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
7 M" |1 Z7 ^5 W于测井仪和数控机床等要求精度比较高的场合。
0引言
数控测井地面仪是一个由计算机实时控制的数
7 m7 v& a' Z7 E- N1 G" V* v  C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
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。
- p& i$ d) ]7 i. z1 |5 P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
算，结构复杂，适应性差(深度采样间隔变化或测量
9 m# |+ f; l5 `! U9 f轮磨损需要校深时)，尤其对抖动消除的效果不佳。
本仪器采用软件的方法进行仪器运动方向判别、抖
' X. c& V% e+ a9 z% n动消除、速度、下井深度的运算及深度校正等，取得
/ b7 Q) x3 ~, q$ M' M4 U了较好的效果。
1设计方案的实现
1．1 高速单片机简介
4 h; G- j) a+ w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
司生产的与MCS一51／52引脚和指令兼容的高速
单片机，主要有以下特性：
; t$ x. i+ ^% ](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；
5 \, B, z2 L+ G9 l(3)集成了256 B可直接读取的RAM和1 KB
用MoVx读取的内置SRAM；
' {) N; a! i, ~# U(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
用异步通信接收和发送器)和同步移位寄存器，不仅
& E9 ?! N  X  L! R, n如此，该芯片的串口还增加了帧结构错误探测
(FED)和地址自动识别(AAR)功能；
. r7 n1 b& t1 F(6)内部集成了看门狗复位电路。
1．2 位移测量原理
+ M, n0 G% c5 a# }6 ~" g当下井仪器在测井电缆的带动下沿井筒上(下)
运动时，电缆带动测量头上的测量轮顺(逆)时针转
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
B相信号1／4周期；编码器逆时针转动时，A相信号
6 P8 E1 g+ d4 d( c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。
  \, X$ X, {0 ~4 _9 h需要注意的是光栅编码器的抖动问题，光栅编
2 j0 g- h! t) T2 n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。
3 L6 r& m% V5 b" e  p1．3硬件设计
1 t9 B# f2 T3 D位移测量子系统要完成下井仪器运动方向判
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。
$ A* q0 `" j3 `) V; f4 v$ r4 A
* I$ Q6 Q2 B- x由测量头监测到信号后传递给光栅编码器，输
" u$ N+ t) [7 e7 Y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，
7 k9 I5 L0 P5 W+ `整形后的信号APP和BPP送控制器进行深度、速
+ T' W0 m2 `5 H5 h度测量及方向鉴别。单片机将测量到的当前深度、
速度及运动方向锁存到显示电路显示。
( r3 a! g2 o% x; d; U采用快速处理器高速单片机W77E58后，深度
% h: l$ P' v. f9 d! t* U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
成实时性不高的任务，如速度计算、与主机的通信、
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
. D  p7 b0 D% Y. C2 X8 |等。TO和INTl中断优先级设为最高优先级，确保
不会丢失深度脉冲信号。
主程序流程图如图3所示，TO中断处理程序流
! T& Z7 ~& `7 ^/ K7 X$ u程图如图4所示，INTl中断处理程序流程图如图5
所示。
3 u, Y; b& e" Y" ?3 T/ U8 q' x0 {为了进行深度、速度的计算，需要浮点运算，采用
C51编程。由于W77E58的高速处理能力以及优化
& f% ^3 Y$ T  x3 C) c算法，用C语言编程也能满足深度系统的实时性。
APP信号一路直接送W77E58的TO，同时将
  g4 B2 W' }/ J: E( D1 aAPP反相后送W77E58的INTl。这样做的目的是
9 a) M- Z  [8 B" ^让单片机能够感知APP的上升沿和下降沿。在
% B; S3 l6 Q# j$ c+ m* \; s; `# M3 D1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
进行深度计数(下井仪器向上运动，减计数；下井仪
器向下运动，加计数)，若为抖动，则不计数，从而消
除了抖动对深度测量的影响。当深度到达预定间隔
9 s/ b5 T$ o* [4 }# ?5 f( O6 t

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