數(shù)字聲波變密度測井儀數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

楊 亮 曾曉英 段俊東 舒克寧 張春江 朱旭東

(1.中國石油集團測井公司隨鉆測井儀器研究中心 陜西西安) (2.中國石油集團測井公司華北事業(yè)部 河北任丘)

數(shù)字聲波變密度測井儀數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

楊 亮1曾曉英2段俊東1舒克寧2張春江2朱旭東2

(1.中國石油集團測井公司隨鉆測井儀器研究中心 陜西西安) (2.中國石油集團測井公司華北事業(yè)部 河北任丘)

介紹了一種基于C8051F060單片機的數(shù)字聲波變密度測井儀數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。系統(tǒng)以C805IF060單片機為控制核心,利用單片機片內(nèi)集成的16位分辨率的A/D對聲波信號進行精確數(shù)據(jù)采集,為進一步準確地評價固井質(zhì)量提供了可靠的資料。實踐檢驗表明,系統(tǒng)具有測試速度快、精度高、運行穩(wěn)定、抗干擾能力強和成本低等特點。

C8051F060;數(shù)字聲波變密度測井儀;數(shù)據(jù)采集

0 引 言

聲波變密度測井儀作為一種評價固井質(zhì)量的測井儀器,它記錄的是聲波全波列信號幅度同時間的關(guān)系[1],其中數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是很關(guān)鍵的一部分,它不僅要求數(shù)據(jù)采集精度高,而且要求數(shù)據(jù)采集速度也要盡可能地快。大多傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集方法通常采用單片機、A/D轉(zhuǎn)換器、EPROM、SRAM、D/A轉(zhuǎn)換器以及一些譯碼器、鎖存器、多路開關(guān)芯片等組成一個完整的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。這種設(shè)計方法使用器件較多,硬件電路復(fù)雜、資源擴展受限、易出故障、編程麻煩,而且可靠性和穩(wěn)定性也難以保證。

本文介紹了一種基于C8051F060的數(shù)字聲波變密度測井儀數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。系統(tǒng)選用C8O51F060單片機內(nèi)部集成的16位A/D進行精確數(shù)據(jù)采集,其最高轉(zhuǎn)換速度為1 Msps,同時采用C8O51F060自帶的CAN控制器,實現(xiàn)與測井儀遙傳短節(jié)通訊,從而接收地面系統(tǒng)發(fā)來的控制命令。這不僅能滿足數(shù)字聲波變密度測井儀數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對高精度的要求,而且大大降低了系統(tǒng)的開發(fā)成本,簡化了硬件電路,同時提高了系統(tǒng)的抗干擾能力[2]。

1 C8051F060單片機簡介[2]

C8051F060型MCU是Silicon Laboratories公司新推出的一款高集成度混合信號單片機,本系統(tǒng)選用C8051F060作為主控芯片主要是由于它具有以下新的特點:

(1)C8051F060單片機內(nèi)核采用流水線結(jié)構(gòu),速度可達25 MIPS(25 MHz晶振),比普通的51單片機快10倍;其指令與標準系列51單片機兼容,因而掌握開發(fā)過程非常容易;該芯片的JTAG調(diào)試方式支持在系統(tǒng)、全速、非插入調(diào)試和編程,且不占用片內(nèi)資源。

(2)其片內(nèi)集成的兩個16位分辨率的ADC,最高采樣速度可達1 Mbps。這就無需外擴片外高精度ADC,不僅降低了成本,而且大大簡化了硬件電路,同時也提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。

(3)帶有DMA控制器,這就可以采用DMA存儲技術(shù),為高速數(shù)據(jù)存儲提供了可能。

(4)C8051F060片上還集成有64 kB Flash、4 352 B內(nèi)部RAM(256+4 kB,可外擴至64 kB)、59個I/O口、內(nèi)電源監(jiān)視和看門狗等功能。其內(nèi)部資源豐富,是一種性價比很高的高速單片機。

(5)最獨特的是引入了數(shù)字交叉開關(guān),這是一個大的數(shù)字開關(guān)網(wǎng)絡(luò),利用交叉開關(guān)可以對單片機管腳進行靈活配置。

