16 MIPS при 16 МГц;
4) 32 программируемых вывода;
- энергонезависимая память программ и данных:
1) 32К байт внутрисистемно самопрограммируемой FLASH памяти с количеством циклов перепрограммирования до 10 000;
2) 2К байт внутренней SRAM;
- периферийные функции:
1) два 8-битных таймера/счётчика с программируемым предделителем и режимом сравнения;
2) один 16-битный таймер/счётчик с программируемым предделителем, режимом сравнения и захвата;
3) счётчик реального времени с программируемым генератором;
4) внутренние и внешние источники прерываний; 5) программируемый USART; 6) Встроенный аналоговый компаратор;
- напряжение питания: 1) 4.5 В до 5.5 В.
Рисунок 1.4 - Обвязка микропроцессора
Аппаратный сброс микропроцессора производится при включении/выключении микропроцессорного устройства, подачей на вывод «Reset» сигнала низкого уровня. Для устранения дребезга, что повлечет за собой многократный сброс микроконтроллера, к выводу «Reset» микроконтроллера подключается RC-цепь (см. рисунк 1.4).
Рассчитаем сопротивление резистора R32 и емкость конденсатора С13 из условий задержки сигнала сброса при включении питания по формуле (1.1).
t = R36 · C6, (1.1)
где t – задержка сигнала, с.
Время сброса микроконтроллера после включения питания примем t = 0,1 c, а сопротивление резистора R32 примем равным 10 кОм, тогда
С6 = 0,1 / 10000 = 10 мкФ.
Тогда примем R32 = 10 кОм, С13 = 10 мкФ.
TAL1 и TAL2 – вход и выход, которые могут быть настроены для использования внешнего генератора (см. рисунок 1.2) /7/. В качестве резонатора, для обеспечения тактовых импульсов для микропроцессора выбран PK169MA8CC 8 МГц. По требованию заказчика в схему подключения резонатора включены два конденсатора C15, C14, для обеспечения отвода паразитных частот.
Следующие элементы схемы имеют рекомендуемые номиналы: C15, C14 - 30 пФ C17,C18 - 0,1мкФ, R35 - 10кОМ.
