用SoC的DMA方式記錄井下鉆具的振動

　　引言

　　從上個世紀九十年代起，電子技術在鉆井井下得到應用。但井下鉆具的振動會給很多傳感器帶來不利影響。

　　特別是對測量井下鉆頭姿態的慣性導航傳感器影響巨大，在隨鉆振動環境中，如果對信號不作處理，根本就不能測量出正確的井斜角和方位角，也就無法實現井眼軌跡隨鉆控制的要求。本文介紹應用SoC芯片中的DMA技術對振動的高速采集和存儲功能的實現方法，并給出了鉆井環境中測試的結果。

　　方法的提出

　　傳統的數據采集方法采用CPU直接控制的方式進行數據采集，數據傳送需要經過CPU的中轉才能存入存儲器，傳送速度慢且采集速率受到CPU的限制，極大影響了系統的采樣頻率，不能滿足對振動信號高速采集的要求。而在DMA傳送方式下，數據傳送不經過CPU，由DMA控制器來實現內存和外設之間數據的直接快速傳送。在XTCS的測控系統中，CPU采用的SoC芯片中集成有DMA，將其與其它器件協同工作就可以實現采集與存儲的同時進行，達到高速采集信號的目的，得到高保真的井下振動信號。

　　系統介紹

　　該采集系統以C8051F060 SoC為核心，C8051F060內部集成有ADC和DMA。另外，以大容量存儲芯片K9F2808作為數據存儲器。系統結構如圖1所示。

圖1 信號采集系統結構圖

　　該系統應用于井下相關信號的檢測裝置。由于通過壓力與振動傳感器所采集的壓力和振動信號比較微弱，故還需放大電路對信號進行調理放大。傳感器的輸出均為模擬信號，采集數據時會受到噪聲的干擾，為了消除噪聲并提高電路的共模抑制比和輸入阻抗，該采集放大電路使用了前置輸入緩沖器三運放結構。由于SoC內的ADC0只能采集正信號，因而在經過調理放大電路后設有偏置電路，將-5V ~ +5V的電壓轉換為0V~+2.5V，以利于信號的采集。

　　CPU控制多路選擇開關進行信號的采集，然后通過ADC轉換，在DMA的傳送方式下，采集的數據直接寫入存儲器K9F2808中，在DMA存儲數據的同時，ADC也一直進行采集。經軟件測試，即采用SoC內集成的定時器2記錄采集一頁512個字節所需時間是1.277ms，而向片外存儲器K9F2808寫一頁數據需要0.722ms。ADC采集一頁的時間小于DMA向片外寫一頁數據的時間，因而可實現數據采集與存儲的同時進行，而不會出現數據覆蓋丟失現象，實現快速準確的數據采集。

　　硬件部分

　　C8051F060單片機與51系列單片機內核兼容，其內部集成有兩個16位SAR(逐次比較)ADC和一個DMA功能模塊。片內有4352個字節的數據存儲器、64KB 閃存和64KB的數據存儲器接口，可以進行系統編程。兩個SAR ADC的精度為16位，可作為兩個單端或一個差分轉換器。若采用DMA直接將數據存儲到RAM中，就不再需要額外的軟件開銷。

　　K9F2808UOC存儲器是NAND結構的超大容量數據存儲器件，在MP3、U盤、數碼相機和PDA中有廣泛的應用。其電源電壓為1.7V~3.6V，體積小，功耗低，按頁進行讀寫，按塊擦除，通過I/O口分時復用作為命令/地址/數據，端口支持實時雙向輸入輸出。將閃存的各控制端口與SoC的P3口連接，通用I/O口與SoC的P7口連接，通過控制SoC口線的輸出，可實現對FLASH存儲器的讀、寫、擦除操作。圖2為芯片的接口電路圖。

圖2 芯片接口電路圖

　　A/D轉換與數據存儲

　　C8051F060的ADC子系統中集成了跟蹤保持電路、可編程窗口檢測器和DMA接口。這兩個ADC可以被配置為兩個獨立的單端方式ADC或組成一個差分對。數據轉換方式、窗口檢測器和DMA接口都可用軟件特殊功能寄存器來控制。ADC控制寄存器ADCnCN中的ADnEN位被置為邏輯1時ADCn被使能。該系統選用的ADC0有4種轉換啟動方式，由ADC0CN中的ADC0啟動轉換方式位(AD0CM1，AD0CM0)的狀態決定。該測控系統軟件采用定時器3溢出進行定時的連續轉換采集。將ADC初始化后，定時器3溢出一次ADC就自動采集一次。當采集完一頁的數據后，在DMA傳送方式下，采集的數據直接存儲到片外的閃存存儲器K9F2808中，并對該芯片進行讀、寫及擦除。