基于DSP便攜式數控測井系統的設計

　1 引言

　　國內常規的數控測井系統都是大型車載式機柜系統，功能強．硬件配置齊全，能夠滿足各種測井作業的需要。但是由于這類數控測井系統體積龐大、價格昂貴，不適于海洋石油的測井作業．同時由于我國測井業的實際，老式測井車服役所占比例較高，而其所提供的空間有限不能容納機柜式數控測井系統。所以研制功能完善，體積小巧的便攜式數控測井地面系統已經成為油田測井行業的急切需求。

　　在生產測井過程當中，為滿足油田的實際生產需要，往往需要實時檢測套管井的井下壓力、溫度、流量、含水量、自然伽馬等多個參數，本文給出一種基于DSP的便攜式數控測井系統設計方案。

　　這里介紹系統的整體結構及地面系統中數據處理模塊硬件電路設計，交給出軟件設計流程。該地面系統可與常規的井下儀器掛接，完成相應的測井任務，同時大大提高系統數據傳輸能力，系統內部總線采用CAN接口協議，外部總體采用USB接口協議，從而明顯改善常規測井系統的數據傳輸瓶頸。另外，系統也充分利用DSP的高速數據處理能力，構建一個高速的數據處理平臺，滿足測井信號實時處理的要求。

　　2 系統總體設計方案

　　為減小整個系統的體積，并提高系統的數據傳輸速率和實時性，該地面系統采用模塊化的設計方法，主要包括供電電源模塊、信號分離模塊、數據處理模塊，數據通信模塊及上位機的監控軟件組成，圖l為系統硬件設計原理框架。

　　通過測井電纜上傳的測井信號，在數據處理模塊的控制下完成相應的信號分離及通道切換，并將處理后的信號按照模擬、數字及編碼形式，通過相應的傳輸通道傳送給數據處理模塊進行數據分析處理，并利用MAX7219驅動數碼管完成相關參數的顯示。為提高數據的實時分析處理能力，數據處理模塊采用基于主從式架構的雙DSP實現，其中主機部分利用DSP完成與PC機的USB口通信、模擬信號的分析處理操作及外擴接口板的控制及數據交換工作；從機部分則利用DSP完成對編碼信號、脈沖信號的分析處理。數據處理模塊內部的系統總線是基于CAN2．OB協議的CAN通信總線，其系統外部總線則采用USB協議。當數據處理模塊完成信號的分析處理操作之后，系統便將相關結果通過USB總線傳送給監控軟件的數據庫，PC機根據這些處理結果擬制出相應的測井曲線，并打印出結果報表。圖2給出數據處理模塊的硬件設計框圖。

　　3 系統硬件設計

　　3．1 數字信號處理器簡介

　　CPU采用TI公司的面向控制領域的高性能定點TMS320F2812型DSP。該器件采用改進的哈佛總線結構，片內共6條總線(3條地址總線，3條數據總線)，指令執行采用8級流水線結構，帶有片上MAC單元，最高工作頻率150 MHz。其內部集成2個事件管理單元、1個12位的A/D轉換器、2個SCI口，1個CAN控制器等片內外設．同時具有128 KB的Flash程序存儲器，18 KB的RAM數據操作空間。由此可見，該器件是一款功能強大的DSP，是系統設計的核心。

　　3．2 CAN通信接口電路

　　傳統的數據通信接口通常采用EPP并口方式實現，這樣雖能提高數據的處理速度。但易于引入外界干擾．同時不利縮小PCB制板面積且布線復雜。基于以上考慮，本系統設計采用CAN2．OB協議完成整個系統內部總線設計，其硬件電路由TMS320F2812、CAN總線收發器SN75LBC031構成，如圖3所示。其中引腳CANRX和引腳CANTX是DSP的內部CAN控制模塊的接收、發送端，其內部CAN控制器完全符合CAN2．OB規范、ISOll898—1標準。總線數據傳輸速率可以達到1 Mb／s，保證系統內部總線可靠、高速地進行數據通信。

