基于PIC16F688的随钻仪器锂电池监控系统的设计

石倩，潘兴明，孙成芹

（北京石油机械厂 北京 100083）

随着随钻测井、导向技术的发展，石油钻井随钻测井方法不断丰富，如声波测井，方位密度中子测井、实时电阻率图像，多探测深度的定量成像测井，近钻头地质导向测井，旋转导向测井等测井方法也逐渐应用到石油钻井领域中。研发出多样化的随钻测井、导向技术的仪器为钻井工作人员进行实时决策提供了丰富的井下信息，为更全面地分析、判断正在钻遇地层的地质、工程情况，适时地调整钻进方向，控制最有利的井眼轨迹，实现预期钻井目的，节约钻井工作时间，降低吨油成本起到了越来越重要的作用，应用前景十分广阔[1]。

测井仪器种类越来越多，其使用的井下电子电路复杂性越来越大，所需要解决的供电、节能问题日益突出。目前，井下随钻测量系统的供电电源主要分为井下涡轮发电机与电池两种方式，涡轮发电机虽然能够提供长时间供电，但其在泥浆泵停泵时不能发电，导致仪器工作中断，信息丢失，因此，电池供电是必不可少的供电方式。随钻仪器长期工作在井下高温环境中，必须使用耐高温的锂电池来供电，而目前高温锂电池还不能实现充电循环使用。钻井工程中，一次起下钻的成本很高，通常不会使用电量不足的旧电池入井，以避免因为电池电量不足引起起下钻次数的增加，这会导致大量锂电池在电量剩余较多的情况下便报废处理，造成浪费（高温锂电池价格昂贵，报废处理费用也颇高）。

锂电池是指以锂为负极材料的化学电池的总称，通常锂电池在放电过程中，电池电压与剩余电量、工作时间之间不是线性关系，一旦电池剩余电量低于临界值，电池输出电压会快速下降，所以不能简单地采用电压采样，通过函数计算剩余电量[2-3]。电池的电量一般用安时（Ah）来计算，它表示电池工作在额定电压下，以某个固定的电流放电能够持续的时间。

为了尽可能充分地使用锂电池的有限电量，发挥旧锂电池剩余电量的作用，在深入学习锂电池工作特性的基础上，本文设计了一种主、从锂电池监控系统作为井下仪器的供电系统。其主要特点是两组锂电池共同供电，采用PIC16F688单片机作为主控芯片进行设计。硬件体积小，功耗低，系统具有电池电量统计精确，稳定可靠等优势。现场应用验证，此系统适用于石油钻采井下工况，有效地提高了随钻仪器锂电池使用效率，减少了锂电池报废数量。

1 井下随钻仪器主、从锂电池监控系统工作原理

本系统采用两组电池构成主、从电池系统作为井下仪器的电源，主、从电池并联为后续电路供电，但从电池在并联之前由单片机控制的电子开关控制其是否向后供电。首先由主电池对井下仪器进行供电，同时对主电池进行监测，当主电池的电压降低到某个设定值，或者主电池的耗电量超过其本身额定电量的90%后，切换到主、从电池共同为负载供电。这样做的好处是：可以将剩余电量不多的旧电池用作主电池，将新电池用作从电池，从而保证实际应用过程中，旧电池的电量几乎耗尽新电池才开始供电，达到减少电池电量浪费的目的。同时系统对电池的放电电流按某一固定频率进行采样，将所有采样值累加，对累加值进行计算可以得到电池已经消耗的电量。将电池电压与电流累加值保存到EEPROM中可以防止任意时刻系统掉电后电池电压、电量等数据的丢失。还可以通过总线将电池的各种数据上传给总线上的主机或是上位机。系统的逻辑关系如图1所示。

图1 主、从电池监控系统逻辑关系图Fig.1 Logical structure diagram of the master slave battery monitor system

2 硬件电路设计

2.1 电池电流采样模块

电池放电电流采样模块是以LTC6101[4]为核心的电路。LTC6101是LINEAR公司生产的高压侧电流采样放大器，它具有输入范围广，5～100 V；低偏移电压，最大 300 μV；响应速度快等特点。以LTC6101为核心的电流采样电路原理图如图2所示。

图2 电流采样电路原理图Fig.2 Current sampling circuit

根据运算放大器的虚短、虚断特性，LTC6101的+IN脚与-IN脚的电位相等，流过电阻Rin的电流IRin与流过电阻Rout的电流IRout相等，假设流过电阻Rsense的电流为I，得到公式如下：

最后得到：

虽然LTC6101的外围电路会使电池放电电流有一部分分流，但通常采样电阻Rsense阻值很小，所以I近似等于电池的放电电流。这样，通过对Vout进行AD采样，得到Vout的电压，就可以计算出电池的放电电流I。

