基于單片機的測井絞車面板設計

曾自強，張雄輝

(川慶鉆探測井公司　重慶　400021)

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基于單片機的測井絞車面板設計

曾自強，張雄輝

(川慶鉆探測井公司重慶400021)

摘要:為了減少誤差，獲取準確的深度值，并提醒操作人員及時停車射孔，設計了一種基于單片機的絞車面板。該面板以C8051F021單片機為核心，對深度和張力信號進行模塊化處理，然后以LED的方式顯示深度、速度、張力、差分張力和倒計時，其中深度顯示范圍為9 999.99 m，分辨率為10 mm，具有結構簡單、可靠性高、精度高等特點，滿足了工作需求，并給出了相關的電路原理圖。

關鍵詞:C8051F021;單片機;深度信號;張力信號

0　引言

在石油測井作業中，絞車面板起著至關重要的作用，不僅要求能夠準確的為絞車操作人員提供下井儀器的深度、速度、張力、差分張力等基本信息，以確保施工安全和正常施工，還要求絞車面板能夠與地面系統進行通訊，將數據傳遞給地面測井軟件，進行存儲、顯示，輔助測井曲線，確保測井資料的準確獲取。

單片機具有體積小、集成度高、能耗低和成本低等優點［1］，已廣泛應用于工業控制和智能儀器儀表中。單片機的指令系統豐富，可以根據控制要求設計相應的功能，重要的是可以通過軟件方法代替部分硬件功能，極大的擴展單片機的功能。

本文介紹以C8051F021單片機為核心的控制單元，結合MAX7219多功能顯示驅動芯片驅動LED數碼管，以少量的驅動電路和分立元件實現了測井絞車張力、速度和深度數據的測量及顯示。

1　總體設計

測井絞車面板框圖如圖1所示。

圖1　測井絞車面板框圖

馬丁代克深度脈沖信號經過深度信號處理單元送入單片機單元進行采集，井口張力計張力信號經過張力信號處理單元也送入單片機單元進行采集，單片機單元將采集到的信號進行計算和處理，并將深度及張力信號等送入絞車面板顯示單元進行顯示，同時主機采集箱通過RS485接口和絞車面板進行串行數據通訊。

2　深度信號處理單元

2.1增量式光電編碼信號［2，3］

增量式光電編碼器是目前測井中普遍使用的測量深度和速度的傳感器件，它的特點是每產生一個脈沖信號就對應于一個增量位移，輸出脈沖數與位移量成正比關系。當測井電纜上提下放時，電纜帶動光電編碼器旋轉，產生A、B兩路相位相差90°的脈沖信號。下放時正轉A超前B為90°，上提時反轉B超前A為90°，通過對脈沖信號進行計數就可以得到絞車深度，而單位時間內的脈沖數所對應的電纜長度即為絞車速度。目前所使用的編碼輪旋轉一周的長度是0.768 m，對應983個脈沖，所以1 280個脈沖對應1 m。

2.2深度信號處理電路

深度信號處理電路原理如圖2所示。

圖2　深度處理電路原理圖

馬丁代克脈沖信號首先進入整形單元進行整形，然后送入四選一數據選擇器對信號進行選擇，再送入防抖電路。當電纜發生抖動時，A、B兩路深度信號會出現只有一路信號的情況，這時判向電路會失去判向功能從而使深度計數出現誤差，防抖電路的作用就是避免這種情況的發生。

判向電路根據A、B深度信號的相位甄別出電纜的方向電平，當A信號相位超前B信號相位90°時輸出高電平，當B信號相位超前A信號相位90°時輸出低電平，輸出做為判向信號輸入單片機處理單元，判向波形如圖3所示。

