胡永建1,，胡寰臻2，黃衍福1

1. 中國石油集團(tuán)鉆井工程技術(shù)研究院 北京石油機(jī)械廠,，北京 100083,； 2.中國石油大學(xué)（北京） 地球科學(xué)學(xué)院，北京 102249

　　摘要：為了實(shí)現(xiàn)井下隨鉆壓力測量,，設(shè)計(jì)出一種高可靠性壓力計(jì),。選擇了適合井下高溫,、高壓環(huán)境的微控制器與壓力傳感器，同時(shí)分析了可能的器件失效風(fēng)險(xiǎn)并給出了解決方法,。借助安全微控制器的“安全島”理念及設(shè)計(jì)架構(gòu),，該壓力計(jì)能夠自動(dòng)處理微控制器及壓力傳感器的軟硬件錯(cuò)誤以保證工作可靠性。該壓力計(jì)在石油鉆井領(lǐng)域中可以有效減少起鉆次數(shù)來降低鉆井成本,。

　　關(guān)鍵詞：TMS570,；安全微控制器；可靠性,；壓力計(jì)

0引言

　　在石油鉆井中,，通過隨鉆井下壓力測量可以實(shí)時(shí)得到井筒內(nèi)壓力數(shù)據(jù)，有助于實(shí)施控壓鉆井,，同時(shí)可以預(yù)防井涌和井漏,，是井控安全的有效手段。石油鉆井是高風(fēng)險(xiǎn)的資本密集型行業(yè),，在深井及超深井中,，因故障起鉆一次往往需要數(shù)百小時(shí)，成本高昂,。這要求隨鉆井下壓力計(jì)必須具備高可靠性,。

　　本文設(shè)計(jì)的隨鉆井下壓力計(jì)使用了安全微控制器，充分利用其安全架構(gòu)來實(shí)現(xiàn)高可靠性井下壓力測量,。

1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　隨鉆井下壓力計(jì)電氣單元的核心器件是微控制器,，微控制器從壓力傳感器讀取所需原始數(shù)據(jù)，將其轉(zhuǎn)換為壓力等測量數(shù)據(jù)經(jīng)通信端口發(fā)送到地面,。為保證系統(tǒng)的可靠性,，需要從器件選型、架構(gòu)設(shè)計(jì),、軟硬件實(shí)現(xiàn)等方面完成綜合設(shè)計(jì),。微控制器及壓力傳感器是其中的關(guān)鍵器件。

　　微控制器選用了美國德州儀器的Hercules安全微控制器,。該系列安全微控制器能夠通過硬件方式實(shí)現(xiàn)安全特性,，符合業(yè)界安全性能標(biāo)準(zhǔn)，可使系統(tǒng)設(shè)計(jì)更易滿足ISO 26262 ASILD 和 IEC 61508 SIL3的安全標(biāo)準(zhǔn)要求,。采用支持浮點(diǎn)計(jì)算的ARM CortexR4F內(nèi)核,，雙CPU同步結(jié)構(gòu)提供了系統(tǒng)冗余并簡化開發(fā)過程；CPU和內(nèi)存內(nèi)置硬件自檢功能,，無需軟件編程就能檢測硬件錯(cuò)誤,；在CPU內(nèi)部集成了ECC邏輯以校驗(yàn)內(nèi)存和閃存；具有外設(shè)內(nèi)存的奇偶校驗(yàn)和外設(shè)IO的回讀功能［1］,。德州儀器新推出的TMS570LS1114新增I2C數(shù)據(jù)接口,，適合與所選壓力傳感器連接,，其片上資源及功能滿足本設(shè)計(jì)需求。

