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1 引言 國內常規的數控測井系統都是大型車(chē)載式機柜系統，功能強．硬件配置齊全，能夠滿(mǎn)足各種測井作業(yè)的需要。但是由于這類(lèi)數控測井系統體積龐大、價(jià)格昂貴，不適于海洋石油的測井作業(yè)．同時(shí)由于我國測井業(yè)的實(shí)際，老式測井車(chē)服役所占比例較高，而其所提供的空間有限不能容納機柜式數控測井系統。所以研制功能完善，體積小巧的便攜式數控測井地面系統已經(jīng)成為油田測井行業(yè)的急切需求。 在生產(chǎn)測井過(guò)程當中，為滿(mǎn)足油田的實(shí)際生產(chǎn)需要，往往需要實(shí)時(shí)檢測套管井的井下壓力、溫度、流量、含水量、自然伽馬等多個(gè)參數，本文給出一種基于DSP的便攜式數控測井系統設計方案。 這里介紹系統的整體結構及地面系統中數據處理模塊硬件電路設計，交給出軟件設計流程。該地面系統可與常規的井下儀器掛接，完成相應的測井任務(wù)，同時(shí)大大提高系統數據傳輸能力，系統內部總線(xiàn)采用CAN接口協(xié)議，外部總體采用USB接口協(xié)議，從而明顯改善常規測井系統的數據傳輸瓶頸。另外，系統也充分利用DSP的高速數據處理能力，構建一個(gè)高速的數據處理平臺，滿(mǎn)足測井信號實(shí)時(shí)處理的要求。 2 系統總體設計方案 為減小整個(gè)系統的體積，并提高系統的數據傳輸速率和實(shí)時(shí)性，該地面系統采用模塊化的設計方法，主要包括供電電源模塊、信號分離模塊、數據處理模塊，數據通信模塊及上位機的監控軟件組成，圖l為系統硬件設計原理框架。 通過(guò)測井電纜上傳的測井信號，在數據處理模塊的控制下完成相應的信號分離及通道切換，并將處理后的信號按照模擬、數字及編碼形式，通過(guò)相應的傳輸通道傳送給數據處理模塊進(jìn)行數據分析處理，并利用MAX7219驅動(dòng)數碼管完成相關(guān)參數的顯示。為提高數據的實(shí)時(shí)分析處理能力，數據處理模塊采用基于主從式架構的雙DSP實(shí)現，其中主機部分利用DSP完成與PC機的USB口通信、模擬信號的分析處理操作及外擴接口板的控制及數據交換工作；從機部分則利用DSP完成對編碼信號、脈沖信號的分析處理。數據處理模塊內部的系統總線(xiàn)是基于CAN2．OB協(xié)議的CAN通信總線(xiàn)，其系統外部總線(xiàn)則采用USB協(xié)議。當數據處理模塊完成信號的分析處理操作之后，系統便將相關(guān)結果通過(guò)USB總線(xiàn)傳送給監控軟件的數據庫，PC機根據這些處理結果擬制出相應的測井曲線(xiàn)，并打印出結果報表。圖2給出數據處理模塊的硬件設計框圖。 3 系統硬件設計 3．1 數字信號處理器簡(jiǎn)介 CPU采用TI公司的面向控制領(lǐng)域的高性能定點(diǎn)TMS320F2812型DSP。該器件采用改進(jìn)的哈佛總線(xiàn)結構，片內共6條總線(xiàn)(3條地址總線(xiàn)，3條數據總線(xiàn))，指令執行采用8級流水線(xiàn)結構，帶有片上MAC單元，最高工作頻率150 MHz。其內部集成2個(gè)事件管理單元、1個(gè)12位的A/D轉換器、2個(gè)SCI口，1個(gè)CAN控制器等片內外設．同時(shí)具有128 KB的Flash程序存儲器，18 KB的RAM數據操作空間。由此可見(jiàn)，該器件是一款功能強大的DSP，是系統設計的核心。 3．2 CAN通信接口電路 傳統的數據通信接口通常采用EPP并口方式實(shí)現，這樣雖能提高數據的處理速度。但易于引入外界干擾．同時(shí)不利縮小PCB制板面積且布線(xiàn)復雜�；谝陨峡紤]，本系統設計采用CAN2．OB協(xié)議完成整個(gè)系統內部總線(xiàn)設計，其硬件電路由TMS320F2812、CAN總線(xiàn)收發(fā)器SN75LBC031構成，如圖3所示。其中引腳CANRX和引腳CANTX是DSP的內部CAN控制模塊的接收、發(fā)送端，其內部CAN控制器完全符合CAN2．OB規范、ISOll898—1標準�？偩�(xiàn)數據傳輸速率可以達到1 Mb／s，保證系統內部總線(xiàn)可靠、高速地進(jìn)行數據通信。 3．3 USB通信接口電路 USB通信接口電路主要由TMS320F2812和CH375構成，如圖4所示。