胡永建1，胡寰臻2，黃衍福1

1. 中國石油集團鉆井工程技術(shù)研究院 北京石油機械廠，北京 100083； 2.中國石油大學（北京） 地球科學學院，北京 102249

　　摘要：為了實現(xiàn)井下隨鉆壓力測量，設(shè)計出一種高可靠性壓力計。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，同時分析了可能的器件失效風險并給出了解決方法。借助安全微控制器的“安全島”理念及設(shè)計架構(gòu)，該壓力計能夠自動處理微控制器及壓力傳感器的軟硬件錯誤以保證工作可靠性。該壓力計在石油鉆井領(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

0引言

　　在石油鉆井中，通過隨鉆井下壓力測量可以實時得到井筒內(nèi)壓力數(shù)據(jù)，有助于實施控壓鉆井，同時可以預防井涌和井漏，是井控安全的有效手段。石油鉆井是高風險的資本密集型行業(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，成本高昂。這要求隨鉆井下壓力計必須具備高可靠性。

　　本文設(shè)計的隨鉆井下壓力計使用了安全微控制器，充分利用其安全架構(gòu)來實現(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、軟硬件實現(xiàn)等方面完成綜合設(shè)計。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現(xiàn)安全特性，符合業(yè)界安全性能標準，可使系統(tǒng)設(shè)計更易滿足ISO 26262 ASILD 和 IEC 61508 SIL3的安全標準要求。采用支持浮點計算的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誤；在CPU內(nèi)部集成了ECC邏輯以校驗內(nèi)存和閃存；具有外設(shè)內(nèi)存的奇偶校驗和外設(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)計需求。

　　圖1數(shù)字壓力計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個石英晶體探頭部件，其中壓力和溫度晶體分別對壓力與溫度敏感，而參考晶體對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、頻率計及串口EEPROM。通過分別將壓力、溫度信號與參考信號混頻來提高頻率測量分辨率。頻率計輸出壓力、溫度兩組原始數(shù)據(jù)。用戶可調(diào)用存儲在EEPROM中的校準系數(shù)，從原始數(shù)據(jù)計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)，也可以讀取存儲在串口EEPROM中的校準系數(shù)。TMS570LS1114安全微控制器的I2C多主機通信模塊兼容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

　　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，實現(xiàn)安全管理與應用成本之間的平衡［3］。“安全島”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，運行硬件診斷安全機制；其他組件包含外設(shè)等部件，運行軟件診斷安全機制。一旦微控制器診斷檢測到某個錯誤時，微控制器的外設(shè)錯誤信號模塊（Error Signaling Module, ESM）將該錯誤傳遞給其他組件或軟件，開發(fā)人員確定如何響應錯誤。

　　“安全島”方法將微控制器的各種錯誤狀況按嚴重性分為3組。如圖2所示，錯誤組1（如外設(shè)隨機存儲器奇偶校驗錯誤）的嚴重程度最低，對來自硬件診斷錯誤組1的錯誤通道信號，用戶可以選擇是否使能中斷并確定中斷優(yōu)先級，也可以選擇是否使能微控制器的ERROR引腳信號輸出（低電平有效）；錯誤組2（如地址總線奇偶校驗錯誤）的錯誤會產(chǎn)生不可屏蔽的高優(yōu)先級中斷，同時產(chǎn)生ERROR引腳信號輸出；因為錯誤組3（如互聯(lián)總線錯誤）的大多數(shù)錯誤會導致CPU直接退出，所以僅產(chǎn)生ERROR引腳信號輸出而不產(chǎn)生中斷。為了方便外設(shè)響應，需要ERROR引腳在輸出有效信號時能夠保持一段時間，該低電平保持時間可以自行設(shè)定。

　　2.2出錯風險分析

　　井下壓力計出錯風險來自電源、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風險。

　　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使其阻抗上升，從而需要更高的驅(qū)動電平才能起振，即石英晶體振蕩器在加電時不一定起振。Quartzdyne的數(shù)字壓力傳感器使用了一種啟動輔助電路來改善這種失效情況，即在上電的短時間內(nèi)使用較高的驅(qū)動電壓，之后再恢復正常電壓。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其斷電后重新加電。

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

　　2.3系統(tǒng)設(shè)計

　　圖3是高可靠性設(shè)計相關(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引腳與冷啟動復位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，也用于延遲上電復位。一旦發(fā)生硬件診斷錯誤或其他錯誤，ERROR引腳輸出低電平，使PORRST引腳拉低，微控制器進入冷啟動，嘗試修復錯誤。

　　表1列出了錯誤原因及相應初始化動作。表1錯誤原因及初始化動作錯誤原因初始化動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誤常規(guī)初始化I2C控制及狀態(tài)寄存器回讀錯誤I2C多主機通信模塊初始化數(shù)字壓力傳感器冗余讀取錯誤視情況而定

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

3初始化及驅(qū)動代碼生成

　　為了縮短產(chǎn)品研發(fā)時間，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)動代碼 ［4］。

　　新建項目并選擇TMS570LS1114及開發(fā)工具，即可開始配置。以I2C多主機通信模塊為例，在“Driver Enable” 標簽頁中勾選“Enable I2C driver”使能該模塊。在“I2C”標簽頁可以配置模塊，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。具體實現(xiàn)可參考相關(guān)文檔［5］。

4結(jié)論

　　本文設(shè)計的基于TMS570的高可靠性隨鉆井下壓力計能夠自動嘗試消除數(shù)字壓力傳感器的石英晶體起振故障，也可以自動處理其他硬件及軟件錯誤，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)省時間和人力物力，具有較高的經(jīng)濟效益。

參考文獻

　　［1］ TEXAS INSTRUMENTS. TMS570LS1114 16 and 32bit RISC Flash microcontroller (SPNS188B) ［Z］. 2015.

　　［2］ QUARTZDYNE, Inc. Operating manual for digital pressure transducer (DigitalTransProg201206) ［Z］. 2012.

　　［3］ TEXAS INSTRUMENTS. Safety Manual for TMS570LS12x and 11x HerculesTM ARMbased safety critical microcontrollers user’s guide (SPNU550A) ［Z］. 2014.

　　［4］ TEXAS INSTRUMENTS. HALCoGen TMS570LS31x help 040500 ［N］. 2015.

　　［5］ 楊帆.基于I2C接口EEPROM讀寫控制器設(shè)計［J］.微型機與應用,2015,34(10):2224.