基于DSP便攜式數(shù)控測井系統(tǒng)的設計

1 引言
    國內(nèi)常規(guī)的數(shù)控測井系統(tǒng)都是大型車載式機柜系統(tǒng)，功能強．硬件配置齊全，能夠滿足各種測井作業(yè)的需要。但是由于這類數(shù)控測井系統(tǒng)體積龐大、價格昂貴，不適于海洋石油的測井作業(yè)．同時由于我國測井業(yè)的實際，老式測井車服役所占比例較高，而其所提供的空間有限不能容納機柜式數(shù)控測井系統(tǒng)。所以研制功能完善，體積小巧的便攜式數(shù)控測井地面系統(tǒng)已經(jīng)成為油田測井行業(yè)的急切需求。
    在生產(chǎn)測井過程當中，為滿足油田的實際生產(chǎn)需要，往往需要實時檢測套管井的井下壓力、溫度、流量、含水量、自然伽馬等多個參數(shù)，本文給出一種基于DSP的便攜式數(shù)控測井系統(tǒng)設計方案。
    這里介紹系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)及地面系統(tǒng)中數(shù)據(jù)處理模塊硬件電路設計，交給出軟件設計流程。該地面系統(tǒng)可與常規(guī)的井下儀器掛接，完成相應的測井任務，同時大大提高系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸能力，系統(tǒng)內(nèi)部總線采用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(guī)測井系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸瓶頸。另外，系統(tǒng)也充分利用DSP的高速數(shù)據(jù)處理能力，構(gòu)建一個高速的數(shù)據(jù)處理平臺，滿足測井信號實時處理的要求。

2 系統(tǒng)總體設計方案

    為減小整個系統(tǒng)的體積，并提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率和實時性，該地面系統(tǒng)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(shù)據(jù)處理模塊，數(shù)據(jù)通信模塊及上位機的監(jiān)控軟件組成，圖l為系統(tǒng)硬件設計原理框架。

    通過測井電纜上傳的測井信號，在數(shù)據(jù)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(shù)字及編碼形式，通過相應的傳輸通道傳送給數(shù)據(jù)處理模塊進行數(shù)據(jù)分析處理，并利用MAX7219驅(qū)動數(shù)碼管完成相關(guān)參數(shù)的顯示。為提高數(shù)據(jù)的實時分析處理能力，數(shù)據(jù)處理模塊采用基于主從式架構(gòu)的雙DSP實現(xiàn)，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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)處理模塊內(nèi)部的系統(tǒng)總線是基于CAN2．OB協(xié)議的CAN通信總線，其系統(tǒng)外部總線則采用USB協(xié)議。當數(shù)據(jù)處理模塊完成信號的分析處理操作之后，系統(tǒng)便將相關(guān)結(jié)果通過USB總線傳送給監(jiān)控軟件的數(shù)據(jù)庫，PC機根據(jù)這些處理結(jié)果擬制出相應的測井曲線，并打印出結(jié)果報表。圖2給出數(shù)據(jù)處理模塊的硬件設計框圖。

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3 系統(tǒng)硬件設計
3．1 數(shù)字信號處理器簡介
    CPU采用TI公司的面向控制領域的高性能定點TMS320F2812型DSP。該器件采用改進的哈佛總線結(jié)構(gòu)，片內(nèi)共6條總線(3條地址總線，3條數(shù)據(jù)總線)，指令執(zhí)行采用8級流水線結(jié)構(gòu)，帶有片上MAC單元，最高工作頻率150 MHz。其內(nèi)部集成2個事件管理單元、1個12位的A/D轉(zhuǎn)換器、2個SCI口，1個CAN控制器等片內(nèi)外設．同時具有128 KB的Flash程序存儲器，18 KB的RAM數(shù)據(jù)操作空間。由此可見，該器件是一款功能強大的DSP，是系統(tǒng)設計的核心。
3．2 CAN通信接口電路
    傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信接口通常采用EPP并口方式實現(xiàn)，這樣雖能提高數(shù)據(jù)的處理速度。但易于引入外界干擾．同時不利縮小PCB制板面積且布線復雜。基于以上考慮，本系統(tǒng)設計采用CAN2．OB協(xié)議完成整個系統(tǒng)內(nèi)部總線設計，其硬件電路由TMS320F2812、CAN總線收發(fā)器SN75LBC031構(gòu)成，如圖3所示。其中引腳CANRX和引腳CANTX是DSP的內(nèi)部CAN控制模塊的接收、發(fā)送端，其內(nèi)部CAN控制器完全符合CAN2．OB規(guī)范、ISOll898—1標準?？偩€數(shù)據(jù)傳輸速率可以達到1 Mb／s，保證系統(tǒng)內(nèi)部總線可靠、高速地進行數(shù)據(jù)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(gòu)成，如圖4所示。引腳RXD和TXD是DSP內(nèi)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；XPl是USB端口，它包括一對5 V的電源線和一對數(shù)據(jù)信號線，該總線可提供500 mA的電流驅(qū)動能力。系統(tǒng)設計中，使CH375工作于串口方式，從而減少器件外圍的PCB布線，提高系統(tǒng)的抗干擾能力。

