基于高速单片机控制的位移测量系统设计

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摘要：设计了基于高速单片机智能消抖算法的位移测量系统，给出了该系统的流程图和部分关键程序。
该系统解决了一般控制系统中存在抖动误差的问题，实现了无抖动误差的控制，具有很高的测量精度，适用
; ]/ l( M* Y7 F" `' d& j. r于测井仪和数控机床等要求精度比较高的场合。
6 l# H# m; s) l  f* y& K/ A, r0引言
4 E* \' U# v3 o8 w* Z9 ]; {5 B数控测井地面仪是一个由计算机实时控制的数
& {5 V" ~) u# ^! ^  ~据采集系统。在数控测井地面系统中设置了深度子
系统，用以产生深度中断信号控制测井数据采集，以
. i( K- x& v* Z) K7 a使测井数据曲线的显示、记录和深度一一对应起来。
除了提供深度同步控制以外，深度子系统对下井仪
器提供仪器升降运动的方向、速度、下井深度等信
息。该仪器主要由电缆运动测量头、信号的检测处
理和显示等设备组成。
一般位移子系统采用数字逻辑电路进行仪器升
降运动的方向判别、抖动消除、速度、下井深度的运
8 q( c2 r1 p) p# |$ j算，结构复杂，适应性差(深度采样间隔变化或测量
  L( {8 l+ R- C! w( l5 I5 x轮磨损需要校深时)，尤其对抖动消除的效果不佳。
: u8 A/ l  {6 X" w' l本仪器采用软件的方法进行仪器运动方向判别、抖
动消除、速度、下井深度的运算及深度校正等，取得
了较好的效果。
1设计方案的实现
1．1 高速单片机简介
' y+ ?. \6 n3 B0 ]4 T4 q! p8 c本仪器选用W77E58高速单片机作为位移测
量控制核。高速单片机W77E58是WINBOND公
3 n- }$ f0 Y( c5 F! c6 }- |司生产的与MCS一51／52引脚和指令兼容的高速
" X( W+ X5 E# M1 V& l+ i单片机，主要有以下特性：
# ?4 U/ C) T2 v0 m. O) @- e) D(1)内部集成了高速结构，将12周期／指令缩减为
4周期／指令，使CPU的响应速度提升了1．5～3倍；
(2)最高工作时钟频率为40 MHz；
! U0 s4 q" p6 k(3)集成了256 B可直接读取的RAM和1 KB
用MoVx读取的内置SRAM；
* C  V0 k; \: B- a: \(4)内部有32 K的FI。ASH程序存储器；
(5)有2个全双工串行通信口，支持UART(通
& E# n0 E& d  y6 _% E1 j3 Y用异步通信接收和发送器)和同步移位寄存器，不仅
+ a4 t- f# Q6 G$ p4 ~( _如此，该芯片的串口还增加了帧结构错误探测
* x/ M8 t+ r0 ?% J8 l- t(FED)和地址自动识别(AAR)功能；
+ `/ z9 q) [$ l1 D- q+ y: z(6)内部集成了看门狗复位电路。
1．2 位移测量原理
当下井仪器在测井电缆的带动下沿井筒上(下)
: G2 q) a5 r' O7 h1 w: }, D运动时，电缆带动测量头上的测量轮顺(逆)时针转
/ I+ [1 x7 U. X, K动，安装在测量轮上的光栅编码器也随之转动，光栅
编码器输出A、B两相正交的方波信号，如图1所
示。当编码器顺时针转动时，A相信号前沿超前
  z* V$ B/ |; {: yB相信号1／4周期；编码器逆时针转动时，A相信号
. S/ m4 ^. ^2 X8 w7 u, Y9 M# W* K滞后B相信号1／4周期。要正确计测深度位置，必
须根据2路脉冲相位关系进行方向判别。
根据A相和B相信号的正交特性，可判别仪
器的运动方向，根据信号的频率计算出仪器的运动
速度和仪器下井深度。
+ m/ ?4 T2 \/ q9 J1 s) J6 [) [需要注意的是光栅编码器的抖动问题，光栅编
码器的抖动会引起深度测量误差。在一般逻辑电路
的消抖电路中，无法真正地消除误差。
1．3硬件设计
位移测量子系统要完成下井仪器运动方向判
; }) d6 d) h- O; T别、抖动消除、速度、下井位移的运算及位移校正，因
此，该系统由信号整形电路、控制器、显示电路、通信
接口电路等组成，如图2所示。
$ G' ~$ e- ]6 I: q5 _( @7 K
由测量头监测到信号后传递给光栅编码器，输
出信号的幅度为5～12 V，来自编码器的信号首先
经过整形电路处理，变成与控制器兼容的电平信号，
9 {" B# m1 d4 p9 r9 e1 y& _/ A整形后的信号APP和BPP送控制器进行深度、速
' D' [, }3 `5 R度测量及方向鉴别。单片机将测量到的当前深度、
' p  }; V! s4 h速度及运动方向锁存到显示电路显示。
9 z. L% u( w9 D5 E  c/ J2 w采用快速处理器高速单片机W77E58后，深度
处理电路非常简洁，提高了系统的可靠性。
1．4软件部分设计
程序主要有主程序和中断处理程序。主程序完
$ Y/ [& b7 \0 O4 k* v3 y3 }& o: N! L成实时性不高的任务，如速度计算、与主机的通信、
! F, _0 [+ y; ~深度、速度及状态显示等。中断处理程序完成实时
性高的任务，如方向判别、深度脉冲计数、消除抖动
等。TO和INTl中断优先级设为最高优先级，确保
' l( z! B3 \% |; m( c8 j不会丢失深度脉冲信号。
) p* P- T% Q5 {- `3 p1 f主程序流程图如图3所示，TO中断处理程序流
程图如图4所示，INTl中断处理程序流程图如图5
+ E- j' T5 F, I3 V* ]# B4 o( H' I所示。
为了进行深度、速度的计算，需要浮点运算，采用
3 E7 v: ?  P. J0 u- W, XC51编程。由于W77E58的高速处理能力以及优化
# x0 s8 L( L& i  t6 Q  X  Z2 S' i6 Y算法，用C语言编程也能满足深度系统的实时性。
0 M% r2 n& j0 x& b1 G5 WAPP信号一路直接送W77E58的TO，同时将
APP反相后送W77E58的INTl。这样做的目的是
让单片机能够感知APP的上升沿和下降沿。在
* j; R2 J+ i( V& j" Y8 f* b: g1个周期的上升沿对BPP信号检测，进行运动方向
鉴别，而在下降沿则根据BPP信号的状态决定是否
8 e- r" x  Z9 f3 G5 O7 C进行深度计数(下井仪器向上运动，减计数；下井仪
6 t" ~& C% y: w" I. W& c$ F4 Q5 P器向下运动，加计数)，若为抖动，则不计数，从而消
/ q3 O' D9 P& I除了抖动对深度测量的影响。当深度到达预定间隔
  e2 ~5 f- c& Y+ B

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