录井参数模拟器的制作方法

本发明属于模拟器技术领域，尤其涉及一种录井参数模拟器。

背景技术：

录井技术是一种钻井现场服务，录井的主要任务是实时为油气勘探开发提取第一手可靠的各项资料信息，录井技术以通信网络、传感仪表以及计算机的应用这三大技术为支柱，是多科学、多技术集成的高新技术几何体，其明显的信息技术特征，使得其在施工现场获取大量钻井、地质等等参数及资料信息，传输的信息具有及时性、多样性、解释评估迅速的特点，因此录井技术成为油气勘察与开发行业中最基本且必须的技术。

综合录井仪对录井数据进行采集分析依靠安装在各处的传感器、数据采集传输处理单元以及计算机技术相互合作完成。目前数据采集传输处理单元采集数据时是通过连接实体传感器进行调试。综合录井仪测量数据量很大，需要采集的信号繁多，利用上述方法测试综合录井仪的性能，需要连接20多个实物传感器进行测试，严重影响效率，且不够智能化。因此一种发出多种模拟量、频率量、计数量的参数模拟器的需求大大增加。

技术实现要素：

本发明就是针对上述问题，提供一种录井参数模拟器。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案，本发明包括控制器，其特征在于控制器的信号输出端口分别与4-20ma输出部分、0-5v输出部分、频率量输出部分、计数量输出部分相连。

作为一种优选方案，本发明所述控制器的显示信号输出端口与显示电路相连，控制器的报警信号输出端口与报警电路相连，控制器的信号输入端口与按键输入部分相连。

作为另一种优选方案，本发明所述控制器的电源端口与稳压电源的输出端口相连，稳压电源的输入端口与充电管理部分的输出端口相连，充电管理部分分别与锂电池、usb口相连。

作为一种优选方案，本发明所述控制器采用stmcu_lqfp64芯片u5，u5的5脚与晶振x3一端相连，x3另一端接u5的6脚，u5的1脚分别与vbat/vlcd端、vdd端、电容c29一端相连，c29另一端接地；

u5的13脚分别与avdd端、电感l1一端相连，l1另一端分别与vdd端、u5的32脚、u5的64脚、u5的48脚、u5的19脚相连，u5的18脚接地，u5的47脚通过电容c22接地，u5的63脚接地，u5的31脚通过电容c25接地，u5的12脚接地，u5的60脚通过电阻r55接地，u5的7脚分别与电阻r54一端、开关s2一端、电容c14一端相连，r54另一端接vdd端，s2另一端、c14另一端接地。

作为另一种优选方案，本发明所述充电管理部分采用bq24195芯片u9，u9的1脚分别与电容c39一端、电容c38一端、vbus端、u9的24脚相连，c39另一端、c38另一端接地；

u9的2脚通过cb2接u9的3脚；

u9的4脚通过电阻r50接led1的阴极，led1的阳极接vreg端；

u9的5脚通过电阻r48接vcc3.3端；

u9的6脚通过电阻r49接vcc3.3端；

u9的8脚分别与电阻r52一端、npn三极管q7集电极相连，r52另一端接vsys端，q7基极分别与电阻r51一端、电阻r62一端相连，r51另一端接vbus_in端，r62另一端分别与q7集电极、地线相连；

u9的9脚通过电阻r58接地；

u9的10脚通过电阻r59接地；

u9的11脚分别与u9的12脚、电阻r53一端、电阻r60一端、电阻r61一端相连，r53另一端接vreg端，r60另一端、r61另一端接地；

u9的13脚分别与u9的14脚、电容c44一端、电容c43一端、vbat端相连，c44另一端、c43另一端接地；

u9的15脚分别与u9的16脚、电感l6一端、电容c42一端、电容c40一端、电容c41一端、vsys端相连，c42另一端、c40另一端、c41另一端接地，l6另一端分别与电容c37一端、u9的19脚、u9的20脚相连，c37另一端接u9的21脚；

u9的17脚、18脚接地；

u9的22脚分别与电容c35一端、vreg端相连，c35另一端接地；

u9的23脚分别与电容c36一端、电容c34一端、电容c33一端、vbst5v1端、电阻r45一端相连，c36另一端、c34另一端、c33另一端接地，r45另一端分别与电阻r46一端、lowbatb端相连，r46另一端接地。

