基于ARM的聲波測井儀發(fā)射聲系測試方法研究

盧俊強,鞠曉東,門百永,吳文河

(中國石油大學(xué)油氣資源與探測國家重點實驗室,北京102249)

基于ARM的聲波測井儀發(fā)射聲系測試方法研究

盧俊強,鞠曉東,門百永,吳文河

(中國石油大學(xué)油氣資源與探測國家重點實驗室,北京102249)

設(shè)計了一種用于調(diào)試多極子陣列聲波測井儀(MPAL)發(fā)射聲系的工裝測試設(shè)備。通過分析MPAL發(fā)射聲系的結(jié)構(gòu),提出具體的測試要求。采用主從式結(jié)構(gòu),主機和前端機通過以太網(wǎng)互聯(lián),前端機基于ARM7技術(shù),處理器中運行uClinux嵌入式操作系統(tǒng)。發(fā)射接口電路通過擴展I/O總線與核心板連接,發(fā)射控制電路與發(fā)射接口電路之間的控制命令通過串行差分驅(qū)動的方式傳輸,并進(jìn)行了光電隔離。軟件設(shè)計中網(wǎng)絡(luò)通信基于服務(wù)器/客戶端的模式,采用套接字編程的方法實現(xiàn)。測試表明,單極高壓激勵脈沖為3 800 V/30μs,偶極激勵脈沖為1 800 V/ 200μs,四極激勵脈沖2 800 V/30μs,滿足MPAL發(fā)射聲系測試的要求。

聲波測井儀;發(fā)射聲系;調(diào)試臺架;嵌入式技術(shù);網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)

0 引 言

國產(chǎn)多極子陣列聲波測井儀(Multi-Pole Array Acoustic Logging Tool,MPAL)在結(jié)構(gòu)和電子線路方面比較復(fù)雜,功能模塊較多,包括主測控電子線路、接收聲系、隔聲體、發(fā)射聲系和發(fā)射電子線路等[1-6]。為了保證在儀器制造、維護和現(xiàn)場使用等各個環(huán)節(jié)的工作高質(zhì)量和高效地開展,研發(fā)了聲波測井儀調(diào)試臺架,對發(fā)射聲系和發(fā)射電子線路進(jìn)行調(diào)試是該調(diào)試臺架的重要功能之一。

1 MPAL發(fā)射聲系結(jié)構(gòu)及測試要求分析

MPAL的最底部是發(fā)射電子線路短節(jié),發(fā)射聲系直接與發(fā)射電子線路短節(jié)連接,由這2個短節(jié)激發(fā)聲波信號。發(fā)射聲系結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,裝配工序多,且裝配周期較長,有必要在裝配前對各種換能器和各個變壓器進(jìn)行功能測試和驗證,裝配結(jié)束后要在工裝車間對整個短節(jié)的功能進(jìn)行測試。

MPAL發(fā)射聲系的結(jié)構(gòu)如圖1所示[5-6],主要由各種模式的發(fā)射換能器和發(fā)射變壓器組成。換能器部分包括1個單極發(fā)射換能器、2個同深度相互垂直的偶極發(fā)射換能器和1個四極發(fā)射換能器。單極發(fā)射換能器和2個垂直方向的偶極發(fā)射換能器各需要1道激勵信號,四極發(fā)射換能器的 X和Y方向同時工作,因此需要2道激勵信號。同時,四極換能器的 X方向既可以與Y方向同相位工作,又可以與Y方向反相位工作,這就需要對 X方向的激勵信號進(jìn)行相位反轉(zhuǎn)切換。為了使發(fā)射換能器充分激勵產(chǎn)生足夠的能量向地層輻射,需要激勵電壓達(dá)到數(shù)千伏,激勵源中必須設(shè)計升壓脈沖變壓器。單極、偶極及四極發(fā)射換能器的工作頻率和發(fā)射功率不同,如單極需要大約3 800 V、30μs的高壓激勵脈沖,偶極需要大約1 800 V、200μs的高壓激勵脈沖,四極激勵脈沖大約2 800 V、30μs,這就需要發(fā)射測試電路控制靈活,發(fā)射參數(shù)易于設(shè)置和實現(xiàn)[6-8]。對發(fā)射聲系測試的具體要求如下。