　　圖1數(shù)字壓力計(jì)原理框圖壓力傳感器選用了美國Quartzdyne公司生產(chǎn)的DMB30110150數(shù)字壓力傳感器［2］,。該壓力傳感器包含3個(gè)石英晶體探頭部件,，其中壓力和溫度晶體分別對(duì)壓力與溫度敏感，而參考晶體對(duì)溫度與壓力均不敏感,。如圖1所示,，其數(shù)字電路包含石英晶體振蕩器（壓力、溫度及參考）,、混頻器,、頻率計(jì)及串口EEPROM。通過分別將壓力,、溫度信號(hào)與參考信號(hào)混頻來提高頻率測量分辨率,。頻率計(jì)輸出壓力、溫度兩組原始數(shù)據(jù),。用戶可調(diào)用存儲(chǔ)在EEPROM中的校準(zhǔn)系數(shù),，從原始數(shù)據(jù)計(jì)算出修正的壓力與溫度測量數(shù)據(jù)。該數(shù)字壓力傳感器供電電源為直流27~55 V,，使用與NXP的I2C總線兼容的串行接口通信,。

　　安全微控制器通過I2C接口與數(shù)字壓力傳感器相連，不僅可以讀取溫度與壓力的原始數(shù)據(jù),，也可以讀取存儲(chǔ)在串口EEPROM中的校準(zhǔn)系數(shù),。TMS570LS1114安全微控制器的I2C多主機(jī)通信模塊兼容I2C總線規(guī)范V21,。數(shù)字壓力傳感器為7位尋址方式,，通信速率為100 kb/s。

2高可靠性設(shè)計(jì)

　　2.1微控制器安全策略

　　TMS570系列安全微控制器采用了被稱為“安全島”的通用安全架構(gòu)理念,，以此分配硬件與軟件診斷,，實(shí)現(xiàn)安全管理與應(yīng)用成本之間的平衡［3］?！鞍踩珝u”方法將微控制器組件分為內(nèi)核組件與其他組件：內(nèi)核組件是所有微控制器操作所必須的邏輯電路,，運(yùn)行硬件診斷安全機(jī)制；其他組件包含外設(shè)等部件,，運(yùn)行軟件診斷安全機(jī)制,。一旦微控制器診斷檢測到某個(gè)錯(cuò)誤時(shí)，微控制器的外設(shè)錯(cuò)誤信號(hào)模塊（Error Signaling Module, ESM）將該錯(cuò)誤傳遞給其他組件或軟件,，開發(fā)人員確定如何響應(yīng)錯(cuò)誤,。

　　“安全島”方法將微控制器的各種錯(cuò)誤狀況按嚴(yán)重性分為3組。如圖2所示,，錯(cuò)誤組1（如外設(shè)隨機(jī)存儲(chǔ)器奇偶校驗(yàn)錯(cuò)誤）的嚴(yán)重程度最低,，對(duì)來自硬件診斷錯(cuò)誤組1的錯(cuò)誤通道信號(hào),，用戶可以選擇是否使能中斷并確定中斷優(yōu)先級(jí)，也可以選擇是否使能微控制器的ERROR引腳信號(hào)輸出（低電平有效）,；錯(cuò)誤組2（如地址總線奇偶校驗(yàn)錯(cuò)誤）的錯(cuò)誤會(huì)產(chǎn)生不可屏蔽的高優(yōu)先級(jí)中斷,，同時(shí)產(chǎn)生ERROR引腳信號(hào)輸出；因?yàn)殄e(cuò)誤組3（如互聯(lián)總線錯(cuò)誤）的大多數(shù)錯(cuò)誤會(huì)導(dǎo)致CPU直接退出,，所以僅產(chǎn)生ERROR引腳信號(hào)輸出而不產(chǎn)生中斷,。為了方便外設(shè)響應(yīng)，需要ERROR引腳在輸出有效信號(hào)時(shí)能夠保持一段時(shí)間,，該低電平保持時(shí)間可以自行設(shè)定,。

　　2.2出錯(cuò)風(fēng)險(xiǎn)分析

　　井下壓力計(jì)出錯(cuò)風(fēng)險(xiǎn)來自電源、微控制器及傳感器等部件,。安全微控制器的硬件錯(cuò)誤可以通過上述“安全島”方法來處理,，這里分析傳感器及其通信接口的出錯(cuò)風(fēng)險(xiǎn)。