作为另一种优选方案，本发明所述稳压电源采用rt9193-33gb芯片u2，u2的1脚分别与vsys端、电容c9一端、电阻r1一端相连，c9另一端接地，r1另一端分别与u2的3脚、开关sw1相连，u2的2脚接地，u2的4脚通过电容c10分别与地线、电容c11一端相连，c11另一端分别与vcc3.3端、u2的5脚、电感l3一端相连，l3另一端接vdd。

作为另一种优选方案，本发明所述按键输入部分包括sw-pb4开关s1、s3、s4、s5，s1的1、4脚分别与btn1端、电阻r2一端相连，r2另一端接vcc3.3端，s1的2、3脚接地；s3的1、4脚分别与btn2端、电阻r3一端相连，r3另一端接vcc3.3端，s3的2、3脚接地；s4的1、4脚分别与btn3端、电阻r4一端相连，r4另一端接vcc3.3端，s4的2、3脚接地；s5的1、4脚分别与btn4端、电阻r5一端相连，r5另一端接vcc3.3端，s1的2、3脚接地。

作为另一种优选方案，本发明所述4-20ma输出部分采用dac7311idckr芯片u3，0-5v输出部分采用lm358芯片u7，u3的2脚通过电阻r15分别与pa5端、电阻r11一端相连，u3的3脚通过电阻r17接pa7端，u3的1脚通过电阻r19接pa4端，u3的4脚分别与ref3端、电容c16一端、电阻r10一端、电容c12一端、tl431芯片q1的1脚、电阻r8一端、电阻r7一端相连；

c16另一端接地，u3的6脚分别与r11另一端、bl1551芯片u4的4脚相连，u4的5脚分别与ref3端、电容c17一端相连，c17另一端接地，u4的6脚通过电阻r18接pa6端；

u4的2脚接地，u4的3脚依次通过电阻r13、r14分别与电阻r12一端、电阻r20一端、opa365aidbvr芯片u6的3脚相连，r12另一端接r10另一端；

c12另一端分别与u6的2脚、地线、q1的3脚、电阻r9一端相连，电阻r9另一端分别与q1的2脚、电阻r8另一端相连；

r7另一端分别与npn三极管q2集电极、电感l4一端、电容c13一端相连，l4另一端分别与二极管d1阴极、tvs管d5一端相连，d5另一端接电感l5一端相连，l5另一端分别与c13另一端、电阻r21一端、r20另一端相连；r21另一端分别与u6的4脚、电容c15一端、电阻r16一端相连，c15另一端分别与u6的5脚、ref3端相连；r16另一端接q2的发射极；

u4的1脚通过电阻r25分别与电容c19一端、电阻r26一端相连，r26另一端分别与电容c20一端、lm358芯片u7的3脚相连，c20另一端分别与u7的4脚、地线相连，u7的2脚分别与电阻r22一端、电阻r23一端、变阻器vr1一端相连，vr1另一端分别与c19另一端、r23另一端、u7的1脚、u7的5脚相连，u7的6脚分别与u7的7脚、电阻r24一端相连，r24另一端分别与电容c18一端、pesd3v3u1ua二极管d6阴极相连，d6阳极接地。

作为另一种优选方案，本发明所述频率量输出部分和计数量输出部分采用74lvch2t45dc芯片u8，u8的1脚分别与vcc3.3端、电容c21一端、电阻r30一端相连，c21另一端接地，r30另一端分别与do_en端、u8的5脚相连，u8的2脚通过电阻r31接do_a端，u8的3脚通过电阻r32接do_b端，u8的8脚分别与vcc5端、电容c26一端相连，c26另一端接地；

u8的7脚通过电阻r28分别与电阻r29一端、npn三极管q3的基极相连，r29另一端分别与地线、q3的发射极、pesd24vs1ub二极管d7的阳极相连，q3的集电极分别与电阻r27一端、d7阴极相连，r27另一端分别与dext端、二极管d2阴极相连；

u8的6脚通过电阻r34分别与电阻r35一端、npn三极管q4的基极相连，r35另一端分别与地线、q4的发射极、pesd24vs1ub二极管d8的阳极相连，q4的集电极分别与电阻r33一端、d8阴极相连，r33另一端接dext端。

