基于PIC的井下數據采集與大容量存儲系統設計

劉西安，陳 萍

（西安石油大學電子工程學院 陜西 西安 710065）

基于PIC的井下數據采集與大容量存儲系統設計

劉西安，陳 萍

（西安石油大學電子工程學院 陜西 西安 710065）

在旋轉導向鉆井技術的研究中，針對隨鉆測井過程中測井數據實時大容量存儲的需求，本文設計了一個適應井下高溫環境要求的近鉆頭隨鉆測量井下工況數據采集與大容量存儲的單片機系統，該系統選用Nand Flash作為存儲介質，采用dsPIC33FJ128數字信號控制器為主控芯片，進行數據的采集與存儲，完成了軟硬件系統的設計及實現。該系統能夠適應于井下的高溫環境，滿足井下傳感器信號采集與大容量存儲的需要，對隨鉆測井具有重要的實用價值。

井下數據采集；PIC；大容量存儲；Nand Flash；高溫

1 引言

旋轉導向鉆井技術是在20世紀90年代初開發的一種新型的自動化鉆井技術[1]，不僅提高了鉆進速度、減少了事故，而且降低了鉆井成本。旋轉導向鉆井工具在鉆井過程中，井下鉆探傳感器輸出的信號，被采集到通過泥漿或無線電波傳輸到地面[3]，但泥漿和無線電波的傳輸速率都比較慢，由于鉆井工具工作時間長，隨鉆傳感器采集的數據量大，數據從井下到地面的傳輸速率較低，易致大量的井下參數數據丟失，因此需要將測量的數據存儲在大容量內存中，待PC讀出后進行工程技術數據分析。但是在井下鉆進過程中，由于振動、溫度等原因的影響，目前市面上常用的磁盤、硬盤、U盤、TF卡等存儲器都不能夠滿足井下工作環境下要求。

針對上述工程實際問題，本文設計了一個適應井下高溫環境要求的近鉆頭隨鉆測量井下工況數據采集與大容量存儲的單片機系統，該系統選用Nand Flash作為存儲介質，采用dsPIC33FJ128數字信號控制器為主控芯片，進行數據的采集與存儲，完成了軟硬件系統的設計及實現，在存儲容量和使用壽命方面，比使用EEPROM作為井下存儲設備的存儲介質更好。該系統能夠適應于井下的高溫環境，滿足井下傳感器信號采集與大容量存儲的需要，對隨鉆測井具有重要的實用價值。

2 系統組成

本系統設計的井下數據采集與大容量存儲系統是相對獨立的模塊，可嵌入智能傳感器主控電路，將傳感器采集的數據進行存儲，特別是當傳感器數據需要單獨的高速實時存儲，如三軸加速度采集、兩軸振動采集、陀螺儀轉速采集等。

本系統以16位dsPIC33FJ128MC804單片機為控制核心，將各個傳感器采集的電壓信號，經過信號調理電路，通過集成在單片機內部的A/D模塊采集電壓信號，然后將這些電壓信號轉換成數字量，直接緩存到單片機的DMA模塊的緩沖區中，完成快速讀取，然后把DMA緩沖區中的數據存儲于大容量的Nand Flash，結果將各個傳感器采集的大量數據都保存起來，待起鉆后用PC機中的上位機將數據讀出，以供工程技術人員進行詳細分析。系統原理框圖如圖1所示。

圖1 系統原理框圖

3 Nand Flash存儲器

3.1 Nand Flash分類

閃存是一種非易失性存儲設備，作為快速且安全的存儲介質，具有掉電后數據不丟失、成本低、容量大、體積小等一系列特點。從存儲容量來看，Nand Flash有大容量與小容量之分，大容量即每頁（2048+64）字節，小容量即每頁（512+16）字節。從存儲單元來看，Nand Flash又有SLC（Single Level Cell單層單元）架構 與MLC（Multi Level Cell多層單元）架構之分。SLC具有容量小、成本高、速度快等特點，而MLC特點是容量大、成本低、速度相對于SLC較慢。單層單元閃存技術是在Nand Flash的每個存儲單元里存儲1個bit的信息，這樣就可以將數據一位一位地儲存在閃存的每一個單元里，這種單層式存儲技術可以快速地進行程序編程與讀取。MLC就是在Nand Flash中的單個存儲單元可以存儲多個bit信息，通過不同電位的電荷，經過存儲單元儲存格的不同電壓精確控制，存儲成不同的數據。也就是說，一個存儲單元存儲多個bit，常見MLC架構的Nand Flash中每個存儲單元可存放2個bit，其容量等于SLC架構芯片的兩倍。由于其大容量和價格優勢，MLC有著良好的應用前景。

