基于ARM控制的LWD地面監(jiān)控系統(tǒng)研制與應(yīng)用

馬文奎，陳中權(quán)，張真權(quán)，馬慧斌，安金剛，鄒繼華

(1.航天科工慣性技術(shù)有限公司　北京　100074; 2.中石油長城鉆探工程有限公司測井公司　遼寧　盤錦　124010)

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基于ARM控制的LWD地面監(jiān)控系統(tǒng)研制與應(yīng)用

馬文奎1，陳中權(quán)2，張真權(quán)2，馬慧斌1，安金剛1，鄒繼華1

(1.航天科工慣性技術(shù)有限公司北京100074; 2.中石油長城鉆探工程有限公司測井公司遼寧盤錦124010)

摘要:為解決LWD地面系統(tǒng)現(xiàn)場使用不便的問題，避免儀器操作者繁瑣疲勞，設(shè)計(jì)了一種地面監(jiān)控系統(tǒng)。通過對地面監(jiān)控系統(tǒng)功能要求的分析，制定了基于繼承性產(chǎn)品的最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。結(jié)合現(xiàn)場操作環(huán)境，選取了合適的ARM控制芯片及其他元器件，進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集部分、通斷電控制部分、電路保護(hù)部分、通信部分等電路的設(shè)計(jì)。根據(jù)地面監(jiān)控系統(tǒng)軟件工作流程圖，基于自定的通訊協(xié)議格式，編寫了相應(yīng)的代碼模塊，實(shí)現(xiàn)了嵌入式系統(tǒng)軟硬件的協(xié)同設(shè)計(jì)。實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明，該系統(tǒng)控制、通信、保護(hù)裝置均運(yùn)行正常，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，滿足了隨鉆測井中對井下儀器串監(jiān)控的需要。

關(guān)鍵詞:ARM;監(jiān)控系統(tǒng);采集;保護(hù);協(xié)議

0　引言

LWD電阻率鉆鋌在地面進(jìn)行測試時(shí)，需要進(jìn)行單總線通訊，以驗(yàn)證電阻率短節(jié)的正常工作情況。舊式的電阻率測試儀使用較多的是地面主機(jī)和測試手柄(含單總線電路)，存在以下問題:

1)測試手柄位于井臺，環(huán)境較惡劣，手柄里的單總線電路易進(jìn)水、泥漿等，存在隱患;在實(shí)際操作過程中，操作者需重點(diǎn)關(guān)注手柄等部件，易分散工作注意力;

2)測試線纜過長，整套系統(tǒng)工作后耗電流約0.7 A，會(huì)在100 m長線纜上產(chǎn)生7 V左右的壓降，供至系統(tǒng)電壓只有約17 V(實(shí)測值)，電壓低于系統(tǒng)設(shè)計(jì)最低供電電壓;

3)整套系統(tǒng)無儀器的供電電壓和電流顯示，在實(shí)際操作過程中無法判定儀器供電是否正常，增加電流和電壓指示，可以為現(xiàn)場操作者提供明顯的參考，用以指導(dǎo)操作;

4)在實(shí)際操作過程中，需要對儀器進(jìn)行通斷電操作，現(xiàn)有的操作方式，需要關(guān)閉地面主機(jī)才能實(shí)現(xiàn)，但關(guān)閉地面主機(jī)重啟又需要較長時(shí)間，給現(xiàn)場操作帶來了較多不便。

為避免和解決諸多不便之處，研制開發(fā)了地面監(jiān)控系統(tǒng)。作為LWD隨鉆測井的一個(gè)重要組成部分，在儀器下井前，可通過監(jiān)控系統(tǒng)對井下系統(tǒng)儀器串進(jìn)行測試，如儀器電壓是否正常，電流是否正常，通訊(收發(fā)數(shù)據(jù))是否正常等等，并實(shí)現(xiàn)對故障異常情況的電路保護(hù)。各項(xiàng)指標(biāo)的正確測試結(jié)果作為儀器串安全下井的必要條件，從而最大程度的保證井下儀器串工作的可靠性，節(jié)約施工時(shí)間和施工成本。

