LabVIEW上位機(jī)雙串口同步方法與數(shù)據(jù)采集

董俊辰 李擁軍 王園園

【摘要】針對油氣井的現(xiàn)場測量，為了同步實時監(jiān)測井下系統(tǒng)，因此研究深度以及對應(yīng)于深度的溫度、電阻率、自然伽馬測量原理，開發(fā)基于LabVIEW軟件的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，進(jìn)行理論的分析和和軟件的設(shè)計。其中數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過探頭對套管外介質(zhì)特性進(jìn)行探測，并將信號分為兩路深度和溫度、電阻率、自然伽馬同步上傳輸?shù)降孛嫦到y(tǒng)，地面系統(tǒng)接收信號，進(jìn)行解碼判別通過兩個通用異步串行接口RS-232同時與計算機(jī)進(jìn)行通信，然后由采集軟件實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收校驗、采集監(jiān)控、合并存儲等工作。實踐證明，該系統(tǒng)操作簡單，同步數(shù)據(jù)實時監(jiān)測準(zhǔn)確性高、穩(wěn)定可靠。

【關(guān)鍵詞】LabVIEW;數(shù)據(jù)采集;測井;RS-232

引言

研究表明，快速探測井下深度以及同步于深度的溫度、自然伽馬、電阻率的變化，對探知套管外介質(zhì)，合理開發(fā)油氣田有戰(zhàn)略意義。同時，隨著測井技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，儀器和上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸顯得尤為重要。采集井下數(shù)據(jù)是測井行業(yè)對地層介質(zhì)系統(tǒng)深入了解的必要途徑。能否準(zhǔn)確無誤，實時監(jiān)測、存儲在測井過程中得到的數(shù)據(jù)，是測井的關(guān)鍵，本文用LabVIEW 實現(xiàn)監(jiān)測測井?dāng)?shù)據(jù)。LabVIEW是美國國家儀器公司開發(fā)的一種多功能圖形化編程軟件，它是一種帶有圖形控制流結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)流模式，程序框圖中節(jié)點之間的數(shù)據(jù)流向決定了VI及函數(shù)的執(zhí)行順序，可以大大縮短開發(fā)軟件的時間。LabVIEW具有以下特點：①有功能強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理和分析函數(shù)庫;②提供很多外觀與傳統(tǒng)儀器（如示波器、萬用表）類似的控件，可用來方便地創(chuàng)建用戶界面，調(diào)試手段也很靈活簡單;③內(nèi)置高效的程序編譯器，采用32位編譯方式運行應(yīng)用程序;④開放式的開發(fā)平臺，通過LabVIEW可調(diào)用動態(tài)鏈接庫接口，混合編程。

1.各測井?dāng)?shù)據(jù)的測量原理

測量深度系統(tǒng)是由電纜拖動光電編碼器轉(zhuǎn)動，并輸出雙路脈沖信號來計數(shù)。對溫度、電阻率和自然伽馬的測量均是通過探頭采集電壓信號，以PICF87X系列單片機(jī)為主控單元對套管外的介質(zhì)特性進(jìn)行探測。發(fā)射線圈輸出二次場信號并在接收線圈接收微弱的差分雙極性脈沖序列，信號經(jīng)過濾波、可變增益放大后進(jìn)入A/D芯片，對信號模數(shù)轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化結(jié)果送入單片機(jī)進(jìn)行編碼，再通過單芯電纜上傳至地面系統(tǒng)。地面系統(tǒng)將接收到的信號，進(jìn)行解碼判別通過兩個通用異步串行接口RS-232同步與計算機(jī)進(jìn)行通信，然后由上位機(jī)采集軟件實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收校驗、采集監(jiān)控、合并存儲等工作，實現(xiàn)對井下深度、溫度、電阻率、自然伽馬數(shù)據(jù)的采集。

1.1 深度的測量原理

測深是測井的一個重要測量參數(shù)，對同步于深度的溫度、伽馬、電阻率的測量有重要影響?；诠怆娋幋a器的測深系統(tǒng)，因為不受復(fù)雜地質(zhì)影響和電磁場的干擾，在探測效率和精度上很占優(yōu)勢。光電編碼器是一種旋轉(zhuǎn)式位移傳感器，廣泛應(yīng)用于角位移或角速率的測量。該系統(tǒng)采用增量式光電編碼器，光碼器的內(nèi)部光碼盤的固有分辨率很高， 輸出脈沖信號，抗電干擾能力強(qiáng)，與計算機(jī)接口電路兼容。