3．4 模擬信號調(diào)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，滿足不同的測量要求，需對模擬信號進行相應調(diào)理，使送入ADS8507的輸入信號既不超過其輸入閾值，又保證一定的幅度，提高A／D轉(zhuǎn)換精度。該系統(tǒng)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為通過模擬信號調(diào)理電路后的輸出信號。該輸出信號通過可編程的放大器PGA204處理后，送給ADS8507完成A/D轉(zhuǎn)換操作。

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3．5 數(shù)字信號預處理電路
    數(shù)控測井系統(tǒng)待處理的數(shù)字信號包括脈沖信號及編碼信號兩大類。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以內(nèi)，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。由于這兩類信號均屬于數(shù)字信號，其預處理電路類似。數(shù)字信號經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換器74HCT244后，送至DSP的EV單元進行相關(guān)處理。

4 系統(tǒng)軟件設計
    系統(tǒng)軟件開發(fā)平臺采用TI公司的CCS3.3(Code Composer Studio)，利用CCS自帶的DSP／BIOS實時操作系統(tǒng)進行設計。通過使用DSP／BIOS提供的標準API接口，用戶可快速開發(fā)滿足實時性要求的多任務應用程序。由于引入實時操作系統(tǒng)，所以在軟件設計時采用層次化的設計思想，系統(tǒng)軟件包括：硬件驅(qū)動層、操作系統(tǒng)層及應用程序?qū)?。其中，硬件?qū)動層負責與硬件有關(guān)的各個模塊及外圍相關(guān)硬件電路的驅(qū)動程序設計；操作系統(tǒng)層利用DSP／BIOS完成進程調(diào)度、內(nèi)存管理、資源分配等操作；應用程序?qū)觿t是利用操作系統(tǒng)層提供的API接口函數(shù)，完成系統(tǒng)應用軟件程序的編寫工作，實現(xiàn)硬件無關(guān)性。
    系統(tǒng)軟件設計采用C語言編寫，其流程如圖7所示。系統(tǒng)上電后，程序首先執(zhí)行DSP的初始化和DSP／BIOS的初始化操作，然后啟動實時操作系統(tǒng)，之后便由該操作系統(tǒng)完成進程的調(diào)度操作，實現(xiàn)不同任務之問的切換。由于采用實時操作系統(tǒng)，所以系統(tǒng)運行時的穩(wěn)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(tǒng)軟件的維護與升級。

5 實驗結(jié)果
    數(shù)控系統(tǒng)與井下設備之間的信號傳輸采用電纜完成，長度為5 000~7 000 m，在長線傳輸過程中，由于分布電容及纜芯本身的電阻影響，信號特性必然損失。為真實反映實際信號，利用一個阻容網(wǎng)絡構(gòu)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(shù)控系統(tǒng)時，該信號已產(chǎn)生一定程度失真，此時系統(tǒng)會對已失真的信號進行相應的處理，提取編碼信號的特征信息，以窄脈沖的形式送給DSP進行相關(guān)處理，如圖9所示。試驗結(jié)果表明，數(shù)控系統(tǒng)可準確再現(xiàn)數(shù)字信號的特征信息，利用系統(tǒng)軟件正確識別數(shù)據(jù)。

6 結(jié)論
    針對大型數(shù)控測井系統(tǒng)體積龐大、價格昂貴這一現(xiàn)狀，提出便攜式數(shù)控測井地面系統(tǒng)的總體設計方案，并著重論述了地面系統(tǒng)中數(shù)據(jù)處理部分硬件電路設計。由于系統(tǒng)軟件是基于DSP／BIOS架構(gòu)，從而明顯提高了系統(tǒng)的集成度，降低了整機的功耗。該系統(tǒng)已研制出原理樣機，通過實驗測試。達到了預期的效果，為批量生產(chǎn)打下基礎。