基于LabVIEW的隨鉆測量上位機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法

林彩霞，雙 凱

（中國石油大學(xué)（北京）地球物理與信息工程學(xué)院，北京 102249）

測井裝備上位機(jī)軟件是測井裝備非常重要的一部分，它負(fù)責(zé)對整個(gè)系統(tǒng)的控制，數(shù)據(jù)采集，顯示和存儲等功能，為石油勘探和油田開發(fā)提供非常重要的數(shù)據(jù)資料。

目前主流的測井儀器上位機(jī)軟件基本上采用VC++進(jìn)行開發(fā)，但是使用VC++進(jìn)行軟件開發(fā)對開發(fā)人員水平要求高且工作量大，不同模塊需要從底層開發(fā)，出發(fā)點(diǎn)低，需要較長的開發(fā)周期[1]。

LabVIEW是一種圖形化編程語言，作為數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件的標(biāo)準(zhǔn)被廣泛的應(yīng)用于工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究性實(shí)驗(yàn)室。LabVIEW是功能強(qiáng)大、靈活的多平臺儀器和分析軟件系統(tǒng)。用戶可以根據(jù)自己的需要靈活地定義儀器的功能，使用人員可以通過軟件編程或采用現(xiàn)有分析軟件，實(shí)時(shí)、直接地對數(shù)據(jù)進(jìn)行各種分析與處理。該軟件使用模塊函數(shù)，工程師不需要從最底層進(jìn)行開發(fā)，可大大減少工作量，縮短項(xiàng)目開發(fā)周期。

文中旨在使用LabVIEW設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一種測井上位機(jī)系統(tǒng)，采用模塊化設(shè)計(jì)方法，根據(jù)測井測量參數(shù)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)顯示、數(shù)據(jù)庫存儲、數(shù)據(jù)查詢。在軟件開發(fā)過程中為了減少對硬件的依賴，根據(jù)實(shí)際采集數(shù)據(jù)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)模擬數(shù)據(jù)源對軟件系統(tǒng)各模塊進(jìn)行測試。

1 總體設(shè)計(jì)方案

如圖1所示，為測井裝備地面系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)模塊圖。為了保證系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集速度，采用硬件對采集到得數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。為了保證速度，系統(tǒng)采用硬件對上行數(shù)據(jù)的濾波、解碼、解析，傳送至上位機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行存儲，顯示；上位機(jī)產(chǎn)生的下行數(shù)據(jù)即對井下系統(tǒng)的控制命令經(jīng)過封裝和編碼后傳送至井下。

圖1 總體設(shè)計(jì)方案Fig.1 Overall design scheme

2 上位機(jī)系統(tǒng)方案

根據(jù)實(shí)際需要，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)四通道隨鉆測量上位機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。圖2為上位機(jī)系統(tǒng)方案，如圖2所示，主要包括6個(gè)模塊：數(shù)據(jù)接收模塊，數(shù)據(jù)處理模塊，數(shù)據(jù)存儲模塊，數(shù)據(jù)查詢模塊，數(shù)據(jù)顯示模塊。

