LabVIEW上位機(jī)雙串口同步方法與數(shù)據(jù)采集

董俊辰 李擁軍 王園園

【摘要】針對(duì)油氣井的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，為了同步實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)井下系統(tǒng)，因此研究深度以及對(duì)應(yīng)于深度的溫度、電阻率、自然伽馬測(cè)量原理，開(kāi)發(fā)基于LabVIEW軟件的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，進(jìn)行理論的分析和和軟件的設(shè)計(jì)。其中數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過(guò)探頭對(duì)套管外介質(zhì)特性進(jìn)行探測(cè)，并將信號(hào)分為兩路深度和溫度、電阻率、自然伽馬同步上傳輸?shù)降孛嫦到y(tǒng)，地面系統(tǒng)接收信號(hào)，進(jìn)行解碼判別通過(guò)兩個(gè)通用異步串行接口RS-232同時(shí)與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信，然后由采集軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收校驗(yàn)、采集監(jiān)控、合并存儲(chǔ)等工作。實(shí)踐證明，該系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單，同步數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確性高、穩(wěn)定可靠。

【關(guān)鍵詞】LabVIEW;數(shù)據(jù)采集;測(cè)井;RS-232

引言

研究表明，快速探測(cè)井下深度以及同步于深度的溫度、自然伽馬、電阻率的變化，對(duì)探知套管外介質(zhì)，合理開(kāi)發(fā)油氣田有戰(zhàn)略意義。同時(shí)，隨著測(cè)井技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，儀器和上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸顯得尤為重要。采集井下數(shù)據(jù)是測(cè)井行業(yè)對(duì)地層介質(zhì)系統(tǒng)深入了解的必要途徑。能否準(zhǔn)確無(wú)誤，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、存儲(chǔ)在測(cè)井過(guò)程中得到的數(shù)據(jù)，是測(cè)井的關(guān)鍵，本文用LabVIEW 實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)。LabVIEW是美國(guó)國(guó)家儀器公司開(kāi)發(fā)的一種多功能圖形化編程軟件，它是一種帶有圖形控制流結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)流模式，程序框圖中節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)流向決定了VI及函數(shù)的執(zhí)行順序，可以大大縮短開(kāi)發(fā)軟件的時(shí)間。LabVIEW具有以下特點(diǎn)：①有功能強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理和分析函數(shù)庫(kù);②提供很多外觀與傳統(tǒng)儀器（如示波器、萬(wàn)用表）類似的控件，可用來(lái)方便地創(chuàng)建用戶界面，調(diào)試手段也很靈活簡(jiǎn)單;③內(nèi)置高效的程序編譯器，采用32位編譯方式運(yùn)行應(yīng)用程序;④開(kāi)放式的開(kāi)發(fā)平臺(tái)，通過(guò)LabVIEW可調(diào)用動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)接口，混合編程。

1.各測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)的測(cè)量原理

測(cè)量深度系統(tǒng)是由電纜拖動(dòng)光電編碼器轉(zhuǎn)動(dòng)，并輸出雙路脈沖信號(hào)來(lái)計(jì)數(shù)。對(duì)溫度、電阻率和自然伽馬的測(cè)量均是通過(guò)探頭采集電壓信號(hào)，以PICF87X系列單片機(jī)為主控單元對(duì)套管外的介質(zhì)特性進(jìn)行探測(cè)。發(fā)射線圈輸出二次場(chǎng)信號(hào)并在接收線圈接收微弱的差分雙極性脈沖序列，信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波、可變?cè)鲆娣糯蠛筮M(jìn)入A/D芯片，對(duì)信號(hào)模數(shù)轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化結(jié)果送入單片機(jī)進(jìn)行編碼，再通過(guò)單芯電纜上傳至地面系統(tǒng)。地面系統(tǒng)將接收到的信號(hào)，進(jìn)行解碼判別通過(guò)兩個(gè)通用異步串行接口RS-232同步與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信，然后由上位機(jī)采集軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收校驗(yàn)、采集監(jiān)控、合并存儲(chǔ)等工作，實(shí)現(xiàn)對(duì)井下深度、溫度、電阻率、自然伽馬數(shù)據(jù)的采集。

1.1 深度的測(cè)量原理

測(cè)深是測(cè)井的一個(gè)重要測(cè)量參數(shù)，對(duì)同步于深度的溫度、伽馬、電阻率的測(cè)量有重要影響。基于光電編碼器的測(cè)深系統(tǒng)，因?yàn)椴皇軓?fù)雜地質(zhì)影響和電磁場(chǎng)的干擾，在探測(cè)效率和精度上很占優(yōu)勢(shì)。光電編碼器是一種旋轉(zhuǎn)式位移傳感器，廣泛應(yīng)用于角位移或角速率的測(cè)量。該系統(tǒng)采用增量式光電編碼器，光碼器的內(nèi)部光碼盤的固有分辨率很高， 輸出脈沖信號(hào)，抗電干擾能力強(qiáng)，與計(jì)算機(jī)接口電路兼容。

