大容量存储器在井下存储式核密度计中的应用

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1、http:/ - 1 - 大容量存储器在井下存储式核密度计中的应用大容量存储器在井下存储式核密度计中的应用 付艳鹏1，孙普男2 1.新疆大学物理科学与技术学院，乌鲁木齐(830046) 2.黑龙江大学核技术应用研究所，哈尔滨（850010） Email： 摘摘 要：要：利用将放射源、闪烁晶体探测器、放大电路、数据存储电路、高压电源、锂电池组 装成一体，放入不锈钢管中，可构成井下存储式核密度计。本文在重点介绍核密度的设计原 理的同时充分分析了单片机（AT89c2051）与存储器（E2PROM）进行数据传输的电路设计 与软件的编程方法。 关键词：关键词：井下存储式核密度计，二线制 E2PROM，I

2、2C 总线，单片机 1.引言引言 原油位于井下几百米至几千米的不同地层中，并处于高温、高压环境下。各油层的含油量、含水量等参数是油田开采的重要依据。而含油、含水量等参数均与井下的混合液体的密度有关，因此，目前有很多种密度计在油田测井中的到广泛应用。但这些核密度计均采用铠装电缆把脉冲信号传输到地面，其缺点有三：一是现场测井需要同时使用两台车辆，仪器车和吊车，成本较高。特别是雨天，车辆很难进入现场。二是探测器与地面连接需要铠装电缆，成本高且易于损坏。三是探测器不能长期存放在井下，不能长期观察油层密度的变化曲线。为解决此问题，我们研制了一种非铠装传输的井下存储式核密度计。 本文介绍一种以 E2PRO

3、M（X24C16）采用 I2C 总线协议传输存储的大容量非易失性电可擦除存储器在该核密度计中的应用技术。 2.井下存储式核密度计监测原理与结构分析井下存储式核密度计监测原理与结构分析 井下存储式核密度计监测原理是:高能射线束穿过原油时,一部分射线被原油吸收,另一部分射线穿过原油被探测器吸收,并转化为电信号,经放大、分析后被记录。由于不同油层原油对射线的吸收系数不一样,所以探测器接收信号的强弱不同,在确定射源强度、射线探测器和待测原油厚度的基础上,得出原油密度与射线透射计数的自然对数ln N呈线性关系,通过现场标定可求出线性方程的斜率，通过数学模型可以计算出原油密度1。 该核密度计由放射源（So

4、urce 137Cs） 、探测器（NaI -scintillation）、光电倍增管（Photo multiply tube）、高压电源模块（Hight voltage power supply）、单片微处理器（Single chip microprocessor）、锂电池组（Battery）组成。详细结构如下： - 2 - 3存储器硬件接口及与软件设计存储器硬件接口及与软件设计 二线制串行 E2PROM 是一种非易失存储器，以其体积小、功耗低、操作灵活、性价比高、存储数据可靠等诸多优点，成为该设备中存储器的理想选择。但二线制串行 E2PROM的操作采用 I2C 总线协议， 而 MCS-51

5、系列单片机没有 I2C 接口， 我们在研制“井下存储式核密度计”时，利用 MCS-51 单片机的两条 I/O 线，通过软件产生 I2C 总线所需要的时序，可方便的实现单片机对串行 E2PROM 进行读写2。 3.1 X24C16 结构及引脚说明结构及引脚说明 图 2 X24C16 结构及引脚说明 3.2 传输时序传输时序 AT24C 系列存储器传输时序符合 I2C 总线协议，其在不同工作状态时传输时序关系见图。3,4要特别说明的是 SCL 要求的频率范围为 100kHz400kHz,SDA 的起始和停止时间为4.7us。有图 3 可见在数据传输期间，只要时钟线为高电平，数据线都必须保持稳定，否

6、则数据线上的变化都会被当作“启动”或“停止”信号。 VCC：+5V VSS：地线 SCL：串行时钟输入端 SDA：串行数据 I/O 端 A0、A1、A2：芯片地址引脚 TEST：写保护端 图 1 仪表结构示意图 - 3 - 图 3 串行总线运行时序关系图 3.3 写操作过程写操作过程 1 单字节写 这种写方式只执行 1 字节的写入。字节写过程如 4 图在起始状态中，首先写入 8 位的芯片地址，则 EEPROM 芯片会产生一个“0”信号 ACK 输出作为应答；接着，写入 8 位地址，在接收了字地址之后，EEPROM 又产生一个“0”应答信号 ACK，随后，写入 8 位数据，在接收了数据之后，芯片

7、又产生一个“0”信号作为应答。至此，完成一个字节的写入过程。此时，单片机应在 EEPROM 的 SCL，SDA 端发停止信号，结束写过程。 图 4 字节写入格式 2 多字节写 这种写入方式执行含若干连续字节的 1 页写入。对于 AT24C02，一页为 8 个字节。其写入过程如图 5 所示。在起始状态，首先写入 8 位芯片地址；待 EEPROM 发“0”时应答信号ACK 后，写入 8 位字地址；又待芯片发“0”应答信号 ACK 后，写入 8 位数据。多字节与单字节的写入过程区别主要是在发送完一个数据，并收到应答信号后，并不发送停止信号，而是继续发送其他数据。 图 5 多字节写入格式 - 4 -