圖2 上位機(jī)系統(tǒng)方案Fig.2 System scheme of upper system

傳統(tǒng)測井儀器采用CPCI總線進(jìn)行數(shù)據(jù)接收，設(shè)計(jì)這樣的系統(tǒng)需要單獨(dú)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集板卡，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而普通串口又不能滿足數(shù)據(jù)高速傳輸?shù)囊?，所以文中設(shè)計(jì)方案采用USB作為接口實(shí)現(xiàn)對處理過的下行數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，同時(shí)為了在軟件開發(fā)過程中不過分依賴于硬件的開發(fā)，使用模擬數(shù)據(jù)源對軟件各個(gè)功能模塊進(jìn)行測試[2]。該模塊根據(jù)服務(wù)表內(nèi)容產(chǎn)生數(shù)據(jù)，將其發(fā)送到數(shù)據(jù)接收端口，由主程序?qū)Χ丝跀?shù)據(jù)進(jìn)行讀取，端口數(shù)據(jù)暫時(shí)被讀入緩沖區(qū)。數(shù)據(jù)處理模塊主要負(fù)責(zé)對采集到得數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)報(bào)格式封裝解析和相應(yīng)的計(jì)算處理；實(shí)時(shí)顯示模塊完成對處理后數(shù)據(jù)的顯示；數(shù)據(jù)存儲模塊采用SQL Server進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲；數(shù)據(jù)查詢模塊實(shí)現(xiàn)兩種查詢：基于時(shí)間范圍的查詢，基于通道參數(shù)的查詢；數(shù)據(jù)顯示模塊包括波形圖顯示和表格顯示兩種，以曲線和數(shù)字兩種方式對采集到得數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示；同時(shí)根據(jù)實(shí)際需要可將相應(yīng)數(shù)據(jù)導(dǎo)出到EXCEL表格。

2.1 數(shù)據(jù)接口模塊

在LabVIEW下，調(diào)用NI-VISA子程序控件，實(shí)現(xiàn)與USB設(shè)備的直接通信。NI-VISA從3.0開始支持與USB設(shè)備的通信，為了使用NI-VISA，必須先讓W(xué)indows將NI-VISA作為設(shè)備的缺省驅(qū)動程序使用。要做到這點(diǎn)需要完成以下步驟：

1）安裝NI-VISA后，啟動VISA Driver Development Wizard程序，出現(xiàn)了為PXI／PCI或USB設(shè)備創(chuàng)建一個(gè)INF文檔的向?qū)Вx擇USB設(shè)備，點(diǎn)NEXT，出現(xiàn)VISA DDW基本設(shè)備信息窗口。

2）正確輸入 USB的 PID和 VID，點(diǎn)擊 NEXT，進(jìn)行最后一步。

3）在USB Instrument Prefix中輸入相應(yīng)信息，并在“output file directory”中選擇存放這些文檔的目錄，然后點(diǎn)擊Finish。INF文檔就被建好并保存至指定的位置。

4）復(fù)制生成的INF文件夾到系統(tǒng)盤windows文件夾下INF文件夾，點(diǎn)擊右鍵安裝[3]。

經(jīng)過以上步驟后，當(dāng)插上該USB接口時(shí)，Windows系統(tǒng)就能探測到，并根據(jù)INF硬件配置文件選擇NI-VISA作為底層驅(qū)動程序。

圖3所示為使用VISA串口進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的程序框圖[4]，經(jīng)過上面的設(shè)置后該框圖實(shí)現(xiàn)對端口數(shù)據(jù)的采集和下行命令發(fā)送的功能。

圖3 數(shù)據(jù)采集程序圖Fig.3 Program of data acquisition

2.2 數(shù)據(jù)處理模塊

傳感器采集井下測井測量參數(shù)，通過電纜傳送到數(shù)據(jù)處理板，進(jìn)行濾波，解碼，解析，傳送到USB端口，端口采集到數(shù)據(jù)后對采集到得原始數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理，得到相應(yīng)的測井測量參數(shù)。

2.3 數(shù)據(jù)存儲模塊

介紹兩種基于LabVIEW的數(shù)據(jù)存儲的方法。1）通過ACTIVEX技術(shù)，實(shí)現(xiàn)EXCEL表格的自動創(chuàng)建與數(shù)據(jù)的存??；2）在LabVIEW中，通過LabSQL工具包與SQL Server進(jìn)行連接，將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫中[5]。方法1適用于測井裝備工作狀態(tài)記錄等小量數(shù)據(jù)存儲，因此采用方法一生成數(shù)據(jù)報(bào)表；而對于從井下傳送來的海量數(shù)據(jù)，采用方法2，通過對數(shù)據(jù)庫的調(diào)用來實(shí)現(xiàn)。