1　隨鉆測井地面監(jiān)控系統(tǒng)的組成

根據(jù)隨鉆測井地面監(jiān)控系統(tǒng)的功能要求，有兩個(gè)技術(shù)方案進(jìn)行選擇。

1)增加地面主機(jī)功能

此方案的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)組件物理組成少，系統(tǒng)相對簡化;缺點(diǎn)是現(xiàn)有地面主機(jī)內(nèi)部空間過小，無處添加新的電路板和器件。

2)增加地面監(jiān)控盒

將所有功能設(shè)計(jì)在地面監(jiān)控盒內(nèi)，盒子串接在信號轉(zhuǎn)接線纜(以下簡稱“短線纜”)中央。此方案的優(yōu)點(diǎn)是不需對現(xiàn)有的系統(tǒng)進(jìn)行改動(dòng)，在現(xiàn)有產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，重新設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能的電路(軟硬件)，放置在監(jiān)控盒內(nèi)部，對外連接;另外，井臺上測試手柄內(nèi)部有單總線電路，容易進(jìn)水、泥漿等導(dǎo)致無法正常工作，把單總線電路移植到井房的監(jiān)控盒后，可有效避免進(jìn)水等問題。在井場的施工和使用上，只需在線纜上掛接一個(gè)小盒子，不會(huì)帶來不利因素。

由于第二種方案可以在現(xiàn)有長線纜和地面主機(jī)的基礎(chǔ)上使用，擴(kuò)展性強(qiáng)，優(yōu)化性強(qiáng)，且優(yōu)點(diǎn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于缺點(diǎn)，故采用此方案進(jìn)行地面監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

隨鉆測井地面監(jiān)控系統(tǒng)主要由PC機(jī)、司顯、井深、地面主機(jī)、地面監(jiān)控盒、短線纜、200 m線纜盤等組成，組成框圖如圖1所示。

圖1　隨鉆測井地面監(jiān)控系統(tǒng)組成框圖

系統(tǒng)的上位機(jī)采用筆記本電腦，操作系統(tǒng)為WINDOWS XP或WIN7，下位機(jī)為監(jiān)控盒和地面主機(jī)。監(jiān)控盒具備以下幾個(gè)功能:第一，地面監(jiān)控盒的供電由地面主機(jī)供應(yīng)，內(nèi)置供電保護(hù)電路后輸送給井下儀器串;第二，監(jiān)控盒連續(xù)不斷地采集供電電壓、供電電流等信息;第三，監(jiān)控盒將采集到的參數(shù)以一定的通訊協(xié)議經(jīng)地面主機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)給PC機(jī);第四，內(nèi)置RS485－單總線轉(zhuǎn)換電路，將RS485信號載波到電力線上，使得系統(tǒng)可以直接通過一根單總線控制井下儀器串;第五，監(jiān)控盒面板上具備電壓表顯示、指示燈供電指示、手動(dòng)上電開關(guān)等。

系統(tǒng)中可通過200 m線纜盤實(shí)現(xiàn)線纜的延長，從而完成短距離和長距離兩種方式的可靠通信。井下儀器串的通斷電也可通過手動(dòng)切換開關(guān)和PC機(jī)自動(dòng)控制兩種方式實(shí)現(xiàn)。

2　地面監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)隨鉆測井地面監(jiān)控系統(tǒng)的需求，設(shè)計(jì)了地面監(jiān)控盒的硬件原理框圖，如圖2所示。地面監(jiān)控基于TI公司的ARM芯片LM3S8962［1］進(jìn)行設(shè)計(jì)，分為電源變換部分、數(shù)據(jù)采集部分、通斷電控制部分、電路保護(hù)部分、通信部分、單總線轉(zhuǎn)換部分等。

圖2　地面監(jiān)控盒硬件原理框圖

ARM芯片選用LM3S8962，是TI首款基于ARM?CortexTM－M3內(nèi)核的控制器，尤其適合于工業(yè)控制。32位RISC指令集，256 KB單周期Flash，4個(gè)通用定時(shí)器模塊，2個(gè)完全可編程的16C550－type UART，極低功耗模式，高達(dá)7 個(gè)GPIO模塊，4通道10位ADC，100－pin小占位面積封裝?？赏ㄟ^JTAG接口完成對目標(biāo)系統(tǒng)的配置，實(shí)時(shí)在線調(diào)試燒寫。內(nèi)核供電電壓2.5 V，I/O供電電壓3.3 V，優(yōu)先給內(nèi)核供電。1個(gè)6 MHz晶振，可PLL至20 MHz。

