基于ARM控制的LWD地面監控系統研制與應用

馬文奎，陳中權，張真權，馬慧斌，安金剛，鄒繼華

(1.航天科工慣性技術有限公司　北京　100074; 2.中石油長城鉆探工程有限公司測井公司　遼寧　盤錦　124010)

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基于ARM控制的LWD地面監控系統研制與應用

馬文奎1，陳中權2，張真權2，馬慧斌1，安金剛1，鄒繼華1

(1.航天科工慣性技術有限公司北京100074; 2.中石油長城鉆探工程有限公司測井公司遼寧盤錦124010)

摘要:為解決LWD地面系統現場使用不便的問題，避免儀器操作者繁瑣疲勞，設計了一種地面監控系統。通過對地面監控系統功能要求的分析，制定了基于繼承性產品的最優設計方案。結合現場操作環境，選取了合適的ARM控制芯片及其他元器件，進行了數據采集部分、通斷電控制部分、電路保護部分、通信部分等電路的設計。根據地面監控系統軟件工作流程圖，基于自定的通訊協議格式，編寫了相應的代碼模塊，實現了嵌入式系統軟硬件的協同設計。實際應用結果表明，該系統控制、通信、保護裝置均運行正常，各項技術指標均達到設計要求，滿足了隨鉆測井中對井下儀器串監控的需要。

關鍵詞:ARM;監控系統;采集;保護;協議

0　引言

LWD電阻率鉆鋌在地面進行測試時，需要進行單總線通訊，以驗證電阻率短節的正常工作情況。舊式的電阻率測試儀使用較多的是地面主機和測試手柄(含單總線電路)，存在以下問題:

1)測試手柄位于井臺，環境較惡劣，手柄里的單總線電路易進水、泥漿等，存在隱患;在實際操作過程中，操作者需重點關注手柄等部件，易分散工作注意力;

2)測試線纜過長，整套系統工作后耗電流約0.7 A，會在100 m長線纜上產生7 V左右的壓降，供至系統電壓只有約17 V(實測值)，電壓低于系統設計最低供電電壓;

3)整套系統無儀器的供電電壓和電流顯示，在實際操作過程中無法判定儀器供電是否正常，增加電流和電壓指示，可以為現場操作者提供明顯的參考，用以指導操作;

4)在實際操作過程中，需要對儀器進行通斷電操作，現有的操作方式，需要關閉地面主機才能實現，但關閉地面主機重啟又需要較長時間，給現場操作帶來了較多不便。

為避免和解決諸多不便之處，研制開發了地面監控系統。作為LWD隨鉆測井的一個重要組成部分，在儀器下井前，可通過監控系統對井下系統儀器串進行測試，如儀器電壓是否正常，電流是否正常，通訊(收發數據)是否正常等等，并實現對故障異常情況的電路保護。各項指標的正確測試結果作為儀器串安全下井的必要條件，從而最大程度的保證井下儀器串工作的可靠性，節約施工時間和施工成本。

1　隨鉆測井地面監控系統的組成

根據隨鉆測井地面監控系統的功能要求，有兩個技術方案進行選擇。

1)增加地面主機功能

此方案的優點是系統組件物理組成少，系統相對簡化;缺點是現有地面主機內部空間過小，無處添加新的電路板和器件。

2)增加地面監控盒

將所有功能設計在地面監控盒內，盒子串接在信號轉接線纜(以下簡稱“短線纜”)中央。此方案的優點是不需對現有的系統進行改動，在現有產品的基礎上，重新設計實現相關功能的電路(軟硬件)，放置在監控盒內部，對外連接;另外，井臺上測試手柄內部有單總線電路，容易進水、泥漿等導致無法正常工作，把單總線電路移植到井房的監控盒后，可有效避免進水等問題。在井場的施工和使用上，只需在線纜上掛接一個小盒子，不會帶來不利因素。