2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成

圖1是數(shù)字聲波變密度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。C8051F060是整個系統(tǒng)的核心,它主要有以下幾個方面的功能:一方面負責控制聲波的發(fā)射,同時高精度地采集磁定位產(chǎn)生的CCL信號、溫度探頭產(chǎn)生的溫度信號、聲波接收探頭接收的全波列聲波信號;另一方面通過內(nèi)部集成的CAN控制器,控制CAN總線收發(fā)數(shù)據(jù),與遙傳進行通訊,接收地面系統(tǒng)通過遙傳短節(jié)發(fā)來的控制命令,將數(shù)字化的聲波信號通過遙傳送到地面。

圖1 數(shù)字聲波變密度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.1 CAN總線驅(qū)動電路

為了增強CAN總線節(jié)點的抗干擾能力,總線控制器未與單片機F060直接相連,而是通過光電隔離器HCPL-6630相連接,這樣可很好地實現(xiàn)總線上各節(jié)點間的電氣隔離,提高節(jié)點的穩(wěn)定性和安全性,但要真正實現(xiàn)隔離,就必須在光電隔離器輸入和輸出端采用兩個完全隔離的電源。如圖2所示,在CANTX發(fā)送端接入一個限流電阻R2,在CANRX接收端連接一個上拉電阻R1,用于保證接收端常態(tài)為高電平,準確檢測起始位低電平。

圖2 CAN總線驅(qū)動電路圖

CAN收發(fā)器采用MAX3050ASA,它可以提供向總線的差動發(fā)送能力和差動接收能力,其輸入端分別與光電隔離器輸出端的CANRX、CANTX對應(yīng)連接。在CAN收發(fā)器的CANH和CANL輸出引腳處并聯(lián)一個電阻R5,作為CAN總線的終結(jié)電阻,其作用是避免數(shù)據(jù)傳輸?shù)浇K端后反射回來,產(chǎn)生反射波而使數(shù)據(jù)遭到破壞。終結(jié)電阻R等于傳輸電纜的特性阻抗,一般取值120 Ω。Rs引腳為斜率電阻輸入引腳,用來控制收發(fā)器的工作方式,可選擇2種方式:該引腳直接接地,系統(tǒng)處于高速工作方式,適用于遠距離數(shù)據(jù)傳輸;在波特率較低,總線較短時,一般采用斜率控制方式,上升及下降的斜率取決于Rs的阻值,本系統(tǒng)采用直接接地的方式。為避免射頻干擾,系統(tǒng)中采用屏蔽雙絞線作總線。

2.2 電壓基準電路[2]

C8051F060內(nèi)部16位ADC的電壓基準電路允許使用多種不同的電壓基準配置。既可以使用專用的內(nèi)部電壓基準,又可以使用外部電壓基準。由于數(shù)子聲波變密度儀器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對采樣精度要求比較高,這樣C8051F060內(nèi)部集成的基準電壓的穩(wěn)定性就不能滿足要求。電壓基準電路圖如圖3所示。本系統(tǒng)選用MAX6325作為外部精密基準電源,輸入電壓范圍為8 V～36 V,輸出電壓為2.500 V。本系統(tǒng)中MAX6325引腳IN輸入端輸入+15 V電壓,引腳OUT端輸出接C8051F060單片機的VREF0引腳,并加0.1μF和4.7 μF的去耦電容來降低基準電壓的噪聲。