1.2 溫度的測(cè)量原理

井下溫度，是評(píng)價(jià)地層信息的重要參考依據(jù)。測(cè)井每下井深度增加100m，溫度升高3℃，所以要選擇高靈敏度且測(cè)量準(zhǔn)確的耐高溫測(cè)溫材料。這里井下系統(tǒng)選用Pt100鉑熱電阻，該鉑電阻的熱響應(yīng)時(shí)間較小，測(cè)溫范圍一般為-70°C～+600°C，因此它很適合于測(cè)量井下的表面溫度和監(jiān)測(cè)動(dòng)態(tài)溫度變化。根據(jù)井下條件，在0～630°C范圍內(nèi)，鉑電阻的電阻值與溫度間的關(guān)系可以精確地表示為：

（1）

其中，為溫度為t℃時(shí)鉑電阻的電阻值，表示溫度為0℃時(shí)鉑電阻的電阻值（Ω），A、B、C分別為常數(shù)。對(duì)于Pt100，=100Ω，A=3.90802℃，B=-5.802℃，C=0。由公式（1）可以得出在100℃時(shí)，電阻值的變化量是38.5Ω，而由Bt2帶來(lái)的變化量為0.58Ω，在系統(tǒng)中影響為1.5%。因此可將Pt100近似作為線性器件來(lái)使用。

1.3 電阻率的測(cè)量原理

測(cè)量電阻率的儀器過(guò)套管本身是一個(gè)巨大的金屬良導(dǎo)體，其電阻率要比井眼流體的電阻率低很多，在向地層發(fā)射低頻電信號(hào)后，一般頻率選擇在用0.01～10.0Hz之間頻率，大部分電流在金屬套管中流動(dòng)，但是仍然有小部分的電流通過(guò)金屬套管進(jìn)入地層。如果可以檢測(cè)到儀器測(cè)量電極與地面回路電極之間的電位差，并且可以檢測(cè)流入地層的電流，就能夠得到地層電阻率信息。

供電電極向套管通以極低頻率的注入總電流I，一部分泄漏到地層中，稱之為泄露電流，進(jìn)入地層的電流大小由地層電阻率決定。儀器測(cè)量電極測(cè)出從套管泄露流入地層的電流產(chǎn)生的電位差，它與地層的電阻率成正比。利用歐姆定律計(jì)算：

（2）

（3）

式中，K為測(cè)井儀器常數(shù)，根據(jù)井眼的實(shí)際情況確定;為測(cè)量段套管的電阻。

1.4 自然伽馬的測(cè)量原理

傳統(tǒng)的自然伽馬測(cè)井，主要是利用伽馬探測(cè)器測(cè)量地層中的U、Th、K等元素的含量，即利用探測(cè)器測(cè)量地層中總的自然伽馬射線強(qiáng)度，以此為依據(jù)來(lái)研究地層性質(zhì)，劃分地層巖性，求出地層的泥質(zhì)含量。自然伽馬測(cè)量電路還有一個(gè)重要作用，那就是輔助校深。由于單位時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù)和伽馬射線的強(qiáng)度成正比關(guān)系，根據(jù)單位時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù)就可以確定套管接箍的位置，井下套管是由很多段的標(biāo)準(zhǔn)套管連接起來(lái)的，且標(biāo)準(zhǔn)套管的長(zhǎng)度是一定的，因此通過(guò)接箍的位置就可以為整個(gè)系統(tǒng)的深度測(cè)量提供校正，即輔助校深。

2.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)處理設(shè)計(jì)思路

根據(jù)井下系統(tǒng)上傳的數(shù)據(jù)，深度數(shù)據(jù)格式是十六進(jìn)制四字節(jié)，溫度、電阻率、自然伽馬的數(shù)據(jù)格式是十六進(jìn)制表示的48個(gè)字節(jié)，第0字節(jié)是首判斷位0xaa，第2字節(jié)還是個(gè)判斷位（0xa1或0xa2），尾判斷位是0xbb，除了判斷位，剩下的字節(jié)就表示所需采集的22個(gè)數(shù)據(jù)，包括溫度、電阻率、自然伽馬的數(shù)據(jù)。因?yàn)榫码娐废到y(tǒng)電阻、電容不匹配或干擾信號(hào)的影響，難免會(huì)出現(xiàn)采集上來(lái)的數(shù)據(jù)與單片機(jī)原設(shè)定好的的數(shù)據(jù)格式不匹配。為了防止這樣，我們必須采用合理的方法，確保數(shù)據(jù)的完整性與準(zhǔn)確性。設(shè)計(jì)思路是：兩路RS-232與計(jì)算機(jī)進(jìn)行串口通信后，數(shù)據(jù)暫存在緩沖區(qū)，運(yùn)行程序后，當(dāng)幀頭是aa時(shí)開(kāi)始提取數(shù)據(jù)，否則放棄保留數(shù)據(jù)。然后如果再提取47個(gè)字節(jié)之后是幀尾bb的話，則保留數(shù)據(jù)，否則放棄保留。再次如果第2字節(jié)是0xa1，數(shù)據(jù)保留為一組，如果第2字節(jié)是0xa2，數(shù)據(jù)保留為另一組。然后把以上數(shù)據(jù)和深度數(shù)據(jù)按時(shí)間合并匹配，然后順序依次寫入文檔。如圖1所示是數(shù)據(jù)處理設(shè)計(jì)思路。