作为另一种优选方案，本发明还包括sgm41000芯片u10，u10的1脚分别与电阻r63一端、电容c46一端相连，r63另一端接vbat端，u10的2、3、7脚接地，u10的4、5脚接地，u10的6脚通过电容c45接地，c46另一端接地。

作为另一种优选方案，本发明所述报警电路包括蜂鸣器bz1、bz2，bz1正极分别与vcc3.3端、bz2正极、二极管d10阴极相连，bz1负极分别与d10阳极、bz1负极、bz2负极、ss8050三极管q10集电极相连，q10基极分别与电阻r74一端、电阻r75一端相连，r74另一端接beep端，r75另一端分别与q10发射极、地线相连。

本发明有益效果。

本发明4-20ma输出部分、0-5v输出部分作为模拟量输出，同时具备频率量和计数量输出；使用方便，效率高。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。本发明保护范围不仅局限于以下内容的表述。

图1是本发明电路原理框图。

图2、3、4是本发明4-20ma输出部分、0-5v输出部分电路原理图。

图5是本发明频率量输出部分、计数量输出部分电路原理图。

图6是本发明各部分连接关系图。

图7是本发明稳压电源电路原理图。

图8是本发明控制器电路原理图。

图9是本发明显示电路和按键输入部分电路原理图。

图10、11是本发明充电管理部分电路原理图。

图12是本发明lcd接线图。

图13是本发明报警电路原理图。

图14是本发明存储器电路原理图。

图15是本发明电压/电流转换器的简化原理图。

具体实施方式

如图所示，本发明包括控制器，控制器的信号输出端口分别与4-20ma输出部分、0-5v输出部分、频率量输出部分、计数量输出部分相连。

所述控制器的显示信号输出端口与显示电路相连，控制器的报警信号输出端口与报警电路相连，控制器的信号输入端口与按键输入部分相连。显示电路连接显示设备，显示设备可用于显示电流模拟量、电压模拟量、频率量、计数量。

所述控制器的电源端口与稳压电源的输出端口相连，稳压电源的输入端口与充电管理部分的输出端口相连，充电管理部分分别与锂电池、usb口相连。

所述控制器采用stmcu_lqfp64芯片u5，u5的5脚与晶振x3一端相连，x3另一端接u5的6脚，u5的1脚分别与vbat/vlcd端、vdd端、电容c29一端相连，c29另一端接地；

u5的13脚分别与avdd端、电感l1一端相连，l1另一端分别与vdd端、u5的32脚、u5的64脚、u5的48脚、u5的19脚相连，u5的18脚接地，u5的47脚通过电容c22接地，u5的63脚接地，u5的31脚通过电容c25接地，u5的12脚接地，u5的60脚通过电阻r55接地，u5的7脚分别与电阻r54一端、开关s2一端、电容c14一端相连，r54另一端接vdd端，s2另一端、c14另一端接地。

8mhz晶振x3经过mcu内部的倍频电路到72mhz供系统主时钟使用。

本发明采用rc复位，在系统刚上电时，通过电阻r54向电容c14充电，reset引脚为低电平，stm处于复位状态。当充电完成时，reset引脚恢复到高电平，系统正常工作。

