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文檔簡(jiǎn)介

0引言

目前,我國(guó)油井測(cè)試仍以手工測(cè)試為主,半自動(dòng)為輔。在測(cè)試過程中,由于外界干擾及

人為因素造成的測(cè)試穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性較差等問題較為突出。因此,迫切需要研究

具有高效、高性能的測(cè)試方法和測(cè)試設(shè)備。計(jì)算機(jī)功能強(qiáng)大,可以幫助我們解決這一

難題,但由于計(jì)算機(jī)過于笨重,攜帶不方便,對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工況條件要求較高,抗干擾能力較差,

通常無法勝任于條件較為惡劣的環(huán)境。因此,我們考慮用單片機(jī)去完成。

目前,單片機(jī)以其集成度高、運(yùn)算速度快、體積小、運(yùn)行可靠、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn),在

過程控制、數(shù)據(jù)采集、機(jī)電一體化方面得到了廣泛應(yīng)用。

在石油開采過程中,需要確切地了解油井內(nèi)部的原油壓力和流速,這對(duì)于有效地提高

油井的產(chǎn)量有十分重要的意義。本系統(tǒng)可以隨油井鉆頭深入井下,實(shí)地采集并存儲(chǔ)第一手

的壓力和流速數(shù)據(jù)。返回地面后,把數(shù)據(jù)送入計(jì)算機(jī)內(nèi),為分析油井狀況提供準(zhǔn)確的原始

資料

基于上述條件,我們?cè)O(shè)計(jì)出一種用于井下壓力、流量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),可以方便地到油

田現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)。

井下壓力、流速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

1井下壓力、流速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)概述

1.1設(shè)計(jì)目標(biāo)

本系統(tǒng)使用89c51作為控制芯片,對(duì)來自壓力及流速傳感器的信號(hào)進(jìn)行采集,并把采集

到的數(shù)據(jù)存放在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中。系統(tǒng)可以工作在標(biāo)定和實(shí)際測(cè)量?jī)煞N工作狀態(tài)下。標(biāo)定狀態(tài)

是為了修正系統(tǒng)誤差而在測(cè)量前進(jìn)行一組標(biāo)準(zhǔn)壓力和流量數(shù)據(jù)的測(cè)量。具有可與通用計(jì)算機(jī)

連接的串行通信接口。在等待狀態(tài)時(shí),系統(tǒng)工作在低功耗方式。系統(tǒng)具有工作狀態(tài)顯示系統(tǒng),

可以顯示標(biāo)定、測(cè)量、通信、等待等不同的工作狀態(tài)。

1.2設(shè)計(jì)描述

為取得特定油井深度下的原油壓力及流速數(shù)據(jù),本系統(tǒng)的工作時(shí)序必須與鉆頭進(jìn)入油

井的時(shí)間和所到達(dá)的深度相符合。在轉(zhuǎn)頭進(jìn)入油井后的確定時(shí)間內(nèi),系統(tǒng)處于等待狀態(tài);

當(dāng)鉆頭到達(dá)預(yù)定的深度以后,系統(tǒng)自動(dòng)開啟并開始采集第一次數(shù)據(jù);隨后進(jìn)入等待狀態(tài),

等待下一次的數(shù)據(jù)采集。這樣的采集進(jìn)行六次,隨后系統(tǒng)便停止工作,處于低功耗狀態(tài);

系統(tǒng)框圖如下

圖M系統(tǒng)框圖

Fig.1-1Systemdiagram

待重新回到地面后,再與計(jì)算機(jī)連接,把采集到的數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步的處理。由

于系統(tǒng)在工作前可以進(jìn)行標(biāo)定,所以處理后的數(shù)據(jù)能比較準(zhǔn)確地反映油井內(nèi)原油的壓力和

2

流速的真實(shí)情況。

由于系統(tǒng)處于地卜高溫的工作環(huán)境中,對(duì)于所有芯片的溫度要求比較苛刻;再者受鉆

頭尺寸大小的限制,需要整個(gè)系統(tǒng)小型化;系統(tǒng)一次工作時(shí)間可能長(zhǎng)達(dá)八小時(shí),僅靠小型

電池供電;所以要求整個(gè)系統(tǒng)的功耗極低。選用89c51芯片,它的豐富的I/O功能滿足了

系統(tǒng)的要求。其特有的低功耗工作方式用于系統(tǒng)的等待狀態(tài)可以極大地降低功耗。

井下壓力、流速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

2信號(hào)電路板設(shè)計(jì)

信號(hào)信號(hào)電路板由壓力傳感器和流量傳感器組成

2.1壓力傳感器

2.1.1壓力傳感器的定義

傳感器是能夠感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定的轉(zhuǎn)換規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用的輸出信號(hào)的器件

或裝置壓力傳感器是以壓力為被測(cè)量,進(jìn)而轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的裝置,它具有廣泛的用途。

2.1.2壓力傳感器原理

電阻應(yīng)變式傳感器是基于這樣一個(gè)原理:彈性體(彈性元件,敏感梁)在外力作用下

產(chǎn)生彈性變形,使粘貼在他表面的電阻應(yīng)變片(轉(zhuǎn)換元件)也隨同產(chǎn)生變形,電阻應(yīng)變片

變形后,它的阻值將發(fā)生變化(增大或減小),再經(jīng)相應(yīng)的測(cè)量電路把這一電阻變化轉(zhuǎn)換

為電信號(hào)(電壓或電流),從而完成了將外力變換為電信號(hào)的過程。由此可見,電阻應(yīng)