8、3.4 读操作过程读操作过程 1. 当前地址读 在上次读或写操作完成之后，芯片内部字地址计数器会加 1，产生当前地址，被保存在存储器单元地址锁存器中。只要没有再执行读或写操作，且芯片没有掉电，这个当前地址就会一直保存。一旦芯片地址选中 EEPROM 芯片，并且 R/W=1，则在芯片的应答信号 ACK之后把读出的当前地址的数据送出。当前地址的数据输出时，就由单片机一位一位接收，接收后单片机不用向 EEPROM 发应答信号 ACK， 但应发出停止信号， 以结束当前读地址操作。如图 6。 图 6 当前地址读操作格式 3 随机读 随机读和当前地址读的最大区别是在于随机读要执行一个把字地址装入芯片中的写

9、入过程，以便对要寻址的存储单元定位，然后执行读出。如图 7。 第一， 执行伪写入把字地址送入 EEPROM，以确定需读的字节地址。 第二， 执行读出根据字地址读出对应内容。 当 EEPROM 芯片接收了芯片地址及字地址时，在芯片产生应答信号 ACK 之后，单片机必须再产生一个起始信号， 执行当前地址读， 这时单片机再发出芯片地址并执行一位一位接收，接收完毕后，单片机不用响应“0”应答信号，但必须产生停止信号以结束随机读过程。 图 7 随机读桢格式 3.5 与单片机接口电路及读写程序与单片机接口电路及读写程序 1 与单片机接口电路 MSC-51 系列单片机由于没有 I2C 总线接口，可利用两条

10、I/O 线 P3.3 和 P3.4 分别连至串行 E2PROM 的 SCL 和 SDA 端，通过软件产生 E2PROM 所要求的读写时序。AT89C2051与 X24c512 的硬件链接如图 8 所示。 - 5 - 图 8 单片机与 X24C16 的硬件连接图 2 读写程序 按照图 2.13 的连接 2051 对 24C16 的读写程序如下： sda equ p3.4 scl equ p3.3 dat equ 30h org 0000h ajmp main org 0030h main: mov sp,#60h clr sda clr scl lcall start mov dat,#0aeh

11、 lcall write ;写器件地址 lcall ack ;检查 ACK 信号 mov dat,#90h ;写数据地址 lcall write lcall ack mov dat,#66h ;写数据 mov r4,#08 aaa: lcall write lcall ack djnz r4,aaa lcall finish ;停止 nop lcall delay mov dat,#00h lcall start lcall write lcall ack lcall start mov dat,#0afh lcall write nop lcall ack mov r1,#31h mov r

12、4,#08 bbb: lcall read lcall gack mov r1,dat inc r1 djnz r4, bbb lcall read lcall noack lcall finish jmp $ - 6 - mov dat,#0aeh ;随机读 lcall write lcall ack mov dat,#94h finish: setb scl ;停止信号 nop clr sda setb sda nop clr scl ret ack: clr scl ;ACK 应答信号 setb scl jb sda,$ clr scl ret noack: clr scl ;NOACK

13、 信号 setb sda setb scl nop clr scl ret gack: clr scl ;输出 ACK 信号 clr sda setb scl nop clr scl ret write: mov r7,#8 ;写数据 mov a,dat w1: rlc a clr scl 4.结语结语 a. 按照上述方法, 可将 2051 单片机应用系统的片外数据存储器扩展到很大容量, 设计方法简单, 易于控制。 b. 存储式核密度计在井下时进行数据的存储，在井上时通过微机进行数据读取、分析，得start: setb scl ;起始信号 nop setb sda clr sda nop cl

14、r scl ret mov sda,c setb scl nop clr scl djnz r7,w1 ret read: mov r7,#8 ;读数据 read1: clr scl setb scl nop mov c,sda rlc a clr scl djnz r7,read1 mov dat,a ret delay: mov r6,#00h d1: mov r5,#00h djnz r5 ,$ djnz r6,d1 ret - 7 - 出井下密度分布情况，探测器能长期存放在井下，能长期观察油层密度的变化曲线。 c. 放射源在国家标准范围内合理使用,对人体并无伤害。 参考文献参考文献 1

15、 王铁流,孙普男,王瑛著.智能核仪表的单片机技术J.哈尔滨科学技术大学学报. 1996,(1)：39-41 2 藏海河(郑州工业高等专科学校）.MCS-51 单片机与二线制串行 E2PROM 的接口方法J.微机发 展.2001,(4).77-79 3 张 迎 新 等 编 著 .单 片 机 原 理 应 用 及 接 口 技 术 M.北 京 ： 国 防 工 业 出 版 .2004 4 刘和平主编.单片机原理及应用（9）M.重庆：重庆大学出版社.2002 The Application of Mass Storage to Storing Type Densimeter Used in The Well Fu Yangpeng1，Sun Punan2 1. Xinjiang Univ. College of Physical Science and Technology，Urumqi（830046） 2. Heilongjiang Univ. The Institute of Nuclear Technology，Harbin（850010） Abstract Form the radiate source, the scintillation detector, the expanded circuit, the circui