2.1電源變換部分

輸入電壓為寬范圍21～32 V，為實(shí)現(xiàn)對內(nèi)部芯片的供電。需要將輸入電壓轉(zhuǎn)換為5 V及3.3 V，同時(shí)實(shí)現(xiàn)一定的過壓、過流、短路保護(hù)。本設(shè)計(jì)采用LM2576開關(guān)型降壓穩(wěn)壓器和AMS1117－3.3 LDO穩(wěn)壓器來實(shí)現(xiàn)。同時(shí)采用磁珠實(shí)現(xiàn)數(shù)字供電和模擬供電的隔離。電源變換部分原理圖見圖3。

圖3　電源變換部分原理圖

2.2數(shù)據(jù)采集部分［2］

數(shù)據(jù)采集部分要求達(dá)到雙通道、0～3 V信號輸入。隨鉆測井實(shí)際工作時(shí)要求的采樣頻率并不高，1 s更新一次數(shù)據(jù)即可。電壓指示量程要求至少0～30 V，精度不低于±0.5 V。電流指示量程要求至少2 A，精度不低于0.1 A。ARM自帶的10 bit ADC采樣精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)可以滿足要求。其自帶4個(gè)ADC輸入通道，具有500 MSPS高采樣速率、低功耗、高信噪比的特點(diǎn)。同時(shí)ARM硬件上可對多達(dá)64個(gè)采樣值進(jìn)行平均計(jì)算，以便提高精度。軟件上，基于ARM的ADC模塊含有一個(gè)可編程的序列發(fā)生器，它可在無需控制器干涉的情況下對多個(gè)模擬輸入源進(jìn)行采樣。4個(gè)可編程的采樣轉(zhuǎn)換序列，入口長度1到8，每個(gè)序列均帶有相應(yīng)的轉(zhuǎn)換結(jié)果FIFO。每個(gè)采樣序列均對完全可配置的輸入源、觸發(fā)事件、中斷的產(chǎn)生和序列優(yōu)先級提供靈活的編程。

電路連接使用2路單端輸入，中斷方式接收數(shù)據(jù)。采集電路分為采樣電壓和采樣電流兩個(gè)部分。采樣電壓部分用分壓電阻獲取小電壓模擬信號，經(jīng)電壓跟隨器進(jìn)行高低阻抗匹配后，進(jìn)行一階濾波后送給ADC進(jìn)行采集。同樣，采樣電流部分是通過在負(fù)載側(cè)串聯(lián)一個(gè)功率采樣電阻，經(jīng)旁路電流監(jiān)控器進(jìn)行模擬監(jiān)控放大，輸出經(jīng)電壓跟隨器進(jìn)行高低阻抗匹配后，進(jìn)行一階濾波后送給ADC進(jìn)行采集。為保證高精度，減少數(shù)字噪聲對模擬信號的影響，在電源輸入端加去耦電路，同時(shí)將數(shù)字信號、電源、地線分層布線，減少模擬信號干擾。電壓及電流采集前端原理圖如圖4所示。

圖4　電壓及電流采集前端原理圖

2.3通斷電控制部分

通斷電控制部分通過繼電器來實(shí)現(xiàn)。由于繼電器的線圈驅(qū)動(dòng)需要至少89.3 mA電流，故在前端施加三極管驅(qū)動(dòng)放大電路。通過ARM I/O口控制高低電平的輸出，實(shí)現(xiàn)繼電器輔助部分常開端和常閉端的切換，從而實(shí)現(xiàn)對負(fù)載的控制。同時(shí)可通過手動(dòng)開關(guān)來實(shí)現(xiàn)對負(fù)載的開關(guān)電。通斷電控制部分原理圖如圖5所示。