變片、彈性體和檢測(cè)電路是電阻應(yīng)變式稱重傳感器中不可缺少的幾個(gè)主要部分。下面就這

三方面簡(jiǎn)要論述。

1)電阻應(yīng)變片

電阻應(yīng)變片一般由敏感柵、引線、基底、覆蓋層和粘結(jié)劑組成,有絲繞式電阻片和箔

式電阻片兩大類。絲繞式應(yīng)變片是用直徑為0.003mm~0.01mm的合金絲繞成柵狀而成;箔

式應(yīng)變片則是用厚度為0.003mm~0.01mm的箔材經(jīng)光刻腐蝕工藝制成敏感柵。

電阻應(yīng)變片是把一根電阻絲機(jī)械的分布在一塊有機(jī)材料制成的基底上,即成為一片應(yīng)

變片。他的一個(gè)重要參數(shù)是靈敏系數(shù)K。我們來介紹一下它的意義。

設(shè)有一個(gè)金屬電阻絲,其長(zhǎng)度為L(zhǎng),橫截面是半徑為r的圓形,其面積記作S,其電阻率

記作p,這種材料的泊松系數(shù)是小當(dāng)這根電阻絲未受外力作用時(shí),它的電阻值為R:

R=pL/S(Q)(2-1)

當(dāng)他的兩端受F力作用時(shí)一,將會(huì)伸長(zhǎng),也就是說產(chǎn)生變形。設(shè)其伸長(zhǎng)AL,其橫截面積則

縮小,即它的截面圓半徑減少此外,還可用實(shí)驗(yàn)證明,此金屬電阻絲在變形后,電阻

率也會(huì)有所改變,記作Ap。對(duì)式(2-1)求全微分,即求出電阻絲伸長(zhǎng)后,他的電阻值改

變了多少。我們有:

AR=ApL/S+ALp/S-ASpL/S2(2-2)

用式(2-1)去除式(2-2)得到

4

AR/R=Ap/p+AL/L-AS/S(2-3)

另外,我們知道導(dǎo)線的橫截面積S=?ir2,則As=27tr*Ar,所以

AS/S=2Ar/r(2-4)

從材料力學(xué)我們知道

Ar/r=-jiAL/L(2-5)

其中,負(fù)號(hào)表示伸長(zhǎng)時(shí),半徑方向是縮小的。R是表示材料橫向效應(yīng)泊松系數(shù)。把式(2-4)

(2-5)代入(2-3),有

AR/R=Ap/p+AL/L+2gAL/L=(1+2j.i(Ap/p)/(AL/L))*AL/L

=K*AL/L(2-6)

其中

K=l+2g+(Ap/p)/(AL/L)(2-7)

式(2-6)說明了電阻應(yīng)變片的電阻變化率(電阻相對(duì)變化)和電阻絲伸長(zhǎng)率(長(zhǎng)度相對(duì)

變化)之間的關(guān)系。

需要說明的是:靈敏度系數(shù)K值的大小是由制作金屬電阻絲材料的性質(zhì)決定的一個(gè)常數(shù),

它和應(yīng)變片的形狀、尺寸大小無關(guān),不同的材料的K值一般在1.7—3.6之間;其次K值是

一個(gè)無因次量,即它沒有量綱。

在材料力學(xué)中AL/L稱作為應(yīng)變,記作£,用它來表示彈性往往顯得太大,很不方便,常

常把它的百萬分之一作為單位,記作“。這樣,式(2-6)常寫作:

AR/R=Ke(2-8)

2)彈性體

彈性體是一個(gè)有特殊形狀的結(jié)構(gòu)件。它的功能有兩個(gè),首先是它承受稱重傳感器所受的外

力,對(duì)外力產(chǎn)生反作用力,達(dá)到相對(duì)靜平衡;其次,它要產(chǎn)生一個(gè)高品質(zhì)的應(yīng)變場(chǎng)(區(qū)),

使粘貼在此區(qū)的電阻應(yīng)變片比較理想的完成應(yīng)變棗電信號(hào)的轉(zhuǎn)換任務(wù)。肓孔底部中心是

承受純剪應(yīng)力,但其上、下部分將會(huì)出現(xiàn)拉伸和壓縮應(yīng)力。主應(yīng)力方向一為拉神,一為壓

縮,若把應(yīng)變片貼在這里,則應(yīng)變片上半部將受拉伸而阻值增加,而應(yīng)變片的下半部將受

壓縮,阻值減少。下面列出肓孔底部中心點(diǎn)的應(yīng)變表達(dá)式,而不再推導(dǎo)。

£=(3Q(1+g)/2Eb)*(B(H2-h2)+bh2)/(B(H3-h3)+bh3)(2-9)

其中:Q-截面上的剪力;E-揚(yáng)氏模量:匕泊松系數(shù);B、b、H、h-為梁的幾何尺寸。需要

說明的是,上面分析的應(yīng)力狀態(tài)均是“局部”情況,而應(yīng)變片實(shí)際感受的是“平均”狀態(tài)。

3)檢測(cè)電路

井下壓力、流速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

檢測(cè)電路的功能是把電阻應(yīng)變片的電阻變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷狠敵?。因?yàn)榛菟沟请姌蚓哂泻?/p>

多優(yōu)點(diǎn),如可以抑制溫度變化的影響,可以抑制側(cè)向力干擾,可以比較方便的解決傳感器

的補(bǔ)償問題等。因?yàn)槿珮蚴降缺垭姌虻撵`敏度最高,各臂參數(shù)一致,各種干擾的影響容

易相互抵銷,所以惠斯登電橋得到了廣泛的應(yīng)用。

圖2-1壓力傳感器

Fig.2-1Pressuretransmitter

2.2磁電式轉(zhuǎn)速傳感器

磁電式轉(zhuǎn)速傳感器,又稱變磁阻式轉(zhuǎn)速傳感器(以下簡(jiǎn)稱傳感器)它和測(cè)速發(fā)電機(jī)都

屬于感應(yīng)式轉(zhuǎn)速變換器,都是利用法拉弟電磁感應(yīng)原理將機(jī)械轉(zhuǎn)速量轉(zhuǎn)換成電量的能量轉(zhuǎn)

換型檢測(cè)器。不同的是,它是被當(dāng)作數(shù)字式變換器件使用,工作時(shí)是取其感應(yīng)電勢(shì)以下簡(jiǎn)