1.2 溫度的測量原理

井下溫度，是評價地層信息的重要參考依據(jù)。測井每下井深度增加100m，溫度升高3℃，所以要選擇高靈敏度且測量準(zhǔn)確的耐高溫測溫材料。這里井下系統(tǒng)選用Pt100鉑熱電阻，該鉑電阻的熱響應(yīng)時間較小，測溫范圍一般為-70°C～+600°C，因此它很適合于測量井下的表面溫度和監(jiān)測動態(tài)溫度變化。根據(jù)井下條件，在0～630°C范圍內(nèi)，鉑電阻的電阻值與溫度間的關(guān)系可以精確地表示為：

（1）

其中，為溫度為t℃時鉑電阻的電阻值，表示溫度為0℃時鉑電阻的電阻值（Ω），A、B、C分別為常數(shù)。對于Pt100，=100Ω，A=3.90802℃，B=-5.802℃，C=0。由公式（1）可以得出在100℃時，電阻值的變化量是38.5Ω，而由Bt2帶來的變化量為0.58Ω，在系統(tǒng)中影響為1.5%。因此可將Pt100近似作為線性器件來使用。

1.3 電阻率的測量原理

測量電阻率的儀器過套管本身是一個巨大的金屬良導(dǎo)體，其電阻率要比井眼流體的電阻率低很多，在向地層發(fā)射低頻電信號后，一般頻率選擇在用0.01～10.0Hz之間頻率，大部分電流在金屬套管中流動，但是仍然有小部分的電流通過金屬套管進(jìn)入地層。如果可以檢測到儀器測量電極與地面回路電極之間的電位差，并且可以檢測流入地層的電流，就能夠得到地層電阻率信息。

供電電極向套管通以極低頻率的注入總電流I，一部分泄漏到地層中，稱之為泄露電流，進(jìn)入地層的電流大小由地層電阻率決定。儀器測量電極測出從套管泄露流入地層的電流產(chǎn)生的電位差，它與地層的電阻率成正比。利用歐姆定律計算：

（2）

（3）

式中，K為測井儀器常數(shù)，根據(jù)井眼的實際情況確定;為測量段套管的電阻。

1.4 自然伽馬的測量原理

傳統(tǒng)的自然伽馬測井，主要是利用伽馬探測器測量地層中的U、Th、K等元素的含量，即利用探測器測量地層中總的自然伽馬射線強(qiáng)度，以此為依據(jù)來研究地層性質(zhì)，劃分地層巖性，求出地層的泥質(zhì)含量。自然伽馬測量電路還有一個重要作用，那就是輔助校深。由于單位時間內(nèi)的脈沖數(shù)和伽馬射線的強(qiáng)度成正比關(guān)系，根據(jù)單位時間內(nèi)的脈沖數(shù)就可以確定套管接箍的位置，井下套管是由很多段的標(biāo)準(zhǔn)套管連接起來的，且標(biāo)準(zhǔn)套管的長度是一定的，因此通過接箍的位置就可以為整個系統(tǒng)的深度測量提供校正，即輔助校深。

2.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件設(shè)計

2.1 數(shù)據(jù)處理設(shè)計思路

根據(jù)井下系統(tǒng)上傳的數(shù)據(jù)，深度數(shù)據(jù)格式是十六進(jìn)制四字節(jié)，溫度、電阻率、自然伽馬的數(shù)據(jù)格式是十六進(jìn)制表示的48個字節(jié)，第0字節(jié)是首判斷位0xaa，第2字節(jié)還是個判斷位（0xa1或0xa2），尾判斷位是0xbb，除了判斷位，剩下的字節(jié)就表示所需采集的22個數(shù)據(jù)，包括溫度、電阻率、自然伽馬的數(shù)據(jù)。因為井下電路系統(tǒng)電阻、電容不匹配或干擾信號的影響，難免會出現(xiàn)采集上來的數(shù)據(jù)與單片機(jī)原設(shè)定好的的數(shù)據(jù)格式不匹配。為了防止這樣，我們必須采用合理的方法，確保數(shù)據(jù)的完整性與準(zhǔn)確性。設(shè)計思路是：兩路RS-232與計算機(jī)進(jìn)行串口通信后，數(shù)據(jù)暫存在緩沖區(qū)，運行程序后，當(dāng)幀頭是aa時開始提取數(shù)據(jù)，否則放棄保留數(shù)據(jù)。然后如果再提取47個字節(jié)之后是幀尾bb的話，則保留數(shù)據(jù)，否則放棄保留。再次如果第2字節(jié)是0xa1，數(shù)據(jù)保留為一組，如果第2字節(jié)是0xa2，數(shù)據(jù)保留為另一組。然后把以上數(shù)據(jù)和深度數(shù)據(jù)按時間合并匹配，然后順序依次寫入文檔。如圖1所示是數(shù)據(jù)處理設(shè)計思路。

