隨鉆測井儀時鐘控制模塊的設計及實現

馬文中，歷程軍，馬　寧，涂文榮

(大慶鉆探工程公司測井公司　黑龍江　大慶　163412)

?

·開發設計·

隨鉆測井儀時鐘控制模塊的設計及實現

馬文中，歷程軍，馬寧，涂文榮

(大慶鉆探工程公司測井公司黑龍江大慶163412)

摘要：介紹了一種以時鐘為核心的井下實時采集存儲的隨鉆控制模塊。該模塊能夠在時鐘控制下實現定時喚醒、定時采集、定時處理以及與LWD的傳輸等功能，滿足隨鉆井下儀器的通用控制采集要求，并可以進行擴展。該模塊已經應用于一種隨鉆聲波測井儀器的井下設計，現場試驗表明模塊工作穩定可靠。

關鍵詞：隨鉆測井；DSP；時鐘；定時喚醒

0引言

隨著現代測井技術的快速發展，隨鉆測井技術也逐步應用于現場服務中。由于系統限制了數據傳輸速度，隨鉆測井儀器無法把大量的測井數據實時送至地面系統。因此需要將測井數據先保存在存儲器中，以備后續處理。由于井下儀器與地面儀器無法實時雙向通訊，井下儀器記錄的數據只能以時間為單位進行存儲。本文介紹了一種以時鐘為引導的井下實時采集存儲的隨鉆控制模塊。已經應用于隨鉆聲波測井儀器的井下設計，實現了定時喚醒、定時采集、定時處理[1]以及與LWD系統傳輸等功能。

1模塊硬件設計

如圖1所示，井下電路以時鐘控制模塊為核心，按功能可分為以下幾個部分：時鐘控制單元、發射單元、采集單元[2]、數據存儲單元、LWD通信等。

圖1　井下電路框圖

井下電路主要完成聲波信號的發射、接收采集、存儲以及傳輸功能。地面系統通過CAN總線將命令參數表下發到井下儀器的控制模塊，控制模塊收到的命令參數表進行保存，后續測井過程將用這些命令參數對其他單元進行控制。命令參數表中一個重要參數就是時鐘喚醒時間，時鐘將在規定時間喚醒其他單元，啟動一輪工作循環?？刂颇K對發射單元的控制主要是發射的時間間隔控制，同時根據命令參數設置采集單元的采樣的時機、采樣的長度、采樣密度等，數據采集完成之后要將采集到的數據存儲到存儲器陣列當中，以備測井完成后讀取。一個測井循環完成之后，井下電路將進入休眠狀態，只有時鐘芯片工作，在規定時間到來時，時鐘再一次喚醒其他單元，啟動新一輪循環。

1.1時鐘控制模塊總體設計

時鐘控制模塊主要由主控芯片DSPVC5509、時鐘芯片PCF8583、電源、晶振組成，如圖2所示。

圖2　時鐘控制模塊電路框圖

時鐘模塊的核心芯片PCF8583是PHILIPS公司推出的帶有256×8bit RAM的8引腳日歷/時鐘芯片。該芯片電壓為2.5～6 V；具有I2C兩線串行總線接口、串行總線接口,內含完整的振蕩、分頻、上電復位電路,并具備計時、日歷、定時、鬧鐘和中斷輸出功能。芯片由扭扣電池供電，工作時鐘是32.768 kHz。當設定的時間到來時，PCF8583給DSP和電源管理模塊提供一個中斷信號啟動電源，對電源的控制通過SPI總線完成，時序如圖3所示。主控、采集、存儲單元上電之后進入工作模式；主控芯片讀取參數表，根據參數表控制發射、采集和存儲各單元工作，發射單元按照設定的時間間隔發射，采集單元將接收到的信號進行采集。DSPVC5509通過I/O口設定采樣長度、采樣密度等參數，采集完成之后，DSPVC5509將采集數據存放到存儲器中，以備測井完成后讀取。一個工作循環完成后，時鐘控制模塊除時鐘芯片PCF8583外都進入休眠模式，時鐘芯片PCF8583由電池供電，進入值班模式[3]。

圖3　時鐘模塊對電源控制時序圖

1.2時鐘控制模塊接口設計

1.2.1與LWD接口

在儀器開始測量后，需要通過與LWD的通訊上傳少量的實時數據，時鐘控制模塊與LWD的通訊由LWD發起，LWD給井下儀器發出一個通訊請求中斷，時鐘控制模塊接到中斷命令后，把上次采集并計算完畢的數據發送給LWD，LWD把當前數據通過泥漿傳輸系統送到地面系統中，完成一次當前深度下的數據實時接收。

1.2.2與地面接口

控制模塊與地面系統之間數據傳輸是通過高速485芯片完成的，接口電路除了高速485芯片，還包括電纜驅動器電路及其他附屬電路，如圖4所示。

圖4　與地面接口電路

高速485芯片工作原理與普通485芯片相同，采用差分方式，傳輸速率和驅動能力都很強，且編程、控制簡單實用。主控DSPVC5509通過UART2接口控制其與地面設備通信，其數據傳輸位速率為5 Mbps。當插入數據通信電纜時，DSPVC5509自動識別、自動接通。

1.3時鐘控制模塊控制過程

1.3.1數據采集控制[2，4]