　　3．3 USB通信接口電路

　　USB通信接口電路主要由TMS320F2812和CH375構成，如圖4所示。引腳RXD和TXD是DSP內部的SCI模塊的接收、發送引腳：引腳CS和INT連接到DSP的GPIO接口，用作該器件的控制線；XPl是USB端口，它包括一對5 V的電源線和一對數據信號線，該總線可提供500 mA的電流驅動能力。系統設計中，使CH375工作于串口方式，從而減少器件外圍的PCB布線，提高系統的抗干擾能力。

　　3．4 模擬信號調理電路

　　測井儀上傳的接箍信號、磁定位信號等都是模擬信號，其幅度變化范圍為一lO~+10V。為了盡量恢復原始的模擬信號，滿足不同的測量要求，需對模擬信號進行相應調理，使送入ADS8507的輸入信號既不超過其輸入閾值，又保證一定的幅度，提高A／D轉換精度。該系統利用TL084完成模擬信號的放大、濾波，如圖5所示，其中Uin為井下儀器上傳的模擬信號，Uout為通過模擬信號調理電路后的輸出信號。該輸出信號通過可編程的放大器PGA204處理后，送給ADS8507完成A/D轉換操作。

　3．5 數字信號預處理電路

　　數控測井系統待處理的數字信號包括脈沖信號及編碼信號兩大類。其中脈沖信號主要源于自然伽馬測井儀及多臂井徑儀，其頻率范圍在400 kHz以內，窄脈沖寬度l～250μs。圖6為脈沖信號預處理電路，Vin為輸入脈沖信號，Vout為輸出信號。編碼信號主要源于組合式測井儀器，通常采用曼徹斯特II碼，其典型的傳輸速率為5．7292 kB／s。由于這兩類信號均屬于數字信號，其預處理電路類似。數字信號經過電平轉換器74HCT244后，送至DSP的EV單元進行相關處理。

　　4 系統軟件設計

　　系統軟件開發平臺采用TI公司的CCS3.3(Code Composer Studio)，利用CCS自帶的DSP／BIOS實時操作系統進行設計。通過使用DSP／BIOS提供的標準API接口，用戶可快速開發滿足實時性要求的多任務應用程序。由于引入實時操作系統，所以在軟件設計時采用層次化的設計思想，系統軟件包括：硬件驅動層、操作系統層及應用程序層。其中，硬件驅動層負責與硬件有關的各個模塊及外圍相關硬件電路的驅動程序設計；操作系統層利用DSP／BIOS完成進程調度、內存管理、資源分配等操作；應用程序層則是利用操作系統層提供的API接口函數，完成系統應用軟件程序的編寫工作，實現硬件無關性。

　　系統軟件設計采用C語言編寫，其流程如圖7所示。系統上電后，程序首先執行DSP的初始化和DSP／BIOS的初始化操作，然后啟動實時操作系統，之后便由該操作系統完成進程的調度操作，實現不同任務之問的切換。由于采用實時操作系統，所以系統運行時的穩定性和可靠性得到明顯提高，便于軟件代碼的復用及移植操作，易于系統軟件的維護與升級。

　　5 實驗結果

　　數控系統與井下設備之間的信號傳輸采用電纜完成，長度為5 000~7 000 m，在長線傳輸過程中，由于分布電容及纜芯本身的電阻影響，信號特性必然損失。為真實反映實際信號，利用一個阻容網絡構成電纜模擬器，取電阻R=24Ω，電容C=0．033μF，模擬7 000 m的同軸電纜，如圖8所示。

　　假定井下儀器以曼徹斯特II碼的形式將信號上傳至數控系統時，該信號已產生一定程度失真，此時系統會對已失真的信號進行相應的處理，提取編碼信號的特征信息，以窄脈沖的形式送給DSP進行相關處理，如圖9所示。試驗結果表明，數控系統可準確再現數字信號的特征信息，利用系統軟件正確識別數據。

　　6 結論

　　針對大型數控測井系統體積龐大、價格昂貴這一現狀，提出便攜式數控測井地面系統的總體設計方案，并著重論述了地面系統中數據處理部分硬件電路設計。由于系統軟件是基于DSP／BIOS架構，從而明顯提高了系統的集成度，降低了整機的功耗。該系統已研制出原理樣機，通過實驗測試。達到了預期的效果，為批量生產打下基礎。