鉆柱振動信號采集系統的研究與設計

吳昊澄，孫偉峰，戴永壽，李立剛，張亞南

（中國石油大學（華東）信息與控制工程學院，山東 東營 257061）

在鉆井過程中，鉆頭與地層的沖擊、鉆頭的偏心鉆進、鉆柱與井壁之間的摩擦碰撞，都會產生強烈的振動。鉆柱振動信號包含了大量的鉆井工況信息，通過采集這些振動數據，分析其特征并做出合理的故障診斷，對于減少鉆井事故、優化鉆井參數、提高鉆進速度都具有非常重要的意義[1]。對鉆柱振動信號的采集方法分為隨鉆測量方法和地面測量方法。隨鉆測量方法是將隨鉆測量裝置安裝在鉆頭附近，用無線或有線的方式將振動信號傳輸到地面。這種方法采集到的數據失真較小，但由于井下條件惡劣（如高溫、高壓和高沖擊等），對測振裝置的壽命及可靠性影響很大，且數據傳輸的實時性較差，因此應用于振動信號提取的隨鉆測量技術目前未能普遍應用。地面測量方法是利用能將井底振動的主要信息傳遞到地面的鉆柱作為介質，對其傳遞的振動信號進行采集，以識別鉆柱共振、鉆頭磨損、鉆柱與井壁摩擦等工況特征，根據特征值判斷鉆頭遇卡、溜鉆、頓鉆等故障。與井下振動測量相比，地面測量的風險較小，數據傳輸可靠性高，易于推廣[2]。

目前，國內正逐漸形成一股研究鉆柱振動信號的熱潮，劉志國等人已設計出一套振動信號的采集與分析系統[3]，但存在著穩定性不足、振動測量信息反饋不全面等問題。因此，本文設計了具有強穩定性，大存儲空間的鉆柱振動信號采集系統。在微控制器外部添加NAND flash存儲器以擴展對特征信號的存儲空間，在系統中設置了外部看門狗和時鐘電路對系統進行實時監測，配合軟件對異常情況進行及時備份并恢復正常工作狀態。

1 系統總體設計

鉆柱振動信號測量系統需要具備對鉆柱的三維振動信號進行實時動態數據采集、存儲及傳輸的功能。本系統由數據采集模塊、存儲模塊、無線傳輸模塊以及保護模塊組成。為了更全面地測量鉆柱振動信號，系統以鉆柱的三維振動信號為被測對象，通過三軸壓電式加速度傳感器將振動信號轉化成電信號，經信號調理電路調整送入C8051F005微控制器處理。由于鉆井平臺布線困難，系統選用nRF905射頻模塊，將數據以無線的方式傳送到附近的上位機進行處理、存儲和顯示，增強了系統的靈活性。惡劣的現場環境要求系統具有較高的穩定性，本系統應用了外部看門狗和時鐘模塊，使得系統能夠實時監控自身異常，配合軟件設計實現自我備份和恢復。

鉆柱振動信號采集系統結構如圖1所示。

圖1 鉆柱振動信號采集系統Fig.1 Drill string vibration signal acquisition system

2 系統的硬件設計

鉆柱振動信號采集系統按照功能分為數據采集模塊、單片機微控制器模塊、擴展Flash存儲器模塊、無線通信模塊和保護模塊。

2.1 數據采集模塊

系統選用三軸型壓電式加速度傳感器作為測振元件[4]，此傳感器具有靈敏度高，體積小，重量輕，使用壽命長，動態范圍大，頻率范圍寬，堅固耐用，受外界干擾小等特點。

本系統的壓電式傳感器主要參數選擇：三軸；量程范圍±10 g；靈敏度 500 mv/g；頻率范圍 0～2 000 Hz；溫度范圍-40～125℃。

2.2 微控制器

本系統采用C8051F005作為主控芯片，它是Silicon Lab公司的12位單片機，具有64管腳TQFP封裝，SPI串行接口，12位8通道的AD，供電電壓為5 V。其中12位的AD滿足對所采集振動信號的精度要求。若所處環境要求苛刻，可適當提高芯片品級；若需提高現場芯片的數字運算能力，也可采用DSP替代。

2.3 數據存儲模塊

要完成振動信號的實時采集和存儲，要求系統具備足夠的存儲空間并且具有較高的存儲速率，需擴展外部高速存儲器。本系統采用三星公司的NAND結構的Flash存儲芯片——K9F1G08U0M。此芯片的各端口與C8051F005的端口連接，通過C8051F005控制端口的輸入輸出，即可方便實現對Flash存儲器的讀取與寫入操作[5]。