圖3　判向波形圖

二倍頻電路，將A、B兩路深度信號異或后生成二倍頻脈沖，倍頻電路波形圖如圖4所示。

圖4　倍頻電路波形圖

倍頻脈沖經計數器4分頻后做為深度信號送入單片機處理單元，由單片機根據每米對應的脈沖數計算出深度值。

3　張力信號處理單元

張力信號處理單元由三部分組成:第一級差分放大器、第二級主放大器和差分張力信號處理通道組成，如圖5所示。

圖5　張力信號處理單元

張力信號一般是電橋信號，所以第一級用高精度差分放大器將其轉為單端信號。第二級主放大電路，有兩個電位器可調節張力增益的大小和張力零點。

差分張力指示的是張力的變化量。當卸放開關閉合時，通過卸放電阻使差分張力復零。通過一滑動變阻調節差分張力通道的基值，通常為1.25 V。

4　單片機單元

4.1C8051F021單片機簡介

微控制器C8051F021是完全集成的混合信號系統級芯片，具有與8051兼容的微控制器內核，與MCS－51指令集完全兼容，可用Keil C高級語言開發。C8051F021具有8路12位ADC和2路12位DAC;片內電源監視、時鐘、串行總線、外部中斷源;可編程I/O口;其串口幾乎覆蓋了全部串口通訊標準;4 352Kb的RAM，64KbFALSH存儲器［4］。片內JTAG調試支持功能允許使用安裝在最終應用系統上的產品MCU進行在系統調試。該調試系統支持觀察和修改存儲器和寄存器，支持斷點、單步、運行和停機命令。在使用JTAG調試時，所有的模擬和數字外設都可全功能運行。

4.2C8051F021單片機處理單元

C8051F021單片機做為絞車面板的處理核心，具有以下幾個功能:

1)處理深度脈沖和方向電平。單片機發出控制信號進入選擇器，對三組輸入信號進行選擇。處理后的深度脈沖送入單片機的INT0腳，方向電平送入INT1腳，由單片機根據每米對應的脈沖數計算出深度值、速度值并將其送往顯示單元顯示。

2)張力和差分張力信號分別進入單片機本身的12 位A/D通道對其對進行采樣，換算后送往顯示單元顯示。

3)和主機通過RS485進行通訊，接收主機的各種控制命令，同時利用總線將深度、張力數據送往主機采集機箱。

5　顯示單元

顯示控制單元接收單片機送來的深度、速度、張力、差分張力和射孔深度倒計數信號，并在絞車面板上進行顯示，同時絞車操作員可以通過按鍵控制絞車面板。

本單元的基本處理電路是MAX7219集成電路，如圖6所示。MAX7219顯示驅動芯片是MAXIM公司生產的7段共陰極LED數碼管的驅動芯片［5］，它可以驅動八個數碼管或者64段單獨的發光二極管，由SPI三線串口控制，即數據、時鐘和鎖存控制信號，具有控制方便、亮度可調，節電等優點。

圖6　MAX7219驅動電路

6　結論

本文以C8051F021單片機為核心實現了深度、速度、張力和差分張力的數碼管顯示，測量值穩定，精度高，最大測量深度范圍9 999.99 m，深度分辨率為1 cm，加入了防抖電路，解決了因為電纜抖動而造成的深度誤差，最大速度測量范圍9 999.99 m/h，最高測速為5 000 m/h。在射孔時，能夠以數碼管顯示倒計數，提示絞車操作人員及時停車進行射孔。絞車面板模塊化設計，結構簡單，硬件少，故障率低，易維修，在實際測井射孔應用中，取得了很好的效果。

參考文獻

［1］李軍，蔡風波，唐振歡.馬丁代克編碼器深度系統改造［J］.石油儀器，2007，21(6): 92－94.

［2］高建民，肖圣，宋永茂.單片機在測井絞車深度面板設計中的應用［J］.石油儀器，2007，21(4): 78－80.

［3］陳麗娟，任家富，張濤.測井絞車深度與速度測量系統設計［J］.中國集成電路應用，2013，22(3): 87－90.

［4］張懷強，邢海霞，周建斌，等.基于C8051F020單片機的數據采集與串口通訊的應用［J］.邢臺職業技術學院學報，2006，23(5): 52－64.

［5］李長安，李志勇，趙玲，等.基于MAX7219芯片的大尺寸LED數碼顯示驅動電路設計［J］.電子設計工程，2011，19(5): 190－192.

The Design of Logging Winch Panel Based on Microcomputer

ZENG Ziqiang，ZHANG Xionghui
(Chuanqing Drilling Logging Company，Chong qing，400021，China)

Abstract:In order to reduce the numerical error，obtain the accurate depth value and remind the operator to stop in time，this paper design a winch panel based on microcomputer.This winch panel uses C8051F021 microcomputer as the core，which can process depth signal and tension signal，and display the depth、speed、tension、differential tension in LED，among them，the displayed depth range is 9999.99 meters，resolution is 1 centimeter.It is proved that the system structure is simple，high reliability，high precision，and satisfied the requirements，finally，the schematic circuit diagram is provided.

Key words:C8051F021; microcomputer; depth signal; tension signal

(收稿日期:2014－12－08編輯:韓德林)

第一作者簡介:曾自強，男，1979年生，工程師，2005年畢業于西安石油大學測控技術及儀器專業，現在川慶鉆探測井公司從事儀器維修工作。E-mail: zzq-8848@163.com

中圖法分類號:P631.8+1

文獻標識碼:A

文章編號:2096－0077(2016)01－0023－03