由于第二種方案可以在現有長線纜和地面主機的基礎上使用，擴展性強，優化性強，且優點遠遠大于缺點，故采用此方案進行地面監控系統的設計。

隨鉆測井地面監控系統主要由PC機、司顯、井深、地面主機、地面監控盒、短線纜、200 m線纜盤等組成，組成框圖如圖1所示。

圖1　隨鉆測井地面監控系統組成框圖

系統的上位機采用筆記本電腦，操作系統為WINDOWS XP或WIN7，下位機為監控盒和地面主機。監控盒具備以下幾個功能:第一，地面監控盒的供電由地面主機供應，內置供電保護電路后輸送給井下儀器串;第二，監控盒連續不斷地采集供電電壓、供電電流等信息;第三，監控盒將采集到的參數以一定的通訊協議經地面主機轉發給PC機;第四，內置RS485－單總線轉換電路，將RS485信號載波到電力線上，使得系統可以直接通過一根單總線控制井下儀器串;第五，監控盒面板上具備電壓表顯示、指示燈供電指示、手動上電開關等。

系統中可通過200 m線纜盤實現線纜的延長，從而完成短距離和長距離兩種方式的可靠通信。井下儀器串的通斷電也可通過手動切換開關和PC機自動控制兩種方式實現。

2　地面監控系統硬件設計

根據隨鉆測井地面監控系統的需求，設計了地面監控盒的硬件原理框圖，如圖2所示。地面監控基于TI公司的ARM芯片LM3S8962［1］進行設計，分為電源變換部分、數據采集部分、通斷電控制部分、電路保護部分、通信部分、單總線轉換部分等。

圖2　地面監控盒硬件原理框圖

ARM芯片選用LM3S8962，是TI首款基于ARM?CortexTM－M3內核的控制器，尤其適合于工業控制。32位RISC指令集，256 KB單周期Flash，4個通用定時器模塊，2個完全可編程的16C550－type UART，極低功耗模式，高達7 個GPIO模塊，4通道10位ADC，100－pin小占位面積封裝。可通過JTAG接口完成對目標系統的配置，實時在線調試燒寫。內核供電電壓2.5 V，I/O供電電壓3.3 V，優先給內核供電。1個6 MHz晶振，可PLL至20 MHz。

2.1電源變換部分

輸入電壓為寬范圍21～32 V，為實現對內部芯片的供電。需要將輸入電壓轉換為5 V及3.3 V，同時實現一定的過壓、過流、短路保護。本設計采用LM2576開關型降壓穩壓器和AMS1117－3.3 LDO穩壓器來實現。同時采用磁珠實現數字供電和模擬供電的隔離。電源變換部分原理圖見圖3。

圖3　電源變換部分原理圖

2.2數據采集部分［2］

數據采集部分要求達到雙通道、0～3 V信號輸入。隨鉆測井實際工作時要求的采樣頻率并不高，1 s更新一次數據即可。電壓指示量程要求至少0～30 V，精度不低于±0.5 V。電流指示量程要求至少2 A，精度不低于0.1 A。ARM自帶的10 bit ADC采樣精度遠遠可以滿足要求。其自帶4個ADC輸入通道，具有500 MSPS高采樣速率、低功耗、高信噪比的特點。同時ARM硬件上可對多達64個采樣值進行平均計算，以便提高精度。軟件上，基于ARM的ADC模塊含有一個可編程的序列發生器，它可在無需控制器干涉的情況下對多個模擬輸入源進行采樣。4個可編程的采樣轉換序列，入口長度1到8，每個序列均帶有相應的轉換結果FIFO。每個采樣序列均對完全可配置的輸入源、觸發事件、中斷的產生和序列優先級提供靈活的編程。

電路連接使用2路單端輸入，中斷方式接收數據。采集電路分為采樣電壓和采樣電流兩個部分。采樣電壓部分用分壓電阻獲取小電壓模擬信號，經電壓跟隨器進行高低阻抗匹配后，進行一階濾波后送給ADC進行采集。同樣，采樣電流部分是通過在負載側串聯一個功率采樣電阻，經旁路電流監控器進行模擬監控放大，輸出經電壓跟隨器進行高低阻抗匹配后，進行一階濾波后送給ADC進行采集。為保證高精度，減少數字噪聲對模擬信號的影響，在電源輸入端加去耦電路，同時將數字信號、電源、地線分層布線，減少模擬信號干擾。電壓及電流采集前端原理圖如圖4所示。