实际应用中，系统额定工作电流500 mA，Rsense选用0.5 Ω，Rin选用 6.04 kΩ，Rout选用 42.2 kΩ。 可以得到 I≈0.286×Vout。

2.2 电压采样模块

本系统选用的电池是ELECTROCHEM公司的150 MR系列双D电池，单节电压3.6 V，7节串联作为一组电池，电压为25.2 V。电池电压采样电路主要利用运算放大器完成电池电压Vbat1的缩小与低通滤波，然后将变换后的电压VO1送至单片机进行A/D转换。

电压采样电路如图3所示，由图可知，VO1≈0.125×Vbat1。

图3 电压采样电路图Fig.3 Voltage sampling circuit

2.3 总线接口模块

系统通过RS-485总线将数据上传至主机或上位机，总线电路以AD公司的ADM3072EY为核心搭建，为了抑制干扰并减小功耗，采用二极管代替终端电阻，如图4所示。

图4 RS-485总线电路图Fig.4 RS-485 bus circuit

2.4 单片机与EEPROM数据存储模块

系统选用MICROCHIP公司的PIC16F688单片机[5]，该款单片机是采用纳瓦技术的14引脚8位CMOS闪存单片机，它具有低功耗，引脚少的特性，本系统用到了该款单片机的若干特性，例如：精确的内部振荡器，8路10位A/D转换器，12个I/O引脚，2个可预分频的定时器，增强型USART，在线串行编程。

系统选用MICROCHIP公司的24LC256作为外扩的EEPROM，该芯片可擦除/写100 000次，数据可以保存200年。24LC256与单片机的接口是I2C总线，但PIC16F688自身没有I2C模块，所以用I/O口模拟I2C总线。

3 软件设计

软件设计主要指单片机系统的软件设计，是实现系统自动控制与数据处理的关键环节。PIC16F688的内核CPU结构是按照精简指令集和高透明指令的宗旨来设计的[6]，单片机开发采用MICROCHIP专门用于PIC系列8位单片机而设计的开发环境MPLAB，编程采用C语言，编译器选择MPLAB C18 C Compiler。

图5 系统主程序流程图Fig.5 System flow chart of main program

系统首先通过判断主电池电压是否过低，决定是否启动从电池供电，然后每100 ms对电池电压进行采样（主电池供电时采样主电池电压，如果从电池供电，则对并联后的电池电压采样），并对主电池电流与从电池电流进行采样。电池电流的采样值进行累加，累加值作为电池的耗电量保存或上传。如果是对主电池电压进行采样，就对主电池电压进行判断，如果电池电压连续30个采样值都低于21 V，或者主电池累计耗电量已经超过额定电量的90%，则启动从电池供电。电压、耗电量等数据每10 s保存至EEPROM一次，如果总线上有请求，便将最新测得电池的电压、耗电量等数据进行上传。值得一提的是，电池数据保存至EEPROM时，避免重复将数据保存到EEPROM的同一地址，因为EEPROM的擦写次数有限，多次擦写EEPROM的同一单元，可能会引起EEPROM的失效，导致系统只工作很短时间便不能存储电池数据。所以每保存一组电池数据，就要将指针指向EEPROM的下一组空闲单元。主程序流程图如图5所示。

4 结 论

文中设计的主、从锂电池监控系统有效的管理了两组电池共同作为井下仪器的供电电源，可有效提高井下仪器使用的耐高温锂电池的使用效率，同时大幅度减少了电池的浪费。系统中介绍的电池耗电量统计方法，可以用于其他使用耐高温锂电池作为供电主体的石油钻采仪器中，具有体积小、外围元器件少，稳定安全可靠等特点。目前，本主、从锂电池监控系统已作为CGDS系列近钻头地质导向系统的MWD的电池管理单元，电池耗电量统计电路这项技术也大量应用于CGDS系列井下随钻仪器，通过国内外的大量现场应用验证表明该系统的性能稳定可靠，具有较高的工程应用价值。

[1]秦绪英，肖立志，索佰峰.随钻测井技术最新进展及其应用[J].勘探地球物理进展，2003（4）：314.

QIN Xu-ying，XIAO Li-zhi，SUO Bai-feng.The development of logging while drilling and its application[J].Progress in Exploraion Geophysics，2003（4）：314.

[2]卢林.电池管理设计及发展趋势[J].电子测试，2007（12）：7-11.

LU Lin.Design and development of battery management[J].Electron Test，2007（12）：7-11.

[3]陈祝清.电池电量计的原理与计算[J].今日电子，2008（1）：36-38.

CHEN Zhu-qing.The theory and calculation of battery coulometer[J].Today Electron，2008（1）：36-38.

[4]LTC6101/LTC6101HV[EB/OL].（2005）.http://www.linear.com

[5]PIC16F688[EB/OL].（2007）.http://www.microchip.com

[6]刘和平.PIC16F87X单片机实用软件与接口技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，2002.