稱電勢(shì)的頻率作為輸出信號(hào)的而測(cè)速發(fā)電機(jī)是被當(dāng)作模擬式變換器件使用,工作時(shí)是采取

其電勢(shì)的幅度作為輸出信號(hào)的。這種傳感器因具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,壽命長(zhǎng),輸出信號(hào)強(qiáng),抗干攏

能力強(qiáng),不受油、水霧、灰塵等介質(zhì)影響的優(yōu)點(diǎn),目前在數(shù)字式轉(zhuǎn)速測(cè)量中得到最為廣泛

的應(yīng)用。

傳感器的基本結(jié)構(gòu)如圖2-2所示。它主要由兩部分組成。由磁鐵1、感應(yīng)線圈以(下

簡(jiǎn)稱線圈)2和用軟鐵制成的極靴(又稱極掌)構(gòu)成固定部分。這里的磁鐵可以是永久磁

鐵,也可以是套在軟鐵上并通以直流電流的線圈一一電磁鐵。傳感齒輪4是可動(dòng)部分。它

是用鐵磁材料制成的,可隨被測(cè)軸轉(zhuǎn)動(dòng),又稱為感應(yīng)齒輪或脈沖齒輪(以下簡(jiǎn)稱齒輪)。

傳感器的可動(dòng)部分還可以制成葉輪、槽輪或凸輪等形狀,常以制成齒輪形狀為多。故本文

僅以齒輪形狀為例進(jìn)行介紹。將線圈套在磁鐵或極靴上,極靴對(duì)準(zhǔn)齒輪輪齒并與其相隔一

定工作問隙就構(gòu)成一個(gè)最基本的傳感器。

6

當(dāng)使傳感器工作時(shí)一,齒輪由被測(cè)軸帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)。其齒頂和齒谷交替經(jīng)過極靴。由于極靴

與輪齒間空氣間隙的交替變化引起磁場(chǎng)中磁路磁阻Rm的改變,使通過線圈的磁通也交替

變化,從而線圈兩端就產(chǎn)生電勢(shì)。齒輪每轉(zhuǎn)過一個(gè)齒,電勢(shì)正好經(jīng)歷一個(gè)周期T。若齒輪齒

數(shù)為Z,轉(zhuǎn)動(dòng)數(shù)度為ns/min,則

T=60/Zn(s)(2-10)

電勢(shì)頻率為

f=Zn/60(Hz)(2-11)

可見傳感器的電勢(shì)頻率與被測(cè)轉(zhuǎn)速成正比,故人們可以用電子計(jì)數(shù)器通過測(cè)量信號(hào)頻率來

確定被測(cè)轉(zhuǎn)速。這就是該種傳感器可用于數(shù)字式轉(zhuǎn)速測(cè)量的道理

前面只談了傳感器的基本結(jié)構(gòu)。實(shí)際上,傳感器的具體結(jié)構(gòu)形式是很多的。對(duì)于這些不同

的結(jié)構(gòu)形式,目前尚無統(tǒng)一的名稱和分類方法。為了便于讀者從本質(zhì)上了解這些不同結(jié)構(gòu)

形式的傳感器之間的共性和異性,從而根據(jù)轉(zhuǎn)速測(cè)量工作中的具體情況合理設(shè)計(jì)或選購(gòu)傳

感器,這種傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,成本低,使用方便,目前在數(shù)字式轉(zhuǎn)速測(cè)量中得到廣泛的應(yīng)用

Fig.2-2Electromagnetictypetachometergenerator

井下壓力、流速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

3信號(hào)調(diào)理電路

信號(hào)電路板原理圖如圖3-1所示。它通過插座W與壓力傳感器相連,通過插座W,與

流速傳感器相連。其中包含壓力信號(hào)調(diào)理電路流速信號(hào)調(diào)理電路、流速信號(hào)調(diào)理電路和模

擬電源控制電路。

模擬電源控制電路:為了降低整個(gè)系統(tǒng)的功耗,模擬電路的電源僅在采集信號(hào)和流速

信號(hào)時(shí)才開通,而在其他時(shí)間是關(guān)閉的。電源開關(guān)由三極管PI(9012)擔(dān)當(dāng)其基極由單片

機(jī)的P1.0口線控制

3.1.壓力信號(hào)調(diào)理電路

這里包含穩(wěn)電源、儀表放大器、負(fù)電壓發(fā)生電路及V—F變換電路。

穩(wěn)電源電路是為壓力傳感器橋路提供恒壓源。由穩(wěn)壓管Z(LM136),電阻R3及運(yùn)放U6

組成。運(yùn)放U6:B(LM224)的作用是增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力。

負(fù)電壓發(fā)生電路主要產(chǎn)生一個(gè)一5V的電壓,為儀表放大器U4(INA118)提供負(fù)電源。

電路由U7和電容C5、C6組成。

儀表放大器U4(INA118)可將壓力傳感器橋路輸出毫伏(mV)級(jí)電壓放大,以適

應(yīng)v—F變換器U5(AD654)的需要。電阻R7是調(diào)節(jié)儀表放大器的放大倍數(shù)用的。

V—F變換電路:由V—F變換U5(AD654)/、輸入電阻RIO、R11及電容C3組成。輸

入信號(hào)的范圍為O~1V,頻率輸出范圍在O-lOOkHzo頻率輸出信號(hào)輸入單片機(jī)的T0端,

用定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T0來記錄脈沖數(shù),以與傳感器感受的壓力成比例關(guān)系。