　　所選數(shù)字壓力傳感器的傳感器件為石英晶體,。晶體表面的污染物或晶格不完美會(huì)使其阻抗上升,，從而需要更高的驅(qū)動(dòng)電平才能起振，即石英晶體振蕩器在加電時(shí)不一定起振,。Quartzdyne的數(shù)字壓力傳感器使用了一種啟動(dòng)輔助電路來改善這種失效情況,，即在上電的短時(shí)間內(nèi)使用較高的驅(qū)動(dòng)電壓，之后再恢復(fù)正常電壓,。即便在這種情況下,，依然不能保證完全有效，解決的唯一辦法是對(duì)其斷電后重新加電,。

　　安全微控制器I2C多主機(jī)通信模塊的控制及狀態(tài)寄存器數(shù)值可能因?yàn)楦蓴_或錯(cuò)誤操作而改變,，需要在每次操作前或定期回讀，如發(fā)現(xiàn)出錯(cuò)則重新寫入,。

　　2.3系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　圖3是高可靠性設(shè)計(jì)相關(guān)部分的硬件連接示意圖,。

　　如圖3所示，安全微控制器的一個(gè)通用IO引腳配置為輸出,，與同步降壓控制器的EN使能引腳相連,，控制數(shù)字壓力傳感器的供電。ERROR引腳與冷啟動(dòng)復(fù)位PORRST引腳相連,，使用上拉電阻與IO供電電源相連,，電容即用于濾波，也用于延遲上電復(fù)位,。一旦發(fā)生硬件診斷錯(cuò)誤或其他錯(cuò)誤,，ERROR引腳輸出低電平，使PORRST引腳拉低,，微控制器進(jìn)入冷啟動(dòng),，嘗試修復(fù)錯(cuò)誤,。

　　表1列出了錯(cuò)誤原因及相應(yīng)初始化動(dòng)作。表1錯(cuò)誤原因及初始化動(dòng)作錯(cuò)誤原因初始化動(dòng)作石英晶體不起振數(shù)字壓力傳感器斷電再上電安全微控制器硬件診斷錯(cuò)誤常規(guī)初始化I2C控制及狀態(tài)寄存器回讀錯(cuò)誤I2C多主機(jī)通信模塊初始化數(shù)字壓力傳感器冗余讀取錯(cuò)誤視情況而定

　　由于實(shí)時(shí)性要求不高,，在初始化過程中,，這些動(dòng)作逐一進(jìn)行。壓力數(shù)據(jù)讀取錯(cuò)誤時(shí)可使用冗余讀取的三選二策略判定結(jié)果,，無需初始化,。僅當(dāng)多次讀取出錯(cuò)才需冷啟動(dòng)，只需向安全微控制器的ESM錯(cuò)誤鍵值寄存器（ESM Error Key Register, ESMEKR）寫入0x05即可使ERROR引腳輸出低電平,。其他錯(cuò)誤一般不需要冷啟動(dòng)來處理,。

3初始化及驅(qū)動(dòng)代碼生成

　　為了縮短產(chǎn)品研發(fā)時(shí)間，德州儀器提供了基于圖形用戶界面的硬件抽象層代碼生成器HALCoGen開發(fā)工具,，可生成初始化,、配置及驅(qū)動(dòng)代碼 ［4］。

　　新建項(xiàng)目并選擇TMS570LS1114及開發(fā)工具,，即可開始配置,。以I2C多主機(jī)通信模塊為例，在“Driver Enable” 標(biāo)簽頁中勾選“Enable I2C driver”使能該模塊,。在“I2C”標(biāo)簽頁可以配置模塊,，如圖4所示。

　　生成代碼包含頭文件i2ch及代碼文件i2cc,。包含初始化函數(shù)i2cInit,、速率設(shè)定函數(shù)i2cSetBaudrate、發(fā)送字節(jié)函數(shù)i2cSendByte等,。具體實(shí)現(xiàn)可參考相關(guān)文檔［5］,。

4結(jié)論

　　本文設(shè)計(jì)的基于TMS570的高可靠性隨鉆井下壓力計(jì)能夠自動(dòng)嘗試消除數(shù)字壓力傳感器的石英晶體起振故障，也可以自動(dòng)處理其他硬件及軟件錯(cuò)誤,，具有較高可靠性,。通過降低數(shù)據(jù)采集故障率可以減少起鉆次數(shù)，能夠節(jié)省時(shí)間和人力物力,，具有較高的經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)

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