2.2 程序面板總體框架

由于本程序是針對數(shù)據(jù)做的一系列處理工作，可以引用LabVIEW上經(jīng)常用到的生產(chǎn)者/消費者設(shè)計模式。從軟件的角度講，生產(chǎn)者是數(shù)據(jù)的提供方，用于數(shù)據(jù)的采集，在生產(chǎn)循環(huán)中采用了輪詢結(jié)構(gòu)，用于數(shù)據(jù)的交換，把數(shù)據(jù)先存入緩沖區(qū)，再傳遞給消費者，簡言之，生產(chǎn)者負(fù)責(zé)采集和發(fā)布數(shù)據(jù);消費者是數(shù)據(jù)的消費方，用于數(shù)據(jù)的分析和處理。本文在該模式的架構(gòu)下，進(jìn)行數(shù)據(jù)的一系列處理。從數(shù)據(jù)的角度講，當(dāng)生產(chǎn)過剩而消費不足的情況下，緩沖區(qū)的剩余空間不斷減小至耗盡。當(dāng)緩沖區(qū)無剩余空間時，生產(chǎn)者必須停止生產(chǎn)，一直等到緩沖區(qū)出現(xiàn)剩余空間再繼續(xù)生產(chǎn)。反之，當(dāng)消費能力大于生產(chǎn)能力的時候，緩沖區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)就會逐漸減少，直至緩沖區(qū)中再無數(shù)據(jù)可用，此時，消費者處于等待狀態(tài)，這就是隊列的應(yīng)用。不管是生產(chǎn)者還是消費者循環(huán)，都是利用的while循環(huán)結(jié)構(gòu)，一幀一幀的提取數(shù)據(jù)，這就保證了數(shù)據(jù)有序而有效的進(jìn)行處理。

圖1 數(shù)據(jù)處理設(shè)計思路

圖2 軟件操作流程圖

2.3 前面板設(shè)計

（1）配置串口和波特率。根據(jù)通用異步串行接口RS-232選取默認(rèn)的波特率9600b/s，串口選com1和com2。

（2）波形顯示控件。當(dāng)程序運行過程中，顯示VISA讀取到深度、溫度、電阻率、伽馬值的大小和描繪出的連續(xù)變化曲線。

（3）開始采集、清除波形、退出控件。開始采集控件實現(xiàn)開始采集各個數(shù)據(jù)，清除控件是把存在在波形圖表控件中的數(shù)據(jù)曲線清零，即賦零值，退出控件指退出數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

（4）歷史數(shù)據(jù)查詢和數(shù)據(jù)存儲路徑控件。通過對路徑的選擇，實現(xiàn)對以往數(shù)據(jù)的回放和對數(shù)據(jù)的存儲。

（5）選擇性選擇顯示數(shù)據(jù)。通過選擇控件，實現(xiàn)對某些數(shù)據(jù)曲線的顯示和隱藏。

軟件操作過程流程圖如圖2所示。

2.4 程序面板的設(shè)計

2.4.1 串口通信系統(tǒng)的實現(xiàn)

LabVIEW中使用標(biāo)準(zhǔn)的輸入/輸出應(yīng)用程序接口，用VISA完成對儀器的控制。VISA可控制串口、USB等儀器，并根據(jù)使用儀器的類型調(diào)用相應(yīng)的驅(qū)動程序，用戶無需學(xué)習(xí)各種儀器的通信協(xié)議。VISA獨立于操作系統(tǒng)、總線和編程環(huán)境。換言之，無論使用何種設(shè)備、操作系統(tǒng)和編程語言，均使用相同的應(yīng)用程序接口。開始使用VISA之前，應(yīng)確保選擇合適的儀器控制方法。

2.4.2 數(shù)據(jù)采集模塊

首先是初始化，此處的最重點是VISA的串口配置，調(diào)用“VISA串口配置”函數(shù)中的資源名稱連接口是指定的串口按特定設(shè)置初始化，通過將數(shù)據(jù)連線至VISA資源名稱輸入端，可確定要使用的波特率，數(shù)據(jù)比特，停止位的選擇等。

再次是通過調(diào)用“VISA讀取”函數(shù)，將從VISA資源名稱指定的設(shè)備或接口讀取指定數(shù)量的字節(jié)，并將數(shù)據(jù)返回至讀取緩沖區(qū)?！癡ISA資源名稱”的屬性節(jié)點，選擇instri類的屬性中的Serial Setting：Number of Bytes at Serial port，讀取緩沖區(qū)的字節(jié)數(shù)，并再次返回緩沖區(qū)。