3.2流速信號(hào)調(diào)理電路

由磁電式轉(zhuǎn)速傳感器輸出的慢變信號(hào)經(jīng)電容C1隔直之后,先由運(yùn)放U6:A放大,然

后經(jīng)運(yùn)放U6:D、U6:D和相關(guān)的電阻及電容整形輸出到單片機(jī)的T1端,用定時(shí)器/計(jì)數(shù)器

來記錄脈沖數(shù),以與傳感器數(shù)成比例關(guān)系。

3.3儀表放大器

3.3.1儀表放大器的不既念

儀表放大器是一種具有差分輸入和相對(duì)參考端單端輸出的閉環(huán)增益組件,具1有差分

輸出和相對(duì)參考端的單端輸出,隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展,儀表放大器也得到廣泛的應(yīng)用。

儀表放大器把關(guān)鍵}元件集成在放大器內(nèi)部,其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)使它具有高共模抑制比、高輸

8

入阻抗、低噪聲、低線性誤差、低失調(diào)漂移、增益設(shè)置靈活和使用方便等特點(diǎn),使其在數(shù)

據(jù)采集、傳感器信號(hào)放大、高速信號(hào)1調(diào)節(jié)、醫(yī)療儀器和高檔音響設(shè)備等方面?zhèn)涫芮嗖A。

3.3.2儀表放大器的特點(diǎn)

儀表放大器主要以下三方面的特點(diǎn):

1)低輸入偏置電流和低失調(diào)電流誤差。儀表放大器具有偏置電流流人和流出的兩個(gè)輸

入端;對(duì)于雙極型輸入儀表放大器是基極電流;對(duì)于場(chǎng)效應(yīng)管(FET)輸入儀表放大器是柵極

漏電流。這個(gè)偏置電流流過不平衡的信號(hào)源電阻將產(chǎn)生一個(gè)失調(diào)誤差,輸入失調(diào)電流誤差

被定義為流過兩個(gè)輸入端的偏置電流之間。的失配程度,雙極型輸入儀表放大器的偏置電

流典型值為1nA至50nA;而1FET輸入儀表放大器的偏置電流在室溫下的典型值為1pA至

50pAo

2)低噪聲。因?yàn)閮x表放大器必須:

能夠處理非常低的輸入電壓,所以它絕對(duì)不能把自身的噪聲信號(hào)加到信號(hào)電壓上,

在1kHz(增益大于100)的條件下,折合到輸入端(RTI)的最小輸入噪聲為10nV/V/Hz是允

許的,微功耗儀表放大器適合于盡可能最低的輸入電流,通常比輸入電流較大的儀表放大

器具有較高的噪聲。不能把自身的噪聲信號(hào)加到信號(hào)電壓

3)低非線性。輸入失調(diào)和比例系

數(shù)誤差都能通過外部調(diào)整來修正,但是非線性是器件的固有的性能限制,所以它不能

由外部調(diào)整來消除,低非線性誤差必須由儀表放大器生產(chǎn)廠家的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來保證。非線性

通常規(guī)定為在正滿度電壓與負(fù)滿度電壓及零電壓條件下,廠家測(cè)量?jī)x表放大器的誤差占滿

度的百分?jǐn)?shù),對(duì)于…個(gè)高質(zhì)量的儀表放大器典型的非線性誤差為0.01%,有的甚至低于

0.0001%o

3.3.3儀表放大器的技術(shù)原理

1)儀表放大器與運(yùn)算放大器的區(qū)別

儀表放大器是一種具有差分輸入和相對(duì)參考端單端輸出的閉環(huán)增益單元,大多數(shù)情

況下,儀表放大器的兩個(gè)輸入端阻抗平衡并且阻值很高,典型值N109Q。其輸入偏置電流

也應(yīng)很低,典型值為InA至50nA,與運(yùn)算放大器一樣,其輸出阻抗很低,在低頻段通常僅

有幾毫歐。運(yùn)算放大器的閉環(huán)增益是由其反向輸入端和輸出端之間連接的外部電阻決定,

與放大器不同的是,儀表放大器使用一個(gè)內(nèi)部反饋電阻網(wǎng)絡(luò),它與其信號(hào)輸入端隔離,對(duì)