圖3 電壓基準電路圖

2.3 看門狗電路

系統(tǒng)在運行時,通常都會遇到各種各樣的現(xiàn)場干擾,抗干擾能力是衡量系統(tǒng)性能的一個重要指標?？撮T狗電路是自行監(jiān)測系統(tǒng)運行的重要保證,幾乎所有的工控系統(tǒng)都包含看門狗電路?？撮T狗電路一般有軟件看門狗和硬件看門狗兩種。軟件看門狗不需要外接硬件電路,但系統(tǒng)需要出讓一個定時器資源,這在許多系統(tǒng)中很難辦到,而且若系統(tǒng)軟件運行不正常,可能導(dǎo)致看門狗系統(tǒng)癱瘓。硬件看門狗是真正意義上的“程序運行監(jiān)視器”,如圖4所示,在此系統(tǒng)中采用X5043芯片。工作原理:當單片機上電時,電源電壓超過門檻電壓,經(jīng)過約200 ms穩(wěn)定后,/RESET由低電平變?yōu)楦唠娖?當正常工作時,通過編程設(shè)定定時時間,在定時的時間內(nèi)進行喂狗,即在定時的時間內(nèi),使/CS信號一直發(fā)生變化,若沒有變化,則/RESET立即產(chǎn)生低電平,延時約200 ms后,再由低電平變?yōu)楦唠娖健?/p>

3 軟件設(shè)計

數(shù)字采集控制板的功能是通過CAN總線收發(fā)數(shù)據(jù),負責與遙傳通訊,接收地面系統(tǒng)通過遙傳短節(jié)發(fā)來的控制命令,控制各路信號的增益,發(fā)射聲波并采集聲波信號、磁定位信號與溫度信號的數(shù)據(jù),并將數(shù)字化的聲波信號通過遙傳送到地面上,同時還可以進行信號的刻度。圖5所示為采集控制板的程序流程圖。

圖4 看門狗電路圖

首先單片機上電進行初始化設(shè)置,然后進行判斷是否接受到地面的控制命令,如果沒有繼續(xù)等待。當接受到命令后進行判斷是哪種類型的命令,若為數(shù)據(jù)幀則執(zhí)行地面的控制命令,如控制增益等,執(zhí)行完之后繼續(xù)等待接收地面的命令;若為遠程幀,則通過CAN總線將數(shù)據(jù)傳給遙傳上傳到地面,直到所有數(shù)據(jù)傳送完畢后向發(fā)射控制板發(fā)送發(fā)射控制命令,驅(qū)動聲波儀器工作,當接收到發(fā)射控制板返回的數(shù)據(jù)幀命令時,開始采集聲波數(shù)據(jù),然后采集磁定位和溫度信號。采集完成后繼續(xù)等待地面下發(fā)的命令,如此不斷的循環(huán)。

4 結(jié)束語

該系統(tǒng)核心采用C8051FO60單片機,進行CAN總線數(shù)字量和實時采集數(shù)據(jù)的傳輸,達到了總線數(shù)據(jù)實時接收和測量的目的。系統(tǒng)由于簡化的硬件設(shè)計,增強了系統(tǒng)的可靠性及抗干擾能力,故障率低,精度符合國家標準,能夠精確地測量出聲波幅度信號,為進一步準確地評價固井質(zhì)量提供了可靠的資料,在國內(nèi)同類儀器中具有較大的優(yōu)勢。

圖5 采集控制板的程序流程圖

[1] 張宏兵.基于聲波變密度測井的固井質(zhì)量綜合評價方法[J].河海大學學報.2007,35(6)

[2] 安永如,黎海文,吳一輝.基于C8051F060的微型生化分析儀高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].光電子技術(shù),2007,27(3)

Data acquisition system for digital variable density sonic logging tools.

Yang Liang,Zeng Xiaoying,DuanJundong,Shu Kening,Zhang Chunjiang and Zhu Xudong.

A kind of data acquisition system for digital variable density sonic logging tools based on C8051F060 MCU is introduced.The C8051F060 MCU is acted as the controlling unit to acquire data of sonic signals accurately by an on-chip 16-bit SAR ADC.Reliable information can be provided for further accurate evaluation of cementing quality.The results show that this system has the characteristics of high speed,high precision,good stability,perfect anti-jamming and low cost.It has great advantages of similar instrument in domestic.

C8051F060;digital variable density sonic logging tool;data acquisition

TE271

B

1004-9134(2011)05-0028-03

楊 亮,男,1982年生,工程師,2007年畢業(yè)于西南石油大學研究生院機械電子工程專業(yè)。現(xiàn)在中國石油集團測井公司隨鉆測井儀器研究中心從事測井儀器開發(fā)工作。郵編:710061

2011-04-28編輯姜 婷)

PI,2011,25(5):28～30

·方法研究·