stmcu_lqfp64芯片定时器的pwm功能频率量、计数量输出提供原始信号，经电平转换，最终得到指定电压值的频率量、计数量。

stmcu_lqfp64芯片内置的12位dac功能向4-20ma模拟量输出、0-5v模拟量输出提供dac信号，经变送器转换，最终得到相应的电流值，电压值。

本发明stmcu_lqfp64芯片使用硬件i2c与充电管理芯片通信，实现锂电池充放电过程中的状态监控功能。

本发明stmcu_lqfp64芯片使用硬件spi通信，通过oled屏显示信号输出信息。

本发明stmcu_lqfp64芯片通过普通io口按键实现工作模式切换、输出参数设定。

stmcu_lqfp64芯片为带有支持pwm输出的定时器硬件资源和带da转换器的控制芯片，可兼具模拟量、频率量、计数量的输出功能。

所述充电管理部分采用bq24195芯片u9，u9的1脚分别与电容c39一端、电容c38一端、vbus端、u9的24脚相连，c39另一端、c38另一端接地；

u9的2脚通过cb2(可为0欧电阻)接u9的3脚；

u9的4脚通过电阻r50接led1的阴极，led1的阳极接vreg端；

u9的5脚通过电阻r48接vcc3.3端；

u9的6脚通过电阻r49接vcc3.3端；

u9的8脚分别与电阻r52一端、npn三极管q7集电极相连，r52另一端接vsys端，q7基极分别与电阻r51一端、电阻r62一端相连，r51另一端接vbus_in端，r62另一端分别与q7集电极、地线相连；

u9的9脚通过电阻r58接地；

u9的10脚通过电阻r59接地；

u9的11脚分别与u9的12脚、电阻r53一端、电阻r60一端、电阻r61一端相连，r53另一端接vreg端，r60另一端、r61另一端接地；

u9的13脚分别与u9的14脚、电容c44一端、电容c43一端、vbat端相连，c44另一端、c43另一端接地；

u9的15脚分别与u9的16脚、电感l6一端、电容c42一端、电容c40一端、电容c41一端、vsys端相连，c42另一端、c40另一端、c41另一端接地，l6另一端分别与电容c37一端、u9的19脚、u9的20脚相连，c37另一端接u9的21脚；

u9的17脚、18脚接地；

u9的22脚分别与电容c35一端、vreg端相连，c35另一端接地；

u9的23脚分别与电容c36一端、电容c34一端、电容c33一端、vbst5v1端、电阻r45一端相连，c36另一端、c34另一端、c33另一端接地，r45另一端分别与电阻r46一端、lowbatb端相连，r46另一端接地。

本硬件电路中使用的电压有5v和3.3v，系统输入电源是3.7-4.2v的锂电池。

5v电源输出电路是电池电压经过充电管理芯片bq24195在升压模式下得到。其中功率电感l6、电容c33、c34、c36都用于滤波，减小电源的纹波。

所述稳压电源采用rt9193-33gb芯片u2，u2的1脚分别与vsys端、电容c9一端、电阻r1一端相连，c9另一端接地，r1另一端分别与u2的3脚、开关sw1相连，u2的2脚接地，u2的4脚通过电容c10分别与地线、电容c11一端相连，c11另一端分别与vcc3.3端、u2的5脚、电感l3一端相连，l3另一端接vdd。

3.3v电压输出电路是电池电压经过低压差线性稳压芯片rt9193-33gb得到3.3v电压，最大输出电流为300ma。

所述按键输入部分包括sw-pb4开关s1、s3、s4、s5，s1的1、4脚分别与btn1端、电阻r2一端相连，r2另一端接vcc3.3端，s1的2、3脚接地；

s3的1、4脚分别与btn2端、电阻r3一端相连，r3另一端接vcc3.3端，s3的2、3脚接地；

s4的1、4脚分别与btn3端、电阻r4一端相连，r4另一端接vcc3.3端，s4的2、3脚接地；

s5的1、4脚分别与btn4端、电阻r5一端相连，r5另一端接vcc3.3端，s1的2、3脚接地。

按键可用于设置模拟电流模式、模拟电压模式、频率模式、计数模式和输出参数。按键的一端连接到控制器的普通io上，另一端连接到地。按键没按下时通过外部的上拉电阻拉到高电平，当按键按下时，控制器通过io读取到低电平，松开后恢复高电平。