儀表放大器的兩個(gè)差分輸入端施加輸人信號(hào),其增益既可由內(nèi)部預(yù)置,也可由用戶通過引

井下壓力、流速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

腳連接一個(gè)內(nèi)部或者外部增益電阻器設(shè)置,該增益電阻器也與信號(hào)輸入端隔離。

2)信號(hào)放大與CMR

儀表放大器是一種放大兩輸入信號(hào)電壓之差而抑制對(duì)兩輸入端共模的任何信號(hào)的器

件。因此,儀表放大器在從傳感器和其它信號(hào)源提取微弱信號(hào)時(shí)提供非常重要的功能,共

模抑制(CMR)是指抵消任何共模信號(hào)(兩輸入端電位相同)同時(shí)放大差模信號(hào)(兩輸入端的電

位差)的特性,這是儀表放大器所提供的最重要的功能。DC和交流(AC)CMR兩者都是儀表

放大器的重要技術(shù)指標(biāo)。使用現(xiàn)代任何質(zhì)量合格的儀表放大器都能將由于DC共模電壓(即

出現(xiàn)在兩輸入端的DC電壓)產(chǎn)生的任何誤差減小到80dB至120dB。然而,如果(AC)CMR不

夠大,會(huì)產(chǎn)生一種很大的時(shí)變誤差,因?yàn)樗ǔkS著頻率產(chǎn)生很大變化,所以要在儀表放

大器的輸出端消除它是困難的,幸好大多數(shù)現(xiàn)代單片集成電路(IC)儀表放大器提供了優(yōu)良

的AC(CMR)和DC(CMR)。共模增益ACM是指輸出電壓變化與共模輸入電壓變化之比,它

與CMR有關(guān)。ACM是指兩個(gè)輸入端施加共模電壓時(shí)從輸入到輸出的凈增益(衰減)。例如,

一個(gè)儀表放大器的共模增益為1/1000,其輸入端的10V共模電壓在其輸出端會(huì)呈現(xiàn)出

10mV的變化,差模增益或常模增益(AD)是指兩個(gè)輸入端施加(或跨接)不同的電壓時(shí)輸入與

輸出之間的電壓增益。共模抑制比(CMRR)是指AD與ACM之比。另外,在理想的儀表放

大器中,CMRR將成比例隨增益增加,CMR通常是在給定頻率和規(guī)定不平衡源阻抗條件下

(例如,60Hz頻率,1k(不平衡源阻抗)對(duì)滿度范圍共模電壓(CMV)的變化規(guī)定的。

3.3.4儀表放大器在傳感器信號(hào)調(diào)理電路中的應(yīng)用

儀表放大器是一種高增益、直流耦合放大器,他具有差分輸入、單端輸出、高輸入阻

抗和高共模抑制比等特點(diǎn)。差分放大器和儀表放大器所采用的基礎(chǔ)部件(運(yùn)算放大器)基本

相同,他們?cè)谛阅苌吓c標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放大器有很大的不同。標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放大器是單端器件,其傳

輸函數(shù)主要由反饋網(wǎng)絡(luò)決定;而差分放大器和儀表放大器在有共模信號(hào)條件下能夠放大很

微弱的差分信號(hào),因而具有很高的共模抑制比(CMR)。他們通常不需要外部反饋網(wǎng)絡(luò)。儀

表放大器是一種具有差分輸入和其輸出相對(duì)于參考端為單端輸出的閉環(huán)增益單元。輸入阻

抗呈現(xiàn)為對(duì)稱阻抗且具有大的數(shù)值(通常為109或更大)。與由接在反向輸入端和輸出端之間

的外部電阻決定的閉環(huán)增益運(yùn)算放大器不同,儀表放大器使用了一個(gè)與其信號(hào)輸入端隔離

的內(nèi)部反饋電阻網(wǎng)絡(luò)。利用加到兩個(gè)差分輸入端的輸入信號(hào),增益或是從內(nèi)部預(yù)置,或是

通過也與信號(hào)輸入端隔離的內(nèi)部或外部增益電阻器由用戶設(shè)置。典型儀表放大器的增益設(shè)

置范圍為1?1000o

1()

儀表放大器的特點(diǎn):

1)高共模抑制比

共模抑制比(CMRR)則是差模增益(A)與共模增益(A)之比,即:CMR/R:201gIA/AI

dB;儀表放大器具有很高的共模抑制比,CMRR典型值為70?lOOdB以上。

2)高輸入阻抗

要求儀表放大器必須具有極高的輸人阻抗,儀表放大器的同相和反相輸入端的阻抗都

很高而且相互十分平衡,其典型值為109—1012Q低噪聲由于儀表放大器必須能夠處理非

常低的輸入電壓,因此儀表放大器不能把自身的噪聲加到信號(hào)上,在1kHz條件下,折合到

輸入端的輸入噪聲要求小于10nV/Hzo

3)低線性誤差

輸入失調(diào)和比例系數(shù)誤差能通過外部的調(diào)整來修正,但是線性誤差是器件固有缺陷,

他不能由外部調(diào)整來消除。一個(gè)高質(zhì)量的儀表放大器典型的線性誤差為0.01,有的甚至低于

0.0001o

4)低失調(diào)電壓和失調(diào)電壓漂移

儀表放大器的失調(diào)漂移也由輸入和輸出兩部分組成,輸入和輸出失調(diào)電壓典型值分別

為100VfO2mVo

5)低輸入偏置電流和失調(diào)電流誤差

雙極型輸入運(yùn)算放大器的基極電流,F(xiàn)ET型輸入運(yùn)算放大器的柵極電流,這個(gè)偏置電

流流過不平衡的信號(hào)源電阻將產(chǎn)生一個(gè)失調(diào)誤差。雙極型輸入儀表放大器的偏置電流典型

值為1nA~50pA,而FET輸入的儀表放大器在常溫下的偏置電流典型值為50pA。

6)充裕的帶寬

儀表放大器為特定的應(yīng)用提供了足夠的帶寬,典型的單位增益小信號(hào)帶寬在500kHz~4

MHz之間。具有“檢測(cè)”端和“參考”端儀表放大器的獨(dú)特之處還在于帶有“檢

測(cè)”端和“參考”端,允許遠(yuǎn)距離檢測(cè)輸出電壓而內(nèi)部電阻壓降和地線壓降(IR)的影響可

減至最小。為了有效地工作,要求儀表放大器不僅能放大微伏級(jí)信號(hào),而且還能抑制其輸

入端的共模信號(hào)。這就要求儀表放大器具有很大的共模抑制(CMR):典型的CMR值為70?

100dB?當(dāng)增益提高時(shí),CMR通常還能獲得改善。

井下壓力、流速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

圖3-1信號(hào)電路板原理圖

Fig.3-1Signalcircuitwaferschematicdiagram

12

4主機(jī)板電路設(shè)計(jì)

其中包含單片機(jī)89c51(U1)、擴(kuò)展外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器6264(U2)、工作狀態(tài)指示單元、

復(fù)位電路及晶振等。為了降低功耗,晶振的頻率選的很低,為了通信波的計(jì)算,晶振頻率

選為3.686411MHz。片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器6264為8KB的隨機(jī)存儲(chǔ)器,用于存放采集的數(shù)據(jù)。