最后是將兩組緩沖區(qū)讀取的字符串變成所需要的不帶符號的字節(jié)數(shù)組，然后通過“插入數(shù)組”控件將兩組數(shù)據(jù)連接起來，最后通過波形圖表顯示控件實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時顯示。圖3所示是串口數(shù)據(jù)的讀取和連接。

圖3 串口數(shù)據(jù)讀取和連接

2.4.3 數(shù)據(jù)分析處理模塊

（1）數(shù)據(jù)寫入二進(jìn)制文件：把采集到的數(shù)據(jù)存放一個數(shù)組里，再連接“數(shù)組至電子表格字符串轉(zhuǎn)換”函數(shù)，使數(shù)組轉(zhuǎn)化為十六進(jìn)制的字符串形式表格，然后再把數(shù)據(jù)寫入二進(jìn)制文件。為了以后方便對數(shù)據(jù)的查詢，可以連接“獲取時間/日期字符串”函數(shù)，把實時采集數(shù)據(jù)的時間記錄下來，寫入二進(jìn)制文件。

（2）數(shù)據(jù)保存：使用“打開-創(chuàng)建-替換文件”函數(shù)，可以將數(shù)據(jù)存儲到一個指定的.txt文檔中。

（3）數(shù)據(jù)清除：有必要把正在采集的數(shù)據(jù)清除掉，以便對下次重新采集數(shù)據(jù)帶來方便，數(shù)據(jù)的清除也即把采集的數(shù)據(jù)變?yōu)榱悖钥梢园巡杉降臄?shù)據(jù)保存到一個簇，利用波形圖表的屬性節(jié)點給簇賦予零值，這樣就實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的清除。

（4）退出程序：利用“關(guān)閉文件”函數(shù)可以關(guān)閉指定的打開文件，并且返回引用原來文件的位置。

2.4.4 采集系統(tǒng)測試結(jié)果

將電路系統(tǒng)連接通路后，計算機(jī)與兩路RS-232進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，運行LabVIEW數(shù)據(jù)采集程序，首先兩個串口初始化綠色指示燈開始閃爍，串口通信成功。接著在計算機(jī)任意處新建一個.txt文檔，給文檔命名，并保存好。點擊“開始采集”按鈕，開始把數(shù)據(jù)寫入剛才建好的文檔，然后保存。這就完成了一次儀器對數(shù)據(jù)的完整記錄。如果想重新記錄一組數(shù)據(jù)的話，先點擊“清除波形”，然后再次重復(fù)以上的操作，就可再次成功記錄數(shù)據(jù)。以上操作就可以完成數(shù)據(jù)的接收校驗、采集監(jiān)控、合并存儲等工作。

3.結(jié)論

本文用LabVIEW設(shè)計的測井?dāng)?shù)據(jù)采集軟件，經(jīng)實踐證明各個模塊功能穩(wěn)定，能準(zhǔn)確采集井下系統(tǒng)上傳的數(shù)據(jù)，實時顯示數(shù)據(jù)波形，并保存到.txt文檔，保存的數(shù)據(jù)可以通過保存的文本文檔再回放出來，前面板布局清楚明了，可直觀的檢測數(shù)據(jù)，憑借多次的實驗測試，可以滿足工程上的需要。

參考文獻(xiàn)

[1]王園園.油水井電磁探傷理論與成像方法研究[D].西安石油學(xué)，2013.

[2]施雅婷.一種改進(jìn)的LabVIEW串口通信系統(tǒng)的實現(xiàn)[J].電子測試，2010（8）.

[3]陳樹學(xué)，劉萱.LabVIEW寶典[M].北京：電子工業(yè)出版社，2011：394-395.

[4]丁宗玲.基于LabVIEW的數(shù)據(jù)采集卡控制和溫度采集方法研究[J].大學(xué)物理實驗，2013，26（1）：81-82.

[5]侯國屏，王坤，葉齊鑫.LabVIEW7.1編程與虛擬儀器設(shè)計[M].北京：清華大學(xué)出版社，2006：170-172.

[6]趙政春，鄧曙光，譚躍.基于LabVIEW的數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)[J].計算機(jī)與數(shù)字工程，2010，38（5）：82-83.

基金項目：國家973計劃資助項目（2011CB707001）;國家自然科學(xué)基金資助項目（61271292）。

作者簡介：

董俊辰，西安石油大學(xué)在讀研究生，研究方向：精密儀器與機(jī)械。

李擁軍，中國石油測井有限公司生產(chǎn)測井中心高級工程師。