圖4　電壓及電流采集前端原理圖

2.3通斷電控制部分

通斷電控制部分通過繼電器來實現。由于繼電器的線圈驅動需要至少89.3 mA電流，故在前端施加三極管驅動放大電路。通過ARM I/O口控制高低電平的輸出，實現繼電器輔助部分常開端和常閉端的切換，從而實現對負載的控制。同時可通過手動開關來實現對負載的開關電。通斷電控制部分原理圖如圖5所示。

圖5　通斷電控制部分原理圖

2.4保護部分［3］

保護部分通過自動智能檢測和熱保護來實現。自動智能檢測分兩部分，一是通電瞬間的過流保護。上位機發通信命令通過RS485總線傳遞給ARM，ARM通過控制I/O為高電平，繼電器動作使負載通電。當ADC模塊檢測到通電電流大于2 A時，ARM自動控制I/O為低電平，迅速使繼電器恢復默認狀態，切斷電源供電。二是運行中的過流保護。負載在正常供電期間，突然發生短路、低阻抗等情況時，ADC模塊檢測到運行電流大于2 A時，ARM也可通過控制I/O使得負載斷電，從而避免負載通過過大電流而出現異常、燒毀等情況。熱保護通過LM2576供電保護芯片實現，當以手動方式通電時，如果出現過載、短路等電流大于3 A的情況時，LM2576內部電路檢測到過熱后，會激活熱關斷功能，從而實現電流限制保護。

2.5通信部分

通信部分為RS485總線，按照自定的通信協議，下位機通過地面主機轉發與上位機PC機進行數據交互。ARM自身不帶RS485接口，本設計中通過RS485隔離芯片實現RS232與RS485總線的轉換。本設計中另具備RS485－單總線轉換電路，可通過電力載波與井下儀器串進行通信。RS485通信部分原理圖如圖6所示。

圖6　RS485通信部分原理圖

2.6單總線轉換部分［4］

地面監控盒除了使用RS485總線可以與井下儀器串進行數據交互外，還要通過單總線實現數據通信，即依據電壓疊加原理，將數據疊加在電力線的直流供電電壓上，實現載波通信。這樣的好處是電纜線束可以減小到一根，利用單芯屏蔽線纜即可實現對井下儀器串的檢測控制，減輕電纜重量，節省成本。單總線轉換框圖如圖7所示。其中，對于ASK調制解調，總線上有信號代表高電平，無信號代表低電平。調制解調、放大、濾波電路均由電源供電，最終的單總線信號疊加在電源線上。

3　地面監控系統軟件設計

地面監控系統的軟件流程圖［5］如圖8所示。

圖7　單總線轉換框圖

3.1協議格式

軟件中采用自定的通訊格式。計算機向其他設備發送的數據通訊格式為16字節幀頭，1字節接收方地址，1字節發送方地址，1字節命令字，1字節后續字節長度，若干字節數據，1字節校驗。校驗采用異或校驗方式。其他設備應答計算機命令的數據通訊格式與計算機向其他設備發送的數據通訊格式類似。

串口通訊設備地址定義為:計算機－46H，地面主機－4EH，儀器串監控盒－60H。

圖8　地面監控系統工作流程圖

命令字控制為3個，分別是連接儀器、控制繼電器通斷電命令、讀取儀器串電壓電流命令。

3.2連接命令

本功能說明: PC軟件運行后，須先選擇“通訊”菜單下的“連接儀器”，此時計算機向所有設備發出命令，以檢測各設備是否掛接，如設備返回數據異常或無返回，則計算機軟件中對應此設備的部分功能不可用。