在LabVIEW中，通過LabSQL工具包完成將采集數(shù)據(jù)向數(shù)據(jù)庫的存儲?；境绦蛉鐖D4（a）所示。為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)存儲，采用生產(chǎn)者/消費(fèi)者設(shè)計(jì)模式（數(shù)據(jù)）的程序設(shè)計(jì)方法[6]，生產(chǎn)者負(fù)責(zé)將采集并處理過的數(shù)據(jù)送入隊(duì)列，消費(fèi)者負(fù)責(zé)將隊(duì)列中的數(shù)據(jù)存入到數(shù)據(jù)庫中。如圖4（b）所示，將采集到得數(shù)據(jù)存儲到名稱為DATA00的表中。

圖4 存儲模塊Fig.4 Storage module

2.4 數(shù)據(jù)查詢模塊

如圖5（a）所示，為數(shù)據(jù)查詢模塊界面。數(shù)據(jù)查詢模塊包括按時(shí)間范圍進(jìn)行查詢和按通道名進(jìn)行查詢兩種方式，通過設(shè)置相應(yīng)的時(shí)間范圍和通道名，可獲得指定的數(shù)據(jù)；從圖中可以看出，通過規(guī)定時(shí)間段，程序能很好的實(shí)現(xiàn)相應(yīng)數(shù)據(jù)的查詢[7]。該模塊包括EXCEL數(shù)據(jù)報(bào)表導(dǎo)出功能，系統(tǒng)自動創(chuàng)建EXCEL表格，將用戶指定的數(shù)據(jù)導(dǎo)出到報(bào)表中，具體程序框圖如圖 5（b）所示。

圖5 查詢模塊Fig.5 System query module

報(bào)表自動生成模塊主要采用ACTIVEX技術(shù)，在LabVIEW中通過屬性節(jié)點(diǎn)和調(diào)用節(jié)點(diǎn)對EXCEL表格進(jìn)行操作[8]，其中CONVERT子VI實(shí)現(xiàn)的功能是EXCEL表格中每個(gè)單元格的定位。

2.5 數(shù)據(jù)顯示模塊

該隨鉆測量上位機(jī)系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集界面，數(shù)據(jù)查詢界面，系統(tǒng)設(shè)置界面3個(gè)界面組成，通過選項(xiàng)卡標(biāo)簽可以實(shí)現(xiàn)界面的切換[9]。為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示，采用生產(chǎn)者/消費(fèi)者模式（數(shù)據(jù)），生產(chǎn)者負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集處理，消費(fèi)者負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示。圖8為數(shù)據(jù)采集界面，打開‘顯示’和‘存儲’開關(guān)，系統(tǒng)在進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示的同時(shí)對采集到得數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)庫存儲[10]。圖8為主程序運(yùn)行的主界面截圖，系統(tǒng)采用Labview自帶波形圖顯示控件對采集到得數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，橫坐標(biāo)為采集到點(diǎn)的個(gè)數(shù)，縱坐標(biāo)為該點(diǎn)所對應(yīng)不同參數(shù)的數(shù)值，不同曲線對應(yīng)不同的參數(shù)，坐標(biāo)范圍隨采集到參數(shù)數(shù)值大小自動調(diào)整。通過模擬數(shù)據(jù)源測試，主界面的顯示功能達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

圖6 模擬數(shù)據(jù)源測試圖Fig.6 Test chart based on simulated data source

3 總 結(jié)

文中主要介紹了基于LabVIEW測井裝備上位機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，下行數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)處理板的處理以后，經(jīng)過USB接口傳入上位機(jī)系統(tǒng)，通過數(shù)據(jù)處理模塊對端口接收到得數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理之后，對其進(jìn)行顯示，存儲，查詢。系統(tǒng)采用原始數(shù)據(jù)文件作為模擬數(shù)據(jù)源，對系統(tǒng)功能進(jìn)行測試，證明系統(tǒng)性能已經(jīng)達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。以LabVIEW為軟件開發(fā)工具對隨鉆測量上位機(jī)軟件進(jìn)行開發(fā)，可縮短項(xiàng)目開發(fā)周期，提高編程效率，大大增強(qiáng)了隨鉆測量上位機(jī)系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。

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