圖1 MPAL發(fā)射聲系結(jié)構(gòu)框圖

(1)能夠代替MPAL發(fā)射電子線路短節(jié),且功能與發(fā)射電路短節(jié)相同。這樣,可以用來對儀器發(fā)送的發(fā)射控制命令進(jìn)行診斷,測試發(fā)射聲系短節(jié),同時可以用于快速判斷發(fā)射聲系與發(fā)射電路短節(jié)兩者之間的故障所在部位。

(2)能夠以各種工作模式單獨工作,不受儀器其他短節(jié)的控制。該工作方式下,由主機發(fā)送控制命令,可以對發(fā)射聲系的各個換能器進(jìn)行單獨測試,也可以仿真儀器實際工作時的發(fā)射模式對整體發(fā)射聲系進(jìn)行測試。

根據(jù)發(fā)射聲系的結(jié)構(gòu)、測試要求以及現(xiàn)代電子系統(tǒng)的技術(shù)特點設(shè)計發(fā)射聲系測試臺架,其主要的組成單元包括上位機與下位機交互控制接口單元(ARM主控電路)、下位機與測控單元的接口電路、儀器系統(tǒng)命令接口電路、發(fā)射控制電路、命令譯碼邏輯以及供電等。

2 基于ARM的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計

通過網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的主從式系統(tǒng)構(gòu)架是儀器臺架設(shè)計的總體思路,采用了基于ARM7TDMI技術(shù)的S3C44B0X[9]作為嵌入式硬件核心,ARM(Advanced RISC Machines)處理器中運行uClinux嵌入式操作系統(tǒng)[10-13]。核心板卡通過10 M網(wǎng)絡(luò)與主機連接,主機可以實時發(fā)送控制命令到前端機,同時,前端機能夠快速上傳數(shù)據(jù)到主機,相關(guān)的人機交互及后續(xù)處理任務(wù)交由高性能主機完成。各種功能的控制電路通過擴展總線與母板連接。這種架構(gòu)具備較好的通用性和靈活的擴展功能。

基于主從式架構(gòu)設(shè)計的MPAL發(fā)射聲系測試臺架總體構(gòu)成原理見圖2所示。計算機通過以太網(wǎng)與ARM7主控電路連接,實現(xiàn)上位機與前端機(下位機)的數(shù)據(jù)傳輸。發(fā)射接口電路以積木式結(jié)構(gòu)插接到主控電路,接收主控電路發(fā)送的命令,并可以向主控電路傳送數(shù)據(jù)。發(fā)射接口電路以串行差分的方式發(fā)送控制命令到發(fā)射控制電路,同時為了防止發(fā)射控制電路中的高壓(最大可達(dá)4 000 V)影響主控系統(tǒng),兩者之間的連接以光電隔離形式實現(xiàn)。

ARM核心電路板由ARM7處理器、程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器、文件系統(tǒng)存儲器、以太網(wǎng)接口、UART接口、譯碼器[14]和總線擴展接口等組成。板上集成的2個UART分別用于超級終端和井下儀器供電控制,10Base-T以太網(wǎng)接口實現(xiàn)下位機與PC機的數(shù)據(jù)交互,系統(tǒng)I/O擴展總線利用ARM7的Bank8空間,數(shù)據(jù)寬度16 bit,擴展總線具有系統(tǒng)時鐘、中斷、DMA和傳輸同步控制等功能。在電路板制作工藝上,ARM主控電路板采用4層布線,應(yīng)用表明該板的性能完全達(dá)到設(shè)計要求,工作十分穩(wěn)定。