4.1地址鎖存器74LS373

由于MCS-51的P0口是分時(shí)復(fù)用的地址/數(shù)據(jù)線,因此必須利用地址鎖

存器將地址信號(hào)從地址/數(shù)據(jù)總線中分離出來,得到低8位A。?Ai地址。這種

鎖存器也可作為數(shù)據(jù)鎖存器,鎖存輸出的數(shù)據(jù)。

常用的地址鎖存器,有帶三態(tài)緩沖輸出的8D鎖存器74LS373,而是鎖存

器三態(tài)門輸出使能端。瓦=0時(shí),鎖存器輸出;無=1時(shí)一,輸出呈高祖態(tài)。GSTB

和CLK是選通脈沖輸入端,選通脈沖有效時(shí),數(shù)據(jù)輸入D。?D,被鎖存;CLR為

清零端,CLR=0時(shí),鎖存器被清零。

單片機(jī)8051的P0口是分時(shí)復(fù)用的地址/數(shù)據(jù)總線,當(dāng)從外部存儲(chǔ)器讀出

或?qū)懭霐?shù)據(jù)或指令時(shí)一,P0口先送地址,然后再?gòu)拇鎯?chǔ)器中讀入或?qū)懗?。為?/p>

決這一矛盾,就需要一地址鎖存器將P0口送出的地址鎖存,以解放P0口來

完成數(shù)據(jù)的傳送。我們選用三態(tài)緩沖輸出的八位鎖存器74LS373o

382

4a5

7s6

s

8a9

13s12

14s15

17s16

1819

1

小s8

圖4-174LS373鎖存器的引腳圖

Fig.4-174LS373Pinchart

Do?D7為地址輸入端,與單片機(jī)的P0口的八位相連。輸入的是地址低

八位。Qo?Q7為數(shù)據(jù)輸出端,與27128的A。?A;相連,當(dāng)三態(tài)門的使能信

號(hào)為低電平時(shí)一,地址鎖存器處于導(dǎo)通狀態(tài),允許Qo?Q7輸出,當(dāng)為高電平時(shí),

輸出三態(tài)門斷開。輸出線懸空,G位數(shù)據(jù)打入線,與單片機(jī)ALE信號(hào)相連,

當(dāng)74LS373用作地址鎖存時(shí),首先應(yīng)使三態(tài)門的使能信號(hào)為低電平,這時(shí),

井下壓力、流速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

當(dāng)輸入為高電平時(shí),鎖存器輸出(Qo?Q7)狀態(tài)和輸入端(Do?D7)狀態(tài)相同,當(dāng)

Gi端從高電平返回低電平時(shí),輸入端的數(shù)據(jù)鎖入Qo?Q8的八位鎖存器中。在

本設(shè)計(jì)中,單片機(jī)AT89C51通過74LS373地址鎖存器與外部程序存儲(chǔ)器6264

連接起來。

4.26264

6264是8K*8位靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器芯片,采用CMOS工藝制造,單一+5V供電,額定功耗

200mW,典型存取時(shí)間200ns,28線雙列直插式封裝。其引腳功能說明如下:

1?)28

NC——-----Vcc

A12——227WE

A7——326——CS

A6——425—A8

A5——524——A9

A4——623——A11

A3——722OE

A2——821——A10

A1——920CE

A0——1019——07

00——1118——06

O1——1217——05

02——1316——04

GND——1415——03

6264

圖4-26264的引腳圖

Fig.4-26264pinchart

A0?A12:地址輸入線

D0-D7:雙向三態(tài)數(shù)據(jù)線,有時(shí)用D0?D7表示

0E:片選信號(hào)輸入端,低電平有效

0E:讀選通信號(hào)輸入線,低電平有效

W:寫選通信號(hào)輸入線,低電平有效

Vcc:工作電源輸入引腳,+5V

NC:為空引腳

CS:第二選片信號(hào)引腳,高電平有效

GND:線路地

14

4.3AT89C51

AT89C51是ACTMEL公司生產(chǎn)的低電壓,高性能CMOS8位單片機(jī),片內(nèi)含4kbytes

的可反復(fù)擦寫的Flash只讀程序存儲(chǔ)器和128bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM),器件

采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn),兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng),片內(nèi)

置通用8位中央處理器(CPU)和Flash存儲(chǔ)單元,功能強(qiáng)大AT89c51單片機(jī)可為您提供

許多高性價(jià)比的應(yīng)用場(chǎng)合,可靈活應(yīng)用與各種控制領(lǐng)域。

1)主要性能參數(shù)

PDIP

P1,OC]vce

P1.1CJPPOtADO)

P12LJP0.1CAD13

P1.3.CZJPON80刃

P1.4CJP0.3(AD3)

P1.5.C3P0.4CAD4)

P1.6-C

P1.7C

RSTC□P0.7供£37)

(RXD)P3,OCJEWPP

E6)W.iC

jNW)P32CJPSENI

而i)P3JL3P27(A15>

4叫P3.4C]P2?iA14>

(T1)P3.6.LJP25(A13>

(WR)P3.6-Q3P2.4(A12>

(RDJP37CJP23(A11>

XTAJL>C

mmJP2.1€A8)

GMt>C]P2.0{A8)

圖4-3AT89c51引腳圖

Figure4-3AT89C51pinchart

(1)與MCS-51產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容

(2)4k字節(jié)可重復(fù)擦寫Flash閃速存儲(chǔ)器

(3)1000次擦寫周期

(4)三級(jí)加密程序存儲(chǔ)器

(5)128*8字節(jié)內(nèi)部RAM

(6)32個(gè)字節(jié)內(nèi)部RAM

(7)2個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器

(8)6個(gè)中斷源

(9)可編程串行UART通道

(10)低功耗空閑和掉電模式

井下壓力、流速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

04-4AT89C51方框圖

Fig.4-4AT89C51Blockdiagram

2)功能特性概述:

AT89C51提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能:4k字節(jié)Flash閃速存儲(chǔ)器,128字節(jié)內(nèi)部RAM,32個(gè)

I/O線,兩個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器,一個(gè)全雙工串行通信口,片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路。同時(shí)

AT89C51可降至0Hz的靜態(tài)邏輯操作,并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式??臻e方式停

止CPU的工作,但允許RAM,定時(shí)/計(jì)數(shù)器,串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式

16

保存RAM中的內(nèi)容,但振蕩器停止工作并禁止其他所有部件工作直到下一個(gè)硬件復(fù)位。

3)引腳功能說明:

(l)Vcc:電源電壓

(2)GND:地

(3)P0P0口一組8位漏極開路型I/O,也即地址/數(shù)據(jù)總線復(fù)用口。作為輸出口用

時(shí):每位能吸收電流的方式8個(gè)TTL邏輯門電路,對(duì)端口“1”可作為高阻抗輸入端用。

在訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器或程序存儲(chǔ)器時(shí),這組口線分時(shí)轉(zhuǎn)換地址(低8位)和數(shù)據(jù)總

線復(fù)用,在訪問期間激活內(nèi)部上拉電阻。

在Flash編程時(shí):P0口接收指令字節(jié),而在程序校驗(yàn)時(shí),輸出指令字節(jié),校驗(yàn)時(shí).,要

求外接上拉電阻。

(4)P1U:Pl是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口,P1的輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)(吸收或輸

出電流)4個(gè)TTL邏輯門電路。對(duì)端口寫“1”,通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平,此

時(shí)可作輸入口。作輸入口使用時(shí),因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻,某個(gè)引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)

輸出一個(gè)電流。

Flash編程和程序校驗(yàn)期間,P1接收低8位地址。

(4)P2:P2I」是一個(gè)帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口,P2的輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)(吸收

或輸出電流)4個(gè)TTL邏輯門電路。對(duì)端口寫“1”,通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平,

此時(shí)可作輸入口,作輸入使用時(shí).,因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻,某個(gè)引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)

輸出一個(gè)電流。

在訪問外部程序存儲(chǔ)器或16位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(例如執(zhí)行MOVX@R1指令)

時(shí)。P2亦接收高位地址和其它信號(hào)。

(5)P3口:P3口是一組帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/OOoP3輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)(吸

收或輸出電流)4個(gè)TTL邏輯門電路。對(duì)P3口寫入“1”時(shí),它們被內(nèi)部上拉電阻拉高并作

為輸入端口。作輸入端時(shí),被外部拉低的P3口將用上拉電阻輸出電流

P3口除了作為一般的I/O口線外,更重要的用途是它的第二功能,如下表所示

P3口還接受一些用于Flash閃速存儲(chǔ)器編程和程序校驗(yàn)的控制信號(hào)。

(6)RST:復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器工作時(shí),RST引腳出現(xiàn)兩個(gè)周期以上高電平使單片機(jī)復(fù)

位。

⑺ALEPROG:當(dāng)訪問外部程序存儲(chǔ)器或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí),ALE(地址鎖存允許)輸出

井下壓力、流速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

表4-1P3口第二功能

Table4-1TheP3mouthsecondfunction

端口引腳第二功能

P3.0RXD(串行輸入口)

P3.1TXD(串行輸出口)

P3?2/NT0(外中斷0)

P3.3WT1(外中斷1)

P3.4T0(定時(shí)/計(jì)數(shù)器0)

P3.5T1(定時(shí)/計(jì)數(shù)器1)

P3.6T2(外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通)

P3.7T3(外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通)

脈沖用于鎖存地址的低8位字節(jié)。即使不訪問外部存儲(chǔ)器,ALE仍以時(shí)鐘振蕩頻率的1/6

輸出固定的正脈沖信號(hào),因此它對(duì)外輸出時(shí)鐘或用于定時(shí)目的,要注意的是:每當(dāng)訪問外

部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)將跳過一個(gè)ALE脈沖。

對(duì)Flash存儲(chǔ)器編程期間,該引腳還用于輸出編程脈沖(而而),如有必要,可通過

對(duì)特殊功能寄存器(SFR)區(qū)中的8EH單元的D0位置位,可禁止ALE操作。該位置位后,

只有一條MOVX和MOVC指令才會(huì)被激活。此外,該引腳會(huì)被微弱拉高,單片機(jī)執(zhí)行外

部程序時(shí),應(yīng)設(shè)置ALE無效。

(8)PSEN程序存儲(chǔ)允許(PSEN):輸出是外部程序存儲(chǔ)器的讀選信號(hào),當(dāng)AT89C51

由外部存儲(chǔ)器取指令(或數(shù)據(jù))時(shí)每個(gè)機(jī)器周期兩次直前有效,即輸出兩個(gè)脈沖。在此

期間,當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器,這兩次有效的西前信號(hào)不出現(xiàn)。

⑼EA/VPP:外部訪問允許。欲使CPU僅訪問外部程序存儲(chǔ)器(地址為

0000H—FFFFH),EA端必須保持低電平(接地)。需要的是:如果加密LB1被編程,復(fù)位

時(shí)內(nèi)部會(huì)鎖定EA端狀態(tài)。

如EA端為高電平(接Vcc端),CPU則執(zhí)行內(nèi)部會(huì)鎖定EA端狀態(tài)。

Flash存儲(chǔ)編程,該引腳加上+12V的編程允許電源Vpp,當(dāng)然這必須是使用12V編程

允許電源Vpp,當(dāng)然這必須是該器件是使用12V編程電壓Vpp。

18

(lO)XTTALl:振蕩器反相放大器的及內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端

(1DXTAL2:振蕩器反相放大器的輸出端

時(shí)鐘振蕩器:

AT89C51中有一個(gè)用于構(gòu)成內(nèi)部振蕩器的高增益反相放大器。引腳XTAL1和XTAL2

分別是該放大器的輸入端和輸出端。這個(gè)放大器與作為反饋原件的片外石英晶體或陶瓷諧

振器一起構(gòu)成自激振蕩器,振蕩電路參見圖

XIM3

xtvn

CMD

圖4-5振蕩電路

Fig.4-5Oscillatingcircuit

(12)空閑節(jié)電模式

AT89C51有兩種可用軟件編程的省電模式,它們是空閑模式和掉電模式。這兩種方式是控

制專用寄存器PCON(即電源控制寄存器)中的PD(PCON.1)和IDL(PCON.O)位來實(shí)現(xiàn)

