张 理

(中国电子科技集团公司第二十二研究所 河南新乡)

DSP芯片TMS320LF2407在数控测井仪中的应用

张 理

(中国电子科技集团公司第二十二研究所 河南新乡)

文章介绍了DSP芯片TMS320LF207在测井仪中的应用,其中包括TMS320LF2407结构及其内部资源、基于TMS320LF2407的系统设计思想、系统硬件电路的设计制作、软件的开发,并介绍了一些实际设计过程中应该注意的细节。

DSP;数控测井仪;TMS320LF2407;双端口RAM

0 引 言

在油田传统测井项目中,单一项目测井或小组合项目测井较多,系统控制简单,数据量小,对数据处理实时性要求不高,单片机所具备的各种功能足以满足对其数据的处理。所以传统地面数控测井仪普遍采用单片机对井下上传数据进行处理,并获极大成功。随着测井技术的发展,特殊项目测井和大组合项目测井日益增多,系统控制复杂,测井数据量急剧加大,对数据处理实时性要求很高。由于单片机自身资源的局限性,已难以满足要求。采用一种高速的,功能更强大,资源更丰富的处理芯片势在必行。DSP芯片由于其高速的运算能力,灵活的控制能力,丰富的资源功能而成为理想的选择。本设计采用TI公司的TMS320系列中的TMS320LF2407。他具有灵活的指令集、内部操作灵活性、高速的运算能力、改进的并行结构、低成本等优点。

1 TMS320LF2407的结构及芯片介绍[1]

TMS320LF2407是TI公司推出的定点DSP处理器,是一款性价比较高的芯片,具有以下特点:

(1)采用高性能静态CMOS技术,使得供电电压降为3.3 V,降低了功耗;40MIPS的执行速度使得指令周期可达25 ns,提高了实时控制和处理能力。

(2)片内有高达32K的FLASH程序存储器,1.5K的数据/程序RAM,544字双口RAM(DARAM)和2K的单口RAM(SARAM)。

(3)两个事件管理器模块EVA和EVB,每个包括两个 16位通用定时器;8个 16位脉冲宽度调制(PWM)通道;3个捕获单元;光电编码器接口电路;16通道A/D转换器。

(4)可以分别扩展64K外部程序存储器;64K外部数据存储器;64KI/O寻址空间。

(5)看门狗定时器模块(WDT)。

(6)10位A/D转换器最小转换时间为500 ns,可选择由两个事件管理器来触发两个8通道输入A/D转换器或者一个16通道输入的A/D转换器。

(7)控制器局域网络(CAN)2.0B模块。

(8)串行通讯接口(SCI)模块。

(9)16位的串行外设(SPI)接口模块。

(10)基于锁相环的时钟发生器。

(11)高达40个可单独编程或复用的通用输入/输出引脚(GPIO)。

(12)5个外部中断(两个电机驱动保护,复位和两个可屏蔽中断)。

(13)电源管理包括3种低功耗模式,能独立的将外设器件转入低功耗工作模式。

2 硬件设计

在测井项目中,地面数控测井仪所要处理的信号大致可分为:模拟信号,普通脉冲信号,脉冲编码调制(PCM)信号,深度脉冲信号。在本设计中,模拟信号通道除各种测井项目必测的张力、记号通道外,另外共有四路模拟通道,总共6道模拟通道。对应于TMS320LF2407的16道A/D转换通道中的任意六道。由于普通脉冲信号和脉冲编码调制(PCM)信号在处理上基本相同,故二者的预处理电路可以复用,不再设单独的PCM处理通道,这里共设有四路普通脉冲通道,进入TMS320LF2407的六路捕获单元中的四路。深度脉冲信号正好进入事件管理模块的正交编码脉冲电路(QEP)处理。利用TMS320LF2407的串行通信接口模块来和绞车面板以及其他的 UART外设通信。TMS320LF2407和主机之间的通讯采用双口RAM方式,整个硬件设计方框图如图1所示[2]。

图1 硬件设计原理框图

这里着重介绍捕获单元,QEP电路,SCI接口模块在本设计中的应用。

2.1 捕获单元

捕获顾名思义是指记录在TMS320LF2407的捕获引脚上出现跳变时的信息,也就是发生跳变时的时间。并且相应的中断标志位被置位,如果该中断标志没有被屏蔽,则外设中断将产生一个中断请求信号。跳变的检测方式用户自己定义(上升沿,下降沿,或者上升沿下降沿)。

利用这个特点我们用捕获单元来对普通脉冲进行脉冲计数,譬如GR信号。当GR脉冲到来时,就产生一个外设中断,中断程序里对GR脉冲进行计数,每来一个脉冲计数值就加一(注意:退出中断前一定要清除中断标志,否则下次将不再进中断)。这样就可以在深度采样点时向主机传送计数值,主机根据两个采样点之间的时间差和计数差算出计数率(也可以在DSP片内直接算出计数率传送给主机,本设计即采用此方法,并加了五点平均滤波)。

在对PCM或WTC信号进行软件解码时,我们可以利用捕获单元能记录发生跳变时的时间这一特点[3]。譬如对PCM(3506)信号,使用双极性归零码,传输率为8 Kb/S,每位码元所占时间是1/8 000=125 μs,根据双极性归零码的特点,“0”为零电平,“1”为交替的正负脉冲,我们的解码过程是:经过预处理的PCM(3506)信号由双极性归零码变为单极性归零码进入捕获单元,第一次发生跳变时,当前时间 t1被记录下来,第二次发生跳变时,当前时间t2也被记录下来;如果时间差Δt(Δt=t2-t1)等于125μs,那么数据为“1,1”,如果Δt等于两个125 us,数据为“1,0,1”,以此类推,就可以进行解码。当然要注意由于电缆传输的影响,引起信号畸变,在判定时间间隔时要留有一定的余量。