3.2 Nand Flash結構

考慮到井下工作環境的特殊性，Nand Flash用來保存大容量的數據，本系統采用三星公司的大容量MLC架構的Nand Flash存儲器芯片K9K8G08U0A，此芯片供電電壓范圍是2.7～3.6V，總的容量是（1G+32M）*8位，其中，數據區為1G字節，信息區為32M字節，頁緩存為（2K+64）字節。對于Nand Flash的組織，使用層次結構的整體結構，以頁為最小單位，頁大小為（2K+64）字節，Nand Flash是以頁為單位進行編程和讀操作的；一個塊是由64頁構成的，其大小為（128K+4K）字節，Nand Flash是以塊為單位進行擦除的；此Nand Flash芯片由8192個塊組成。

4 硬件電路設計

4.1 主控芯片電路設計

選用Microchip的微控制器dsPIC33FJ128MC804-H/PT(簡稱MC804)為主控芯片，此芯片最高工作溫度達+150℃[4]，外設資源豐富，引腳有映射功能可以靈活使用外設，主控芯片電路原理圖如圖2所示。

圖2 主控芯片電路原理圖

MC804的輸入電源為3.3V。在150℃下，CPU最高工作速度為40MIPS，此時工作電流為60mA左右。dsPIC33FJ系列芯片為DSC類型MCU，內部集成DSP單元，具有微控制器對I/0的控制能力和DSP強大的計算能力。核心芯片可以采集井下6路模擬信號，對井下模擬信號進行A/D轉換為數字信號；使用RC口的低8位與Nand Flash的8位數據I/O端口對應相連接，從而實現井下數據存儲功能。

4.2 Nand Flash接口電路設計

Nand Flash存儲器芯片接口電路，如圖3所示。

圖3 Nand Flash接口電路

該系統選用三星公司的Nand Flash型K9K8G08U0A芯片作為存儲器件，本Flash供電電壓是3.3V，工作溫度是-40℃～+125℃[5]。其I/O端口是一個8位通用數據地址線，可用作為命令的輸入或地址的輸入，還可用作數據的輸入/輸出。分別將Nand Flash芯片的8個通用I/O端口與MC804的RC口的RC0～RC7端口相應連接，與單片機進行并行通訊，用于輸入地址/數據/命令，輸出數據，這種復用形式節省了單片機硬件端口資源。它的各個控制使能端，與MC804主控芯片的RA口、RB口相應引腳相連接。從而實現MC804對Nand Flash芯片讀、寫、擦除、檢驗等操作，進而實現井下大量數據的可靠存儲。

5 結語

該數據采集存儲系統選用的主控芯片和存儲器芯片都具有耐高溫、低成本、小體積、數據傳輸速度快等優點，尤其是存儲器芯片K9K8G08U0A容量大、功耗低、易于讀寫等特點，可以很好地適應井下高溫環境，其并行數據/地址復用端口與主控芯片相應通用端口的硬件連接，節省了主控芯片的端口資源，提高了系統存儲時間。完成了通過MC804對該Flash芯片的讀寫擦除等操作程序，在該存儲芯片沒有壞塊情況下，完成了讀該Flash芯片ID，連續塊擦除、頁寫、頁讀等程序的開發，程序均能可靠正確執行，同時內嵌了ECC算法，實現了高速數據實時可靠存儲的功能。所選用的電子元件工作溫度均達到或超過125℃，系統可適應井下高溫環境，滿足井下鉆井儀器設備對井下數據大容量存儲的要求。

[1]狄勤豐，張紹槐.旋轉導向鉆井系統測量技術研究[J].石油鉆探技術,1998,26(2):50-53.

[2]李松林，蘇義腦，董海平.美國自動旋轉導向鉆井工具結構原理及特點[J].國外石油機械，2000,28(1):42-55.

[3]牛林林.隨鉆測井的數據傳輸[J].國外測井技術,2009,174(12):7-9.

[4] Microchip Technology, Inc. dsPIC33FJXXXMCX02/X04 DataSheet (04/18/2011)[Z]. http://ww1.microchip.com/downloads/cn/DeviceDoc/70291b_cn.pdf, 2011.

[5] http://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/139792/SAMSUNG/K9K8G08U0A.html

TP274.2 【文獻標識碼】A 【文章編號】1009-5624（2018）01-0239-03

西安石油大學研究生創新與實踐能力培養項目資助（YCS17123012）

劉西安（1989-）男，漢族，陜西省咸陽人，西安石油大學碩士研究生在讀，研究方向：油氣井井下測控技術。