圖2 發(fā)射聲系測試臺架整體構(gòu)架

3 發(fā)射接口電路和發(fā)射控制電路的硬件設(shè)計

發(fā)射接口電路原理框圖見圖3。由CPLD實現(xiàn)與ARM核心電路板的接口,通過ARM擴展總線接收控制命令,對接收到的命令進(jìn)行譯碼,并按照預(yù)先定義的串行命令協(xié)議依次輸出控制命令,由這些命令設(shè)定測試臺架的工作模式以及發(fā)射模式選擇、發(fā)射脈沖寬度、重復(fù)工作周期和發(fā)射間隔等參數(shù)。當(dāng)測試臺架的工作方式受控于儀器系統(tǒng)時,所有的工作參數(shù)由儀器系統(tǒng)的控制命令總線設(shè)置。

發(fā)射接口電路輸出的控制信號通過高速光耦與臺架主控系統(tǒng)電氣隔離,可有效減小各個功能電路之間的互相干擾,同時保護臺架主控系統(tǒng)不受換能器激發(fā)高壓產(chǎn)生的影響。隔離后的信號以差分的方式輸出,具有較好的抗干擾能力,傳輸可靠,速率高,能夠?qū)崿F(xiàn)點對點以及點(驅(qū)動)對多點(接收)的信號傳輸方式。

發(fā)射控制電路原理框圖見圖4,發(fā)射控制器由CPLD器件EPM1270[11]實現(xiàn),完成的功能是命令譯碼、工作模式選擇、發(fā)射換能器選擇、發(fā)射啟動以及發(fā)射脈沖寬度控制等。

圖3 發(fā)射接口電路框圖

圖4 發(fā)射控制電路框圖

高壓儲能電路由整流濾波電路、大功率充電電阻和儲能電容構(gòu)成。供電電路輸出的高壓經(jīng)整流濾波后,通過限流電阻給發(fā)射儲能電容充電,產(chǎn)生大約400 V高壓。每種工作模式的周期大約為40～70 ms,在此期間必須先通過充電電阻為儲能電容快速充電,確保在接收到發(fā)射命令時儲能電容儲存的能量達(dá)到最大值,否則可影響發(fā)射功率及激發(fā)頻率。驅(qū)動電路由電平轉(zhuǎn)換電路和互補驅(qū)動電路構(gòu)成,為發(fā)射激勵控制電路中大功率MOS器件提供大電流的驅(qū)動信號,使脈沖激勵器件能夠快速導(dǎo)通和截止。四極 X方向發(fā)射激勵方式有2種情況,1種是與四極Y同相位,另1種激勵方式與四極Y反相位,這就需要由大功率繼電器根據(jù)工作方式進(jìn)行切換。

4 軟件設(shè)計

軟件設(shè)計包括嵌入式前端軟件和主機應(yīng)用軟件。嵌入式軟件以RTOS為核心,完成在特定用戶環(huán)境下的實時多任務(wù)調(diào)度、數(shù)據(jù)處理和任務(wù)進(jìn)程間的可靠通訊。嵌入式軟件系統(tǒng)開發(fā)包括引導(dǎo)程序設(shè)計、專有硬件驅(qū)動程序(如IO擴展總線驅(qū)動)編寫、RTOS代碼移植、TCP/IP協(xié)議棧移植以及頂層用戶應(yīng)用程序設(shè)計等[14]。

設(shè)計中采用uClinux操作系統(tǒng),該系統(tǒng)是針對沒有內(nèi)存管理單元(MMU)的處理器而設(shè)計的,具有Linux的絕大部分特性,具有內(nèi)核小、效率高、源代碼開放等優(yōu)點,還內(nèi)含了完整的 TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧,uClinux操作系統(tǒng)下網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序的開發(fā)基于流行的BSD Socket(套接字)實現(xiàn)。

調(diào)試臺架上位機采用基于X86處理器的高性能筆記本電腦,主機、前端機和外部設(shè)備之間組成多節(jié)點虛擬對等網(wǎng)絡(luò),通過交換機形成星形連接。上位機軟件系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境采用流行的Visual Studio. Net開發(fā)平臺和面向?qū)ο蟮脑O(shè)計思想,由于不需要實際的硬件驅(qū)動,所有的代碼均工作在X86的Ring的3個層(非特權(quán)層)。基于TCP/IP協(xié)議的數(shù)據(jù)通訊模塊,采用Winsock套接字編程,完成應(yīng)用系統(tǒng)命令、狀態(tài)和測試數(shù)據(jù)的收發(fā)。