2.4 無線通信模塊

無線技術的應用省去了現場布線的麻煩，為系統的安裝提供了更多的選擇。由于系統長期處于戶外作業，對信號保真度的要求較高。此外為了更好地對鉆井作業進行實時監控，對異常情況及時作出調整，需要有較高的信號傳輸速率。綜合考慮，本系統采用Nordi公司的nRF905射頻收發模塊實現無線數據收發，并提供RS-232接口，實現與PC機的實時直連通信。nRF905由頻率合成器、接收解調器、功率放大器、晶體振蕩器和調制器組成，具有低功耗的Shock Burst工作模式，可自動完成前導碼的工作，可由片內硬件自動完成曼徹斯特解碼，使用SPI接口與微控制器通信，配置非常方便[6]。

2.5 保護模塊

由于本系統應用于鉆井平臺，不會經常性地更換或維護，要求系統有自我檢測和恢復的能力。因此，本系統引入了看門狗電路和時鐘電路，通過軟硬件的結合，實現系統自我檢測、現場自我恢復等保護功能。

2.5.1 看門狗電路

本系統選用的X5045是一種集看門狗、電壓監控和串行EEPROM 3種功能于一身的可編程芯片。這種組合設計減少了電路對電路板空間的需求。芯片中的看門狗對系統提供了保護功能，當系統發生程序故障時，自動通過RESET信號向微控制器發出復位請求。

2.5.2 時鐘電路

軟件實現時鐘需要編寫的程序復雜，代碼多，且單片機軟件開銷大，時間信息也不易長期保存。為避免以上問題，本系統采用美國Dallas公司的DS1305實時時鐘芯片非易失性地保存時間信息。它有20腳的TSSOP、16腳的DIP兩種封裝方式，工作電壓范圍從2.0～5.5V。DS1305采用BCD碼表示實時時鐘的秒、分、小時、星期、日、月和年的時間信息，并且自動對小月和閏年的日期進行調整，兼有帶AM/PM指示12小時和24小時兩種時間指示格式。

系統硬件功能結構圖如圖2所示。

圖2 系統硬件功能結構圖Fig.2 System hardware functional block diagram

3 系統的軟件設計

系統軟件部分完成單片機系統初始化、數據采集、AD轉換、FLASH讀寫、與上位機通信等功能。軟件采用C語言編程以增加可讀性和可移植性。

通過壓電式加速度傳感器的轉換，將振動信號轉化成電壓信號。利用C8051F005內部自帶的12位AD將模擬電壓量轉換成為數字量保存至微處理器存儲單元。程序實現對3路通道的電壓信號循環采集，將采集到的振動特征數據寫入到外部Flash存儲器中暫存。

無線通信部分，在nRF905正常工作前，必須根據需要寫好配置寄存器。發送數據時，先通過微控制器把nRF905置于待機模式，通過SPI總線把發送地址和待發送的數據都寫入相應的寄存器中，之后把nRF905置于發送模式，配置成功后數據就會自動發送出去。若射頻配置寄存器中的自動重發位設為有效，數據包就會被重復發出，直到微控制器退出發送模式為止。接收數據時，微控制器先在nRF905的待機狀態中寫好射頻配置寄存器中的接收地址，然后將nRF905置于接收模式，nRF905就會自動接收空中的載波。當收到有效數據時，微控制器在檢測到這個信號后，可以將nRF905置為待機模式，然后通過SPI總線從接收數據寄存器中讀出有效數據。

軟件設計中為了增強系統的可靠性，加入了時鐘和看門狗程序。

系統的整體程序流程圖如圖3所示。

4 結束語

圖3 程序流程圖Fig.3 Program flow chart

文中根據鉆柱三維振動測量的需要，對鉆柱振動信號采集[7]系統進行了硬件和軟件的設計。

硬件系統以C8051F005單片機作為控制核心，利用朗斯LC0111壓電式加速度傳感器采集三維振動信號，通過三星FLASH存儲器K9F1G08U0M擴展存儲容量，利用nRF905射頻模塊進行無線通信完成數據傳輸。利用X5045芯片、DS1035時鐘芯片增加了看門狗和時鐘電路，增強了系統本身的獨立工作能力。整個系統硬件配置合理，可滿足實際測量的需求。

軟件系統實現了三維振動信號的數據采集，對Flash存儲器的讀、寫操作，通過nRF905射頻模塊實現與上位PC的通信以及對看門狗和定時器的設定。

該系統可對包含豐富井下工況信息的鉆柱振動信號進行采集、存儲與傳輸，對獲取的數據進行處理，可以提取反映鉆井工況的信息，從而指導鉆井作業，這將大大提高鉆進速度和鉆井安全性，為實現安全、優質、高效鉆井提供技術保障。

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