圖5　通斷電控制部分原理圖

2.4保護(hù)部分［3］

保護(hù)部分通過自動(dòng)智能檢測和熱保護(hù)來實(shí)現(xiàn)。自動(dòng)智能檢測分兩部分，一是通電瞬間的過流保護(hù)。上位機(jī)發(fā)通信命令通過RS485總線傳遞給ARM，ARM通過控制I/O為高電平，繼電器動(dòng)作使負(fù)載通電。當(dāng)ADC模塊檢測到通電電流大于2 A時(shí)，ARM自動(dòng)控制I/O為低電平，迅速使繼電器恢復(fù)默認(rèn)狀態(tài)，切斷電源供電。二是運(yùn)行中的過流保護(hù)。負(fù)載在正常供電期間，突然發(fā)生短路、低阻抗等情況時(shí)，ADC模塊檢測到運(yùn)行電流大于2 A時(shí)，ARM也可通過控制I/O使得負(fù)載斷電，從而避免負(fù)載通過過大電流而出現(xiàn)異常、燒毀等情況。熱保護(hù)通過LM2576供電保護(hù)芯片實(shí)現(xiàn)，當(dāng)以手動(dòng)方式通電時(shí)，如果出現(xiàn)過載、短路等電流大于3 A的情況時(shí)，LM2576內(nèi)部電路檢測到過熱后，會(huì)激活熱關(guān)斷功能，從而實(shí)現(xiàn)電流限制保護(hù)。

2.5通信部分

通信部分為RS485總線，按照自定的通信協(xié)議，下位機(jī)通過地面主機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)與上位機(jī)PC機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。ARM自身不帶RS485接口，本設(shè)計(jì)中通過RS485隔離芯片實(shí)現(xiàn)RS232與RS485總線的轉(zhuǎn)換。本設(shè)計(jì)中另具備RS485－單總線轉(zhuǎn)換電路，可通過電力載波與井下儀器串進(jìn)行通信。RS485通信部分原理圖如圖6所示。

圖6　RS485通信部分原理圖

2.6單總線轉(zhuǎn)換部分［4］

地面監(jiān)控盒除了使用RS485總線可以與井下儀器串進(jìn)行數(shù)據(jù)交互外，還要通過單總線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，即依據(jù)電壓疊加原理，將數(shù)據(jù)疊加在電力線的直流供電電壓上，實(shí)現(xiàn)載波通信。這樣的好處是電纜線束可以減小到一根，利用單芯屏蔽線纜即可實(shí)現(xiàn)對井下儀器串的檢測控制，減輕電纜重量，節(jié)省成本。單總線轉(zhuǎn)換框圖如圖7所示。其中，對于ASK調(diào)制解調(diào)，總線上有信號代表高電平，無信號代表低電平。調(diào)制解調(diào)、放大、濾波電路均由電源供電，最終的單總線信號疊加在電源線上。

3　地面監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

地面監(jiān)控系統(tǒng)的軟件流程圖［5］如圖8所示。

圖7　單總線轉(zhuǎn)換框圖

3.1協(xié)議格式

軟件中采用自定的通訊格式。計(jì)算機(jī)向其他設(shè)備發(fā)送的數(shù)據(jù)通訊格式為16字節(jié)幀頭，1字節(jié)接收方地址，1字節(jié)發(fā)送方地址，1字節(jié)命令字，1字節(jié)后續(xù)字節(jié)長度，若干字節(jié)數(shù)據(jù)，1字節(jié)校驗(yàn)。校驗(yàn)采用異或校驗(yàn)方式。其他設(shè)備應(yīng)答計(jì)算機(jī)命令的數(shù)據(jù)通訊格式與計(jì)算機(jī)向其他設(shè)備發(fā)送的數(shù)據(jù)通訊格式類似。

串口通訊設(shè)備地址定義為:計(jì)算機(jī)－46H，地面主機(jī)－4EH，儀器串監(jiān)控盒－60H。

圖8　地面監(jiān)控系統(tǒng)工作流程圖

命令字控制為3個(gè)，分別是連接儀器、控制繼電器通斷電命令、讀取儀器串電壓電流命令。

3.2連接命令

本功能說明: PC軟件運(yùn)行后，須先選擇“通訊”菜單下的“連接儀器”，此時(shí)計(jì)算機(jī)向所有設(shè)備發(fā)出命令，以檢測各設(shè)備是否掛接，如設(shè)備返回?cái)?shù)據(jù)異?；驘o返回，則計(jì)算機(jī)軟件中對應(yīng)此設(shè)備的部分功能不可用。

3.3通斷電控制命令

上位機(jī)可通過監(jiān)控盒實(shí)現(xiàn)儀器串的通斷電，同時(shí)監(jiān)控盒將儀器串通電、斷電狀態(tài)信息傳送給上位機(jī)。監(jiān)控盒回應(yīng)數(shù)據(jù)不受機