2.2 程序面板總體框架

由于本程序是針對(duì)數(shù)據(jù)做的一系列處理工作，可以引用LabVIEW上經(jīng)常用到的生產(chǎn)者/消費(fèi)者設(shè)計(jì)模式。從軟件的角度講，生產(chǎn)者是數(shù)據(jù)的提供方，用于數(shù)據(jù)的采集，在生產(chǎn)循環(huán)中采用了輪詢結(jié)構(gòu)，用于數(shù)據(jù)的交換，把數(shù)據(jù)先存入緩沖區(qū)，再傳遞給消費(fèi)者，簡(jiǎn)言之，生產(chǎn)者負(fù)責(zé)采集和發(fā)布數(shù)據(jù);消費(fèi)者是數(shù)據(jù)的消費(fèi)方，用于數(shù)據(jù)的分析和處理。本文在該模式的架構(gòu)下，進(jìn)行數(shù)據(jù)的一系列處理。從數(shù)據(jù)的角度講，當(dāng)生產(chǎn)過(guò)剩而消費(fèi)不足的情況下，緩沖區(qū)的剩余空間不斷減小至耗盡。當(dāng)緩沖區(qū)無(wú)剩余空間時(shí)，生產(chǎn)者必須停止生產(chǎn)，一直等到緩沖區(qū)出現(xiàn)剩余空間再繼續(xù)生產(chǎn)。反之，當(dāng)消費(fèi)能力大于生產(chǎn)能力的時(shí)候，緩沖區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)就會(huì)逐漸減少，直至緩沖區(qū)中再無(wú)數(shù)據(jù)可用，此時(shí)，消費(fèi)者處于等待狀態(tài)，這就是隊(duì)列的應(yīng)用。不管是生產(chǎn)者還是消費(fèi)者循環(huán)，都是利用的while循環(huán)結(jié)構(gòu)，一幀一幀的提取數(shù)據(jù)，這就保證了數(shù)據(jù)有序而有效的進(jìn)行處理。

圖1 數(shù)據(jù)處理設(shè)計(jì)思路

圖2 軟件操作流程圖

2.3 前面板設(shè)計(jì)

（1）配置串口和波特率。根據(jù)通用異步串行接口RS-232選取默認(rèn)的波特率9600b/s，串口選com1和com2。

（2）波形顯示控件。當(dāng)程序運(yùn)行過(guò)程中，顯示VISA讀取到深度、溫度、電阻率、伽馬值的大小和描繪出的連續(xù)變化曲線。

（3）開(kāi)始采集、清除波形、退出控件。開(kāi)始采集控件實(shí)現(xiàn)開(kāi)始采集各個(gè)數(shù)據(jù)，清除控件是把存在在波形圖表控件中的數(shù)據(jù)曲線清零，即賦零值，退出控件指退出數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

（4）歷史數(shù)據(jù)查詢和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)路徑控件。通過(guò)對(duì)路徑的選擇，實(shí)現(xiàn)對(duì)以往數(shù)據(jù)的回放和對(duì)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。

（5）選擇性選擇顯示數(shù)據(jù)。通過(guò)選擇控件，實(shí)現(xiàn)對(duì)某些數(shù)據(jù)曲線的顯示和隱藏。

軟件操作過(guò)程流程圖如圖2所示。

2.4 程序面板的設(shè)計(jì)

2.4.1 串口通信系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

LabVIEW中使用標(biāo)準(zhǔn)的輸入/輸出應(yīng)用程序接口，用VISA完成對(duì)儀器的控制。VISA可控制串口、USB等儀器，并根據(jù)使用儀器的類型調(diào)用相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序，用戶無(wú)需學(xué)習(xí)各種儀器的通信協(xié)議。VISA獨(dú)立于操作系統(tǒng)、總線和編程環(huán)境。換言之，無(wú)論使用何種設(shè)備、操作系統(tǒng)和編程語(yǔ)言，均使用相同的應(yīng)用程序接口。開(kāi)始使用VISA之前，應(yīng)確保選擇合適的儀器控制方法。