3.3通斷電控制命令

上位機可通過監控盒實現儀器串的通斷電，同時監控盒將儀器串通電、斷電狀態信息傳送給上位機。監控盒回應數據不受機械開關狀態的影響。如上位機發命令控制儀器串斷電，監控盒回應相應數據，此后機械開關通電，監控盒不受任何影響。即自動上電和手動上電為并聯關系。

3.4讀取參數命令

連續采集給儀器串供電的電壓量和電流量，采集精度不低于指示表的精度。采集完的數據實時發送給上位機。電流和電壓滿量程均為0x3FFh(3 V)，采集的電壓量為原始值的1/10，電流值為原始值的1/20。在上位機界面中，把此信息量再還原為原始值供用戶觀測。

4　試驗結果

地面監控系統在川慶油田某井位進行了實際驗證。隨鉆測井儀器在下井前，不論是短線纜還是長線纜，手動控制或自動控制，監控系統均通斷電執行正確，電壓、電流指示無誤，RS485總線及單總線收發數據正常，具有很高的可靠性。當有短路、過載等異常情況發生時，監控盒能及時動作執行保護功能。同時本監控盒尺寸為173 mm×80 mm×58 mm，尺寸小巧，現場使用方便靈活。

5　結論

1)由于油田屬于復雜苛刻惡劣的環境，柴油發電機、泵機等電磁干擾嚴重，風雪雨霧雷電天氣照常作業、靜電干擾、浪涌現象都無法避免，本設計充分考慮了各種保護措施。

2)本系統電氣上采用了高性價比的ARM處理芯片，其片內集成了ADC、GPIO、RS232等外圍設備接口，具有低成本、低功耗、高性能、擴展性及冗余性強等特點。同時采用RS485總線與系統進行數據交互，節點擴展性強。結構上，盒體內部加裝密封圈，殼體對外不留縫隙，防水性強。ARM作為低功耗器件，保證了熱設計和供電衰減設計。總之，在功能滿足要求的前提下，電磁兼容、防水防雷防潮等均得到了滿足。

3)本設計優點是產品小巧堅固耐用，成本低，可靠性高，兼容性強，使用方便。現場運行結果說明，本儀器產品架構設計合理，系統運行穩定，測量參數準確，功能保護齊全，能夠滿足隨鉆測井中對井下儀器串監控的需要，可大量用于各大油田的隨鉆測井系統中，完成對現場儀器串(包括電阻率測試儀、中控短節、旋轉導向工具等)的測試。

參考文獻

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［5］李安宗，白巖.基于CPLD控制的隨鉆測井數據采集系統的設計［J］.測井技術，2010，34(3): 257－261.

Development and Application of LWD Ground Monitoring System Based on ARM Chip

MA Wenkui1，CHEN Zhongquan2，ZHANG Zhenquan2，MA Huibin1，AN Jingang1，ZOU Jihua1
(1.China Aerospace Science and Industrial inertial technology Company，Beijing 100074，China; 2.GWDC Drilling Company，Panjin，Liaoning 124010，China)

Abstract:A ground monitoring system was designed to solve the problem of locale inconveniences from LWD ground system operation and the problem of the operator's repeating and tiring work.The optimal scheme was designed based on the inheritable products through the analysis of requirement of ground monitoring system.Combing with the locale environment，selection was done with the ARM chip and other parts，then the design was accomplished by the schematics，which includes datum sampling part，power and break part，power protect part and corresponding part.According to the software process diagram of monitoring system，code modules was compiled based on user-defined corresponding protocol format，thus realized the cooperate design of embedded system.The result of actual application showed that the system controlling，corresponding，and protecting run normally，and the technical parameters meet the design qualification and the need of monitoring the downhole instrument string in LWD system.

Key words:ARM; monitoring system; sample; protect; protocol

(收稿日期:2015－02－11編輯:姜婷)

第一作者簡介:馬文奎，男，1984年生，碩士，工程師，2006年畢業于哈爾濱工程大學自動化專業，現在航天科工慣性技術有限公司從事隨鉆測井儀器的總體研發工作。E-mail: kidma666@ aliyun.com

中圖法分類號:TN914

文獻標識碼:A

文章編號:2096－0077(2016)01－0018－05