的。PD=1時(shí),激活掉電工作模式,單片機(jī)進(jìn)入掉電工作模式。IDL是空閑等待方式,當(dāng)

IDL=1,激活空閑工作模式,單片機(jī)進(jìn)入睡眠狀態(tài)。如需同時(shí)進(jìn)入兩種工作模式,即PD

和IDL同時(shí)為1.則先激活掉電模式。

在空閑工作模式狀態(tài),CPU保持睡眠狀態(tài)而片內(nèi)的外設(shè)仍保持激活狀態(tài),這種方式由

井下壓力、流速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

\'

oI

nle

nIq

aS83Sass-

s6

vo,I

zc

LXJ

&&&&&&&&

CON

W

W

?5EON

W

TON

W

TON

圖4-6主機(jī)板電路原理圖

Fig.4-6Motherboardelectriccircuitschematicdiagram

20

軟件產(chǎn)生。此外,片內(nèi)RAM和所有特殊功能寄存器的內(nèi)容不變。空閑模式可由任何

允許的中斷請(qǐng)求或硬件復(fù)位終止。

終止空閑工作模式的方法由兩種。其一是任何一條被允許中斷的事件被激活,IDL

(PCON.O)被硬件清除,即刻終止空閑工作模式。程序會(huì)首先響應(yīng)中斷,進(jìn)入中斷,執(zhí)行

完中斷服務(wù)程序并緊隨RET1(中斷返回)指令后,下一條要執(zhí)行指令就是是單片機(jī)進(jìn)入空閑

模式那條指令后面的指令。

其二是通過硬件復(fù)位也可將空閑工作模式終止。需要注意的是。當(dāng)由硬件復(fù)位來終止

空閑工作模式時(shí),CPU通常是從激活空閑模式那條指令的下一條指令開始繼續(xù)執(zhí)行程序

的,要完成內(nèi)部復(fù)位操作。硬件復(fù)位脈沖要保持兩個(gè)機(jī)器周期(24個(gè)時(shí)鐘周期)有效。在

這種情況下,內(nèi)部禁止CPU訪問片內(nèi)RAM,而允許訪問其他端口。為了避免可能對(duì)端口

產(chǎn)生以外寫入,激活空閑模式的那條指令不應(yīng)是一條對(duì)端口或外部存儲(chǔ)器的寫入指令。

(13)掉電模式:

在掉電模式下,振蕩器停止工作,進(jìn)入掉電模式的指令,片內(nèi)RAM和特殊功能寄存

器的內(nèi)容在終止掉電模式前被凍結(jié)。退出掉電模式的唯一方法是硬件復(fù)位,復(fù)位后重新定

義全部特殊寄存器但不改變RAM中的內(nèi)容,在Vcc恢復(fù)到正常工作電平前,復(fù)位應(yīng)無效,

且必須保持以一定時(shí)間以使振蕩器重新啟動(dòng)并穩(wěn)定工作。

表4-2空閑和掉電模式外部引腳狀態(tài)

Table4-2Freetimeandpowerfailurepatternexteriorpincondition

模式程序存處器ALEP0P1P2P3

PSEN

空閑模式內(nèi)部11數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)

空閑模式外部11浮空數(shù)據(jù)地址數(shù)據(jù)

掉電模式內(nèi)部00數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)

掉電模式外部00浮空數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)

井下壓力、流速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

5通信電路板設(shè)計(jì)

通信接口板電路的原理圖如圖所示。當(dāng)系統(tǒng)從井下采集完數(shù)據(jù)回到地面或進(jìn)行標(biāo)定實(shí)

驗(yàn)時(shí),該板用插座wr與主機(jī)板上的wi連接。

通信接口板電路的用途有二:其一是系統(tǒng)與主機(jī)通信時(shí),利用U6(MAX232)進(jìn)行接

口電平的轉(zhuǎn)換;其二是按鈕S2與單片機(jī)的外部中斷0(而力)相接,既用做工作/標(biāo)定選

擇開關(guān),也作為通信中斷申請(qǐng)開關(guān)。

當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定時(shí)一,按下按鈕S2,接通系統(tǒng)電源,系統(tǒng)將開始運(yùn)行標(biāo)定程序;若不壓

下按鈕S2接通電源,系統(tǒng)將開始運(yùn)行工作程序。

在系統(tǒng)采集完標(biāo)定數(shù)據(jù)或井下數(shù)據(jù)與PC機(jī)通信時(shí),此時(shí)系統(tǒng)處于休眠狀態(tài)。按下按

鈕S2喚醒單片機(jī),從而開始數(shù)據(jù)傳送工作。

5.1MAX232

由于AT89c51,輸出為0?5V的TTL電平,而OEM板,配置的是RS—232c標(biāo)準(zhǔn)串

行接口,二者的電氣規(guī)范不…致,不能直接進(jìn)行通訊。為使TTL電平與RS-232標(biāo)準(zhǔn)協(xié)調(diào),

過去常使用MC1488和MC1489轉(zhuǎn)換器來進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換,需要+5V與+12三組電源。這

無疑原來只使用+5電源的TTL系統(tǒng)復(fù)雜化,成本大大提高,同時(shí)也不利于系統(tǒng)集成。為

此我們借助一種新型的雙路發(fā)送,接收集成電路MAX232,在不另加正負(fù)12V電源的情況

下,實(shí)現(xiàn)了微機(jī)與OEM板的串行通訊,做到了元件的充分利用。其中TTL/CMOS電平

0V?5RS—232電平―10V?+10VMAX232為低功耗芯片,反要求單一電源供電,片內(nèi)具

有兩套電壓提升器構(gòu)成的4倍電壓變換器,能產(chǎn)生+10V?-10V電壓。利用MAX232實(shí)

現(xiàn)微機(jī)與OEM板通信的硬件連接非常方便。MAX232引腳如圖所示,內(nèi)部框圖如圖所示

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Q+AC褊C

+IO

錯(cuò)

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UMo

11

JLinCMO?_53

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