2.2 QEP电路

正交编码脉冲是两个频率变化且正交(即相位相差90°)的脉冲,而深度脉冲信号即是正交编码脉冲,故可以用QEP电路来处理深度脉冲信号。深度方向可以通过检测两个脉冲序列中的哪一列先到来确定。DSP内部是通过查询深度脉冲计数器的状态来确定(在通用定时器控制寄存器内有专门的位供查询),增计数为下放,减计数为上提。深度的数值可以通过对深度脉冲的计数以及每米脉冲数来计算。

由于两列正交输入脉冲两个边沿都被正交编码电路计数,因此,产生的时钟频率是每个输入序列的4倍,并且这个时钟是我们实际的计数时钟。在计算深度值时应注意这一点。

QEP1/CAP1和QEP2/CAP2是复用引脚,本设计使能了正交编码脉冲电路,所以相应引脚上的捕获功能被禁止。

2.3 SCI接口模块

SCI模块支持CPU与其他使用标准格式的异步外设之间的数字通信。SCI接受器和发送器都是双缓冲的,每一个都有自己的使能和中断标志位。二者可以独立工作,或者在全双工的方式下同时工作。通过一个16位的波特率选择寄存器,数据的传输速度可以被编程为65535种不同的速度。本设计采用125 Kbps的波特率。

串行通信接口的数据,无论是接受和发送都采用NRZ(非返回零)格式。NRZ数据格式包括:

1个起始位;

1～8个数据位;

1个奇/偶校验位或无奇/偶校验位;

1～2停止位;

1个用于区分数据和地址的额外位。

SCI模块有两个多处理器通信协议:空闲线多处理器模式和地址位多处理器模式。多处理器通信模式使得一个处理器能有效地在同条连接线上将数据传送到其他的处理器。一条串行线上一次只能进行一次传送,即一条串行线上只能一个人说话(广播方式)。说话者发送的数据块的第一个字节包括一个地址字节,他被所有的听众读取(侦听方式),但只有地址相符的听众才能接收跟在地址字节后面的数据,地址不符的听众不接受地址字节后面的数据,且等待接收下一个地址字节。这里采用地址位多处理器模式,与UART外设的连接采用RS-232的格式。

TMS320LF2407的外围电路可以根据需要扩展。由于TMS320LF2407内部自带32K字的FLASH程序存储器,程序调试完毕后可以烧写进去。但程序调试过程中需要频繁的修改程序,所以可扩展一片存储器,调试程序时当作程序存储器用,程序调试完毕后再作为数据存储器用,这样既方便又实惠。

TMS320LF2407供电电压为3.3 V,而平常我们用的芯片的供电电压是5 V,这样就可能存在接口电平不匹配的问题,在这种情况下需要加电平转换电路,这里选用74LVC245来实现。

3 软件设计

TI公司提供了DSP专用仿真器和仿真开发系统。对于不同的仿真器,只要安装驱动程序即可使用该开发系统进行仿真。仿真器选用最新款的带USB接口的ICETEK5100USB2.0仿真器。由于该仿真器使用USB接口,所以不需要外接供电电源,使用极为方便。

开发一个DSP的C语言应用程序,需要4种类型的文件:C语言文件、汇编文件、头文件、命令文件。C语言文件是必须的;汇编语言文件则根据实际情况而定,一般程序的复位和中断向量需要用汇编语言编写;头文件定义DSP内部寄存器的地址分配,书写一次后可被其他程序反复使用;命令文件主要定义堆栈、程序空间分配和数据空间分配等。这些文件的书写比较随意,但必须存储成相应的格式。C语言文件为“.C”格式,汇编语言文件为“.ASM”格式,头文件为“.H”格式,命令文件为“.CMD”格式。

由于硬件设计时扩展了可转换的存储器,进行仿真时程序可以直接转载到扩展的存储器中进行调试,免去了以往FLASH中烧写的麻烦,程序调试完毕后再固化到FLASH中。

4 结束语

DSP技术是今后电子技术发展的一个方向,其应用十分广泛。利用本文介绍的方法开发出来的测井单元板卡已成功地运用于数控测井仪中,并取得了良好的效果。从整个设计中可以看出,硬件设计相当简单,只进行信号的预处理,数据的处理部分都交给了DSP,简化了测井板卡的设计,减少了板卡的种类,降低了整个设备维护难度,提高了仪器的精度,增强了系统的可靠性。

随着DSP技术的发展和日趋成熟,必将带动测井技术的发展,其在测井技术领域的应用也会越来越广泛。

[1] 刘和平,王维俊,江 渝,等.TMS320LF240X DSP C语言开发应用[M].北京:北京航空航天大学出版社,2003

[2] 中国电子科技集团公司第二十二研究所.SKD-3000A数控测井仪硬件使用说明.2000(资料)

[3] [美]A.V.奥本海姆,R.W.谢弗.数字信号处理[M]. 1996

P631,8+3

B

1004-9134(2010)04-0074-03

张 理,女,1974年生,工程师,1997年毕业于燕山大学自动化专业,现在中国电子科技集团公司第二十二研究所从事地面数控测井仪的开发研制与生产工作。邮编:453003

2009-11-11 编辑:刘雅铭)

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