Socket接口包括流式 Socket(SOCK_ STREAM)、數(shù)據(jù)報Socket(SOCK_DGRAM)和原始Socket等3種類型。設(shè)計中采用流式Socket,提供可靠的、面向連接的通信流,保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性和有序性?；诜?wù)器(上位機)與客戶端(前端機)的網(wǎng)絡(luò)連接的流程見圖5。服務(wù)器端先通過API調(diào)用WSAStartup()說明網(wǎng)絡(luò)套接字的版本,接著創(chuàng)建套接字,設(shè)置好本地IP地址和網(wǎng)絡(luò)連接端口后,將其綁定到已經(jīng)創(chuàng)建的套接字,隨后將先前創(chuàng)建的套接字置于監(jiān)聽狀態(tài),對即將發(fā)生的連接進(jìn)行監(jiān)聽,最后通過調(diào)用accept()析取連接,該過程是阻塞調(diào)用,直到客戶端連接或者出錯才能夠返回?？蛻舳说倪B接步驟是先初始化1個套接字,設(shè)置好服務(wù)器的IP地址和連接端口,然后連接服務(wù)器。服務(wù)器與客戶端的連接成功建立后,就可以使用send()和recv()發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。在上位機和前端機編程設(shè)計中,使用多線程編程技術(shù),例如,網(wǎng)絡(luò)通信在輔助線程中實現(xiàn),保證應(yīng)用程序高效、穩(wěn)定地運行。

圖5 服務(wù)器/客戶端網(wǎng)絡(luò)連接流程

5 結(jié) 論

測試表明,該裝置可滿足MPAL儀器發(fā)射聲系測試所需要的激勵脈沖。同時,發(fā)射接口電路與發(fā)射控制電路之間的連接采用串行差分方式,且進(jìn)行了光電隔離,傳輸可靠,并可有效避免高壓發(fā)射電路工作時對嵌入式主控系統(tǒng)產(chǎn)生影響。該設(shè)計中的系統(tǒng)主控板具有很好的通用性,方便擴展,可用于大多數(shù)測控場合。這種架構(gòu)的設(shè)計對其它測控系統(tǒng)的研制和開發(fā)具有很好的借鑒意義。

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Study on Test Method for Transmitter Mandrel of Acoustic Logging Tool Based on ARM

LU Junqiang,JU Xiaodong,MEN Baiyong,WU Wenhe
(State Key Laboratory of Petroleum Resources and Prospecting,China University of Petroleum,Beijing 102249,China)

A kind of tooling test equipment used in test for transmitter mandrel of multi-pole array acoustic logging tool(MPAL)is introduced.The specific testing requirements are put forward according to analyzing architecture of transmitter mandrel of MPAL.In system design, principal and subordinate structure is used;the host and front-computer are interconnected via Ethernet.The front-computer is based on ARM7 technique,and the ARM7 processor runs uClinux which is a kind of embedded operating system.Firing interface circuits are linked to core board by expanded I/O bus.Control commands transmit by means of serial differential-driven approach between the firing interface circuits and firing control circuits,and the two parts are isolated each other by photocouplers.Net communications based on server/client mode are implemented by socket program.Tests indicate that monopole firing pulse is 3 800 V/30μs,dipole firing pulse is 1 800 V/200μs,and quadrupole firing pulse is 2 800 V/30μs.All of these are fully satisfied with test demands for transmitter mandrel of MPAL.

acoustic logging tool,transmitter mandrel,test-bench,embedded technique;network connection

P631.81

A

2009-12-15 本文編輯 李總南)

1004-1338(2010)04-0389-04

國家自然科學(xué)基金重點項目(10534040);國家自然科學(xué)基金(40574049,40874097);高等學(xué)校博士學(xué)科點專項科研基金(20070425028);油氣資源與探測國家重點實驗室開放基金(PRPDX2008-08)資助

盧俊強,男,1978年生,講師,博士,研究方向為石油測井方法和裝備。