基于CAN總線的數(shù)控測井站之綜合接口設(shè)計(jì)

東莞理工學(xué)院城市學(xué)院計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)系 唐志輝 謝 俊

1.引言

地球物理測井或石油測井，是利用巖層的化學(xué)特性、導(dǎo)電特性、聲學(xué)特性、放射性等地球物理特性測量地球物理參數(shù)的方法，屬于應(yīng)用地球物理方法之一。測井方法眾多，電、聲、放射性是三種基本方法，測井發(fā)展至今已有80多年了，大多數(shù)廠家推出的測井設(shè)備都是一個(gè)探頭或者只能和自家的探頭配合使用，每次只能一個(gè)探頭下井，如果需要測量多種數(shù)據(jù)，則需要更換探頭重復(fù)測井，因此，工作效率低。本文提出了一種基于CAN總線的數(shù)控測井站的綜合接口模塊，測井設(shè)備的井上和井下部分通過此綜合接口模塊連接，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，基于CAN總線的綜合接口模塊能使不同 廠家不同功能的探頭組合起來使用，只要各探頭均采用CAN協(xié)議，這樣就避免為測量多種數(shù)據(jù)而重復(fù)測井，從而大大提高了工作效率。CAN總線具有傳輸速率快、傳輸穩(wěn)定、容量大，是國際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場總線之一，其性能能夠很好地滿足測井站的實(shí)際要求。

2.硬件結(jié)構(gòu)

基于CAN總線的綜合接口模塊由以下部分組成：

（1）單片機(jī)；

（2）ADC轉(zhuǎn)換模塊；

（3）CAN傳輸模塊；

（4）傳感器模塊；本系統(tǒng)最多可同時(shí)傳輸8路傳感器信號，其工作原理如下：傳感器采集的信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后，經(jīng)MCU封裝成報(bào)文，然后送到CAN模塊，CAN控制器對報(bào)文進(jìn)行過濾識別，識別后的信號通過CAN收發(fā)器送到CAN總線上傳輸，最后送到上位機(jī)進(jìn)行處理、顯示和保存等。

2.1 主控芯片及A/D模塊

主控芯片選擇了性能價(jià)格比較高的NXP公司的P89V51RC2單片機(jī)，它是一款80C51微控制器，操作頻率為0～40MHz，包含32kB Flash，1024字節(jié)的內(nèi)部存儲器和64kB的外部數(shù)據(jù)存儲器，同時(shí)具有低功耗、在系統(tǒng)編程，多時(shí)鐘模式等特點(diǎn)，值得一提的是它的X2方式選項(xiàng)。利用該特性可在相同時(shí)鐘頻率下獲得2倍的吞吐量，或者時(shí)鐘頻率減半而保持特性不變，這樣可以極大地降低電磁干擾(EMI)。MCU引腳在系統(tǒng)中的分配見表1。

A/D模塊由A/D轉(zhuǎn)換芯片AD977、8選1模擬開關(guān)CD4051、跟隨器OP07組成。8路傳感器采集到的模擬信號通過CD4051選通一個(gè)信號，經(jīng)過OP07實(shí)現(xiàn)阻抗匹配后送入AD977進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)果送至MCU，MCU與AD977的通訊采用SPI協(xié)議，快速16位AD977具有100 kSPS的吞吐速率，其最大功耗只有100毫瓦，并且具有高速SPI串行接口。AD模塊電路原理圖如圖1所示。

2.2 CAN模塊

CAN模塊由CAN控制器SJA1000和CAN收發(fā)器CTM1050組成，SJA1000是一個(gè)獨(dú)立的CAN控制器，它是Philips公司另一個(gè)CAN控制器PCA82C200的替代產(chǎn)品，且增加了一種新的工作模式(Peli CAN)，這種模式支持CAN2.0B協(xié)議。SJA1000主要完成CAN的通訊協(xié)議，實(shí)現(xiàn)報(bào)文的裝配和拆分、接收信息的過濾和校驗(yàn)等。CTM1050是一款帶隔離的高速CAN收發(fā)器模塊，具有CAN-bus總線過電壓保護(hù)作用，該模塊內(nèi)部集成了所有必需的CAN隔離及CAN收、發(fā)器件，模塊的主要功能是將CAN控制器的邏輯電平轉(zhuǎn)換為CAN總線的差分電平，并且具有DC 2500V的隔離功能。SJA1000的TXO與RXO可直接與CTM1050的TXD、RXD相連，可以大大減少CAN-Bus硬件線路的難度。CAN模塊的電路原理圖如圖2所示。