引腳RXD和TXD是DSP內部的SCI模塊的接收、發(fā)送引腳：引腳CS和INT連接到DSP的GPIO接口，用作該器件的控制線(xiàn)；XPl是USB端口，它包括一對5 V的電源線(xiàn)和一對數據信號線(xiàn)，該總線(xiàn)可提供500 mA的電流驅動(dòng)能力。系統設計中，使CH375工作于串口方式，從而減少器件外圍的PCB布線(xiàn)，提高系統的抗干擾能力。 3．4 模擬信號調理電路 測井儀上傳的接箍信號、磁定位信號等都是模擬信號，其幅度變化范圍為一lO~+10V。為了盡量恢復原始的模擬信號，滿(mǎn)足不同的測量要求，需對模擬信號進(jìn)行相應調理，使送入ADS8507的輸入信號既不超過(guò)其輸入閾值，又保證一定的幅度，提高A／D轉換精度。該系統利用TL084完成模擬信號的放大、濾波，如圖5所示，其中Uin為井下儀器上傳的模擬信號，Uout為通過(guò)模擬信號調理電路后的輸出信號。該輸出信號通過(guò)可編程的放大器PGA204處理后，送給ADS8507完成A/D轉換操作。 3．5 數字信號預處理電路 數控測井系統待處理的數字信號包括脈沖信號及編碼信號兩大類(lèi)。其中脈沖信號主要源于自然伽馬測井儀及多臂井徑儀，其頻率范圍在400 kHz以?xún)�，窄脈沖寬度l～250μs。圖6為脈沖信號預處理電路，Vin為輸入脈沖信號，Vout為輸出信號。編碼信號主要源于組合式測井儀器，通常采用曼徹斯特II碼，其典型的傳輸速率為5．7292 kB／s。由于這兩類(lèi)信號均屬于數字信號，其預處理電路類(lèi)似。數字信號經(jīng)過(guò)電平轉換器74HCT244后，送至DSP的EV單元進(jìn)行相關(guān)處理。 4 系統軟件設計 系統軟件開(kāi)發(fā)平臺采用TI公司的CCS3.3(Code Composer Studio)，利用CCS自帶的DSP／BIOS實(shí)時(shí)操作系統進(jìn)行設計。通過(guò)使用DSP／BIOS提供的標準API接口，用戶(hù)可快速開(kāi)發(fā)滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性要求的多任務(wù)應用程序。由于引入實(shí)時(shí)操作系統，所以在軟件設計時(shí)采用層次化的設計思想，系統軟件包括：硬件驅動(dòng)層、操作系統層及應用程序層。其中，硬件驅動(dòng)層負責與硬件有關(guān)的各個(gè)模塊及外圍相關(guān)硬件電路的驅動(dòng)程序設計；操作系統層利用DSP／BIOS完成進(jìn)程調度、內存管理、資源分配等操作；應用程序層則是利用操作系統層提供的API接口函數，完成系統應用軟件程序的編寫(xiě)工作，實(shí)現硬件無(wú)關(guān)性。 系統軟件設計采用C語(yǔ)言編寫(xiě)，其流程如圖7所示。系統上電后，程序首先執行DSP的初始化和DSP／BIOS的初始化操作，然后啟動(dòng)實(shí)時(shí)操作系統，之后便由該操作系統完成進(jìn)程的調度操作，實(shí)現不同任務(wù)之問(wèn)的切換。由于采用實(shí)時(shí)操作系統，所以系統運行時(shí)的穩定性和可靠性得到明顯提高，便于軟件代碼的復用及移植操作，易于系統軟件的維護與升級。 5 實(shí)驗結果 數控系統與井下設備之間的信號傳輸采用電纜完成，長(cháng)度為5 000~7 000 m，在長(cháng)線(xiàn)傳輸過(guò)程中，由于分布電容及纜芯本身的電阻影響，信號特性必然損失。為真實(shí)反映實(shí)際信號，利用一個(gè)阻容網(wǎng)絡(luò )構成電纜模擬器，取電阻R=24Ω，電容C=0．033μF，模擬7 000 m的同軸電纜，如圖8所示。 假定井下儀器以曼徹斯特II碼的形式將信號上傳至數控系統時(shí)，該信號已產(chǎn)生一定程度失真，此時(shí)系統會(huì )對已失真的信號進(jìn)行相應的處理，提取編碼信號的特征信息，以窄脈沖的形式送給DSP進(jìn)行相關(guān)處理，如圖9所示。試驗結果表明，數控系統可準確再現數字信號的特征信息，利用系統軟件正確識別數據。 6 結論 針對大型數控測井系統體積龐大、價(jià)格昂貴這一現狀，提出便攜式數控測井地面系統的總體設計方案，并著(zhù)重論述了地面系統中數據處理部分硬件電路設計。由于系統軟件是基于DSP／BIOS架構，從而明顯提高了系統的集成度，降低了整機的功耗。該系統已研制出原理樣機，通過(guò)實(shí)驗測試。達到了預期的效果，為批量生產(chǎn)打下基礎。 |