2.4.2 數(shù)據(jù)采集模塊

首先是初始化，此處的最重點(diǎn)是VISA的串口配置，調(diào)用“VISA串口配置”函數(shù)中的資源名稱連接口是指定的串口按特定設(shè)置初始化，通過(guò)將數(shù)據(jù)連線至VISA資源名稱輸入端，可確定要使用的波特率，數(shù)據(jù)比特，停止位的選擇等。

再次是通過(guò)調(diào)用“VISA讀取”函數(shù)，將從VISA資源名稱指定的設(shè)備或接口讀取指定數(shù)量的字節(jié)，并將數(shù)據(jù)返回至讀取緩沖區(qū)。“VISA資源名稱”的屬性節(jié)點(diǎn)，選擇instri類的屬性中的Serial Setting：Number of Bytes at Serial port，讀取緩沖區(qū)的字節(jié)數(shù)，并再次返回緩沖區(qū)。

最后是將兩組緩沖區(qū)讀取的字符串變成所需要的不帶符號(hào)的字節(jié)數(shù)組，然后通過(guò)“插入數(shù)組”控件將兩組數(shù)據(jù)連接起來(lái)，最后通過(guò)波形圖表顯示控件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示。圖3所示是串口數(shù)據(jù)的讀取和連接。

圖3 串口數(shù)據(jù)讀取和連接

2.4.3 數(shù)據(jù)分析處理模塊

（1）數(shù)據(jù)寫入二進(jìn)制文件：把采集到的數(shù)據(jù)存放一個(gè)數(shù)組里，再連接“數(shù)組至電子表格字符串轉(zhuǎn)換”函數(shù)，使數(shù)組轉(zhuǎn)化為十六進(jìn)制的字符串形式表格，然后再把數(shù)據(jù)寫入二進(jìn)制文件。為了以后方便對(duì)數(shù)據(jù)的查詢，可以連接“獲取時(shí)間/日期字符串”函數(shù)，把實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)的時(shí)間記錄下來(lái)，寫入二進(jìn)制文件。

（2）數(shù)據(jù)保存：使用“打開(kāi)-創(chuàng)建-替換文件”函數(shù)，可以將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到一個(gè)指定的.txt文檔中。

（3）數(shù)據(jù)清除：有必要把正在采集的數(shù)據(jù)清除掉，以便對(duì)下次重新采集數(shù)據(jù)帶來(lái)方便，數(shù)據(jù)的清除也即把采集的數(shù)據(jù)變?yōu)榱悖钥梢园巡杉降臄?shù)據(jù)保存到一個(gè)簇，利用波形圖表的屬性節(jié)點(diǎn)給簇賦予零值，這樣就實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的清除。

（4）退出程序：利用“關(guān)閉文件”函數(shù)可以關(guān)閉指定的打開(kāi)文件，并且返回引用原來(lái)文件的位置。

2.4.4 采集系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

將電路系統(tǒng)連接通路后，計(jì)算機(jī)與兩路RS-232進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，運(yùn)行LabVIEW數(shù)據(jù)采集程序，首先兩個(gè)串口初始化綠色指示燈開(kāi)始閃爍，串口通信成功。接著在計(jì)算機(jī)任意處新建一個(gè).txt文檔，給文檔命名，并保存好。點(diǎn)擊“開(kāi)始采集”按鈕，開(kāi)始把數(shù)據(jù)寫入剛才建好的文檔，然后保存。這就完成了一次儀器對(duì)數(shù)據(jù)的完整記錄。如果想重新記錄一組數(shù)據(jù)的話，先點(diǎn)擊“清除波形”，然后再次重復(fù)以上的操作，就可再次成功記錄數(shù)據(jù)。以上操作就可以完成數(shù)據(jù)的接收校驗(yàn)、采集監(jiān)控、合并存儲(chǔ)等工作。

3.結(jié)論

本文用LabVIEW設(shè)計(jì)的測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)采集軟件，經(jīng)實(shí)踐證明各個(gè)模塊功能穩(wěn)定，能準(zhǔn)確采集井下系統(tǒng)上傳的數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)波形，并保存到.txt文檔，保存的數(shù)據(jù)可以通過(guò)保存的文本文檔再回放出來(lái)，前面板布局清楚明了，可直觀的檢測(cè)數(shù)據(jù)，憑借多次的實(shí)驗(yàn)測(cè)試，可以滿足工程上的需要。

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基金項(xiàng)目：國(guó)家973計(jì)劃資助項(xiàng)目（2011CB707001）;國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（61271292）。

作者簡(jiǎn)介：

董俊辰，西安石油大學(xué)在讀研究生，研究方向：精密儀器與機(jī)械。

李擁軍，中國(guó)石油測(cè)井有限公司生產(chǎn)測(cè)井中心高級(jí)工程師。