jtag用来传输调试信息。上位机通过这个接口进行调试程序、下载程序、控制芯片内部的寄存器、存储器、相关外设等。

swd采用4根线就能完成调试，主要信号线有swdio、swclk。本发明采用4针的swd调试接口。按键和swd调试接口电路设计如图9所示。

所述4-20ma输出部分采用dac7311idckr芯片u3，0-5v输出部分采用lm358芯片u7，u3的2脚通过电阻r15分别与pa5端、电阻r11一端相连，u3的3脚通过电阻r17接pa7端，u3的1脚通过电阻r19接pa4端，u3的4脚分别与ref3端、电容c16一端、电阻r10一端、电容c12一端、tl431芯片q1的1脚、电阻r8一端、电阻r7一端相连；

c16另一端接地，u3的6脚分别与r11另一端、bl1551芯片u4的4脚相连，u4的5脚分别与ref3端、电容c17一端相连，c17另一端接地，u4的6脚通过电阻r18接pa6端；

u4的2脚接地，u4的3脚依次通过电阻r13、r14分别与电阻r12一端、电阻r20一端、opa365aidbvr芯片u6的3脚相连，r12另一端接r10另一端；

c12另一端分别与u6的2脚、地线、q1的3脚、电阻r9一端相连，电阻r9另一端分别与q1的2脚、电阻r8另一端相连；

r7另一端分别与npn三极管q2集电极、电感l4一端、电容c13一端相连，l4另一端分别与二极管d1阴极、tvs管d5一端相连，d5另一端接电感l5一端相连，l5另一端分别与c13另一端、电阻r21一端、r20另一端相连；r21另一端分别与u6的4脚、电容c15一端、电阻r16一端相连，c15另一端分别与u6的5脚、ref3端相连；r16另一端接q2的发射极；

u4的1脚通过电阻r25分别与电容c19一端、电阻r26一端相连，r26另一端分别与电容c20一端、lm358芯片u7的3脚相连，c20另一端分别与u7的4脚、地线相连，u7的2脚分别与电阻r22一端、电阻r23一端、变阻器vr1一端相连，vr1另一端分别与c19另一端、r23另一端、u7的1脚、u7的5脚相连，u7的6脚分别与u7的7脚、电阻r24一端相连，r24另一端分别与电容c18一端、pesd3v3u1ua二极管d6阴极相连，d6阳极接地。

受限于微控制器的电源输入电压，其输出的dac模拟信号的电压范围只有0-3.3v，为实现接口端0-5v的输出，须对dac信号做电压放大。同时，为提高模拟输出的驱动能力，在后级增加电压跟随器，使输出接口具有足够的带负载能力。本发明采用同向比例放大器+跟随器的结构。

其工作原理和设计步骤如下：

输出电压传递函数为：

选择合适的vr1/r22比值：

根据dac零标度电压(0v)、增益比率(vr1/r22)计算vout。

根据dac满标度电压(这里取3v)、增益比率(vr1/r22)计算vout。

4-20ma信号标准首次出现于1950年代，是国际电工委员会(iec)过程控制系统采用的模拟信号传输标准，常用于工业环境中的信号传输和电子控制。我国也采用这一国际标准信号制，仪表传输信号采用4-20ma，接收信号采用1-5v，即采用电流传输、电压接收的信号系统。由于采用电流信号传输，具有不易受干扰、安全可靠等优点，该使其成为工业上普遍使用的信号传输方式。

本发明设计的4-20ma接口电路如图2、3、4所示，由稳压电路、电压/电流转换电路、接口保护电路组成。

电压/电流转换器的简化原理图如图15所示，为环路供电或2线4-20ma变送器。变送器只有两个外部输入端子。变送器通过精确控制其返回电流的大小，与主机进行通讯，从而与主机通信。