3.軟件設(shè)計(jì)

3.1 A/D轉(zhuǎn)換程序的實(shí)現(xiàn)

AD977是一個(gè)高速串行輸出的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，我們采用的是模擬SPI時(shí)序的方法來獲取轉(zhuǎn)換結(jié)果。AD977基本時(shí)序如圖3所示，由圖可知當(dāng)RC信號拉低，AD977開始一次轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換時(shí)BUSY持續(xù)高電平，當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)BUSY信號將變低電平。參考程序如下：

表1 MCU引腳分配表

圖1 A/D模塊電路原理圖

圖2 CAN模塊的電路原理圖

圖3 AD977基本時(shí)序圖

3.2 軟件濾波

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為了消除傳感器通道中的干擾信號的影響常采用濾波技術(shù)，RLC網(wǎng)絡(luò)是常見的硬件濾波，采用軟件實(shí)現(xiàn)的數(shù)字濾波常見的有中值濾波、算數(shù)平均濾波、去極值平均濾波、加權(quán)平均濾波、滑動平均濾波、低通濾波等。本系統(tǒng)采用的是中值濾波法，連續(xù)采樣N次（N為奇數(shù)），對這N次結(jié)果進(jìn)行大小排序，取其中間值。其優(yōu)點(diǎn)是能有效克服因偶然因素引起的波動干擾，對溫度、液位的變化緩慢的被測參數(shù)有良好的濾波效果。

4.測試

在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了A/D轉(zhuǎn)換精確度和CAN總線傳輸穩(wěn)定性測試，測試設(shè)備包括：井溫流體探管，2000M電纜，福祿克15B萬用表，臺式PC、綜合接口模塊、紅外線數(shù)字溫度計(jì)等。測試方法如下：在室內(nèi)對一定濃度的鹽水進(jìn)行加熱至40℃～100℃，使用井溫流體探管對鹽水進(jìn)行測量，測量結(jié)果通過2000M電纜和綜合接口，傳輸?shù)接?jì)算機(jī)進(jìn)行記錄和分析。

測試采用baseCAN標(biāo)準(zhǔn)幀格式，通過分析計(jì)算機(jī)的接收到的5幀數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)，包含20次AD轉(zhuǎn)換的結(jié)果，得到A/D的實(shí)際轉(zhuǎn)換精度達(dá)到0.1mv，CAN總線在連續(xù)十幾個(gè)小時(shí)的傳輸中，運(yùn)行良好，沒有誤碼出現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)證明系統(tǒng)的測量精度與穩(wěn)定性完全能滿足井溫流體測試的要求。

5.結(jié)束語

本文提出了一種基于CAN總線的數(shù)控物探測井站的綜合接口模塊的設(shè)計(jì)方案，采用16位快速A/D轉(zhuǎn)換芯片，整個(gè)系統(tǒng)具有測量精度高、傳輸穩(wěn)定、容量大的特點(diǎn)，能夠很好地滿足當(dāng)代數(shù)控測井站的實(shí)際要求。

[1]周立功等.CAN現(xiàn)場總線原理與應(yīng)用[M].北京航天航空大學(xué)出版社,2007.

[2]李正軍.現(xiàn)場總線及其應(yīng)用技術(shù)[M].北 京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005.

[3]BroADer Field bus Standards Will Improve System Functionality,Linda L.Pierson.CONTROL ENGINEERING,1994(I 1).

[4]How Field bus Can Inf l uence Your Next Project,Terry Blevins,CONTROL ENGINEERING,1996(9).