用SoC的DMA方式记录井下钻具的振动

　　引言

　　从上个世纪九十年代起，电子技术在钻井井下得到应用。但井下钻具的振动会给很多传感器带来不利影响。

　　特别是对测量井下钻头姿态的惯性导航传感器影响巨大，在随钻振动环境中，如果对信号不作处理，根本就不能测量出正确的井斜角和方位角，也就无法实现井眼轨迹随钻控制的要求。本文介绍应用SoC芯片中的DMA技术对振动的高速采集和存储功能的实现方法，并给出了钻井环境中测试的结果。

　　方法的提出

　　传统的数据采集方法采用CPU直接控制的方式进行数据采集，数据传送需要经过CPU的中转才能存入存储器，传送速度慢且采集速率受到CPU的限制，极大影响了系统的采样频率，不能满足对振动信号高速采集的要求。而在DMA传送方式下，数据传送不经过CPU，由DMA控制器来实现内存和外设之间数据的直接快速传送。在XTCS的测控系统中，CPU采用的SoC芯片中集成有DMA，将其与其它器件协同工作就可以实现采集与存储的同时进行，达到高速采集信号的目的，得到高保真的井下振动信号。

　　系统介绍

　　该采集系统以C8051F060 SoC为核心，C8051F060内部集成有ADC和DMA。另外，以大容量存储芯片K9F2808作为数据存储器。系统结构如图1所示。

图1 信号采集系统结构图

　　该系统应用于井下相关信号的检测装置。由于通过压力与振动传感器所采集的压力和振动信号比较微弱，故还需放大电路对信号进行调理放大。传感器的输出均为模拟信号，采集数据时会受到噪声的干扰，为了消除噪声并提高电路的共模抑制比和输入阻抗，该采集放大电路使用了前置输入缓冲器三运放结构。由于SoC内的ADC0只能采集正信号，因而在经过调理放大电路后设有偏置电路，将-5V ~ +5V的电压转换为0V~+2.5V，以利于信号的采集。

　　CPU控制多路选择开关进行信号的采集，然后通过ADC转换，在DMA的传送方式下，采集的数据直接写入存储器K9F2808中，在DMA存储数据的同时，ADC也一直进行采集。经软件测试，即采用SoC内集成的定时器2记录采集一页512个字节所需时间是1.277ms，而向片外存储器K9F2808写一页数据需要0.722ms。ADC采集一页的时间小于DMA向片外写一页数据的时间，因而可实现数据采集与存储的同时进行，而不会出现数据覆盖丢失现象，实现快速准确的数据采集。

　　硬件部分

　　C8051F060单片机与51系列单片机内核兼容，其内部集成有两个16位SAR(逐次比较)ADC和一个DMA功能模块。片内有4352个字节的数据存储器、64KB 闪存和64KB的数据存储器接口，可以进行系统编程。两个SAR ADC的精度为16位，可作为两个单端或一个差分转换器。若采用DMA直接将数据存储到RAM中，就不再需要额外的软件开销。

　　K9F2808UOC存储器是NAND结构的超大容量数据存储器件，在MP3、U盘、数码相机和PDA中有广泛的应用。其电源电压为1.7V~3.6V，体积小，功耗低，按页进行读写，按块擦除，通过I/O口分时复用作为命令/地址/数据，端口支持实时双向输入输出。将闪存的各控制端口与SoC的P3口连接，通用I/O口与SoC的P7口连接，通过控制SoC口线的输出，可实现对FLASH存储器的读、写、擦除操作。图2为芯片的接口电路图。

图2 芯片接口电路图

　　A/D转换与数据存储

　　C8051F060的ADC子系统中集成了跟踪保持电路、可编程窗口检测器和DMA接口。这两个ADC可以被配置为两个独立的单端方式ADC或组成一个差分对。数据转换方式、窗口检测器和DMA接口都可用软件特殊功能寄存器来控制。ADC控制寄存器ADCnCN中的ADnEN位被置为逻辑1时ADCn被使能。该系统选用的ADC0有4种转换启动方式，由ADC0CN中的ADC0启动转换方式位(AD0CM1，AD0CM0)的状态决定。该测控系统软件采用定时器3溢出进行定时的连续转换采集。将ADC初始化后，定时器3溢出一次ADC就自动采集一次。当采集完一页的数据后，在DMA传送方式下，采集的数据直接存储到片外的闪存存储器K9F2808中，并对该芯片进行读、写及擦除。