其工作原理和设计步骤如下：

输出电流传递函数为：

选择较大的r3/r4比值：

根据零标度电流(4ma)、稳压器电压和增益比率(r3/r4)计算r2。

根据满标度dac电压和16ma的电流范围计算r1，以设置满标度电流。

根据所选的电阻器值计算零标度电流。

根据所选的电阻器值计算满标度电流。

稳压电路采用tl431可编程并联稳压芯片，精度规格为0.5％，成本低、性能良好。即使负载发生变化，稳压器输出也将保持相对一致。

由于使用4-20ma信号标准的仪器仪表常被用于工业环境，而工业环境对于敏感的电子组件可能非常危险，因此，为防止错误接线可能导致的电气过应力或不良性能的环境危害，在接口端增加保护电路。本发明利用二极管d1的单向导通性，tvs管d5的反向击穿特性，防止因接线错误、外部信号干扰导致的系统故障。

所述频率量输出部分和计数量输出部分采用74lvch2t45dc芯片u8，u8的1脚分别与vcc3.3端、电容c21一端、电阻r30一端相连，c21另一端接地，r30另一端分别与do_en端、u8的5脚相连，u8的2脚通过电阻r31接do_a端，u8的3脚通过电阻r32接do_b端，u8的8脚分别与vcc5端、电容c26一端相连，c26另一端接地；

u8的7脚通过电阻r28分别与电阻r29一端、npn三极管q3的基极相连，r29另一端分别与地线、q3的发射极、pesd24vs1ub二极管d7的阳极相连，q3的集电极分别与电阻r27一端、d7阴极相连，r27另一端分别与dext端、二极管d2阴极相连；

u8的6脚通过电阻r34分别与电阻r35一端、npn三极管q4的基极相连，r35另一端分别与地线、q4的发射极、pesd24vs1ub二极管d8的阳极相连，q4的集电极分别与电阻r33一端、d8阴极相连，r33另一端接dext端。

频率量输出(数字量输出)利用控制器的定时器功能输出可编程频率的pwm信号。利用74lvch2t45dc芯片完成3.3v至5v的信号电压转换。在接口输出端被设计为npn开漏型输出，该设计允许用户提供外部电压参考，并通过外接负载，输出指定电压下的频率量输出。

计数量输出利用控制器的io口功能和定时器功能输出低速的开关信号。利用74lvch2t45dc芯片完成3.3v至5v的信号电压转换。在接口输出端被设计为npn开漏型输出，该设计允许用户提供外部电压参考，并通过外接负载，输出指定电压下的计数量输出。

本发明还包括sgm41000芯片u10，u10的1脚分别与电阻r63一端、电容c46一端相连，r63另一端接vbat端，u10的2、3、7脚接地，u10的4、5脚接地，u10的6脚通过电容c45接地，c46另一端接地。

所述报警电路包括蜂鸣器bz1、bz2，bz1正极分别与vcc3.3端、bz2正极、二极管d10阴极相连，bz1负极分别与d10阳极、bz1负极、bz2负极、ss8050三极管q10集电极相连，q10基极分别与电阻r74一端、电阻r75一端相连，r74另一端接beep端，r75另一端分别与q10发射极、地线相连。

本发明信号可分为：模拟量四种，频率量一种，计数量一种。

模拟量(量程可设置为5-6挡可调，比如4-20ma，可以输出4、8、12、16、20ma，电压0、1、2、3、4、5)：(1)4-20ma，二线制，其中供电24v。(2)4-20ma，二线制，其中不需要供电，直接输出信号。(3)0-5v，二线制，其中供电24v。(4)0-5v，二线制，其中不需要供电，直接输出信号。

频率量：供电24v，二线制，输出60hz，120hz，360hz，540hz，720hz，1200hz，1800hz,24000hz。

计数量：可以初始计数值为40000，依次增加或者减小，每次可以增加1个脉冲，速度可以达到1hz，该通道可以引出4个接线端子，分别是电源正(8v)、电源负、信号a、信号b。直接信号a，信号b输出的电信号为+8,0，0，-8(正向递增)即可，-8,0,0+8(反向递减)。

本发明可以用电池供电，手持、携带方便。

可以理解的是，以上关于本发明的具体描述，仅用于说明本发明而并非受限于本发明实施例所描述的技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果；只要满足使用需要，都在本发明的保护范围之内。