數據采集電路由AD7656芯片及其附屬電路組成，如圖5所示。

圖5　數據采集電路

AD7656芯片共有6個獨立的ADC通道，最大轉換速度250 kSPS；與控制器的接口模式有高速并行、串行和菊花鏈三種方式。本設計中使用4個ADC通道，為提高采集速度，采用16位數據并行模式連接。在A/D轉換過程中，DSPVC5509發出采集命令，然后使用外部中斷int1判斷AD7656的BUSY信號，一旦采集數據完成，DSPVC5509立即進入中斷，及時讀取A/D數據并啟動下一次采集；采集完成后進行數據整形濾波計算等處理[1]；最后把處理結果及原始數據存儲到井下存儲器中，等待下一次工作循環。

1.3.2發射控制

時鐘控制模塊通過UART2端口對發射單元進行控制。發射單元設計時在傳統發射電路的基礎上增加了控制芯片，不僅使主控對發射單元的控制更加靈活，同時可以將發射脈沖等信息傳送回主控模塊，必要時可存儲或上傳發射單元的工作狀態。

發射控制包括發射方式選擇、傳感器切換、發射脈沖寬度設定；主控DSPVC5509將命令信息通過UART2端口傳送到發射電路上的控制芯片，控制芯片解析命令后，通過I/O端口對發射進行控制，比如發射方式是1、3傳感器組合，發射脈沖寬度選擇。

2模塊軟件設計

DSPVC5509的主程序流程如圖6所示[5]。在程序中設置一個參數表，存放著儀器的一組工作參數，地面設備通過458總線可以方便地改變參數表的內容，以適應隨鉆測井儀的各種需求。DSP主程序首先完成外設及端口等的初始化，之后等待接收來自地面的命令，把命令參數表保存在時鐘控制模塊的存儲器中，時鐘芯片隨即處于待命狀態，當來到預定的時間，則開啟一個工作循環，包括：電源上電、啟動發射、啟動采集、數據存儲。

圖6　主程序流程圖

DSPVC5509程序使用CCS(Code Composer Studio)軟件開發平臺完成，CCS提供了配置、建立、調試、跟蹤和分析程序的工具，便于實時、嵌入式信號處理程序的編制和測試，它能加速開發進程，提高工作效率。

主程序等待設定時間及啟動工作循環部分代碼：

if(RtcOkFlag==1)

{

RtcOkFlag=0;

Ad_Timer();

if(Adr_WrB>4095)

{

gotocom_0;

}else

{

}

Ad_Flash();

Buff=writeSPI2(T_SONIC);

T_SONIC++;

}

接收地面命令部分代碼如下：

void __attribute__ ((interrupt,no_auto_psv)) _U1RXInterrupt(void)

{

unsigned char uri;

IFS0bits.U1RXIF = 0;

if(URDataNum <40)

{

URBuf_Byte[URDataNum] = U1RXREG;

}

Else

{

uri = U1RXREG;

asm("nop");

}

URDataNum++;

if((U1STA &0x0001) == 0x0001)

{

goto MORE_DATA;

}

if((U1STA &0x0002) == 0x0002)

{

U1STA = U1STA &0xFFFD;

}

T4CONbits.TON=0;

PR4 = 24;

TMR4=0;

T4CONbits.TON=1;

}

3結束語

該時鐘控制模塊以時鐘芯片為核心，實現了隨鉆測井儀定時啟動工作、高速數據采集、大容量數據存儲、高速數據傳輸等功能,已經成功應用于一種隨鉆井下儀器的設計。大量室內試驗及6口井的現場試驗表明，整個設計符合隨鉆測井儀測量、傳輸以及低功耗的要求，在實際測量過程中，運行穩定可靠。

參 考 文 獻

[1] 盧俊強，鞠小東，喬文孝，等.數字信號處理器在隨鉆聲波測井儀中的應用[J].測井技術,2013,37(5):527-530.

[2] 韓海力，鞠小東，李會銀，等.基于USB的測井脈沖采集系統設計與實現[J].石油儀器,2005,19(3)19(3):4-7.

[3] Texas Instruments.TMS320F28X DSP Serial Communication Interface (SCI) Reference Guide[Z].2003.

[4] 蘇奎峰，蔡昭權.TMS320X281X DSP應用系統設計[M].北京：北京航空航天大學出版社，2008：269-282.

[5] 奧沙那，鄭紅.嵌入式實時系統的DSP軟件開發技術[M].北京：北京航空航天大學出版社，2011：187-210.

Design and Realization of a Clock Control Module in a LWD Tool

MA Wenzhong,LI Chengjun,MA Ning,TU Wenrong

(Well Logging Company,Daqing Drilling and Exploration Corporation,Daqing,Heilongjiang 163412,China)

Abstract：A control module of LWD tool based on a clock-chip is introduced.The module can realize the functions including timed wake,timed acquisition,timed data processing,and data transmission with LWD,which can meet the requirement of general control and data acquisition,and it is possible to expand the module’s function in the future.The module has been used in a LWD sonic logging tool,which showed that it can work stably and reliably.

Key words：logging while drilling;DSP;clock;timed wake

第一作者簡介：馬文中，男，1966年生，高級工程師，1989年畢業于電子科技大學計算機專業，在大慶鉆探工程公司測井公司從事測井儀器的研發工作。E-mail:tuwr@cnpc.com.cn

中圖法分類號：TN919

文獻標識碼：A

文章編號：2096-0077(2016)03-0018-03

(收稿日期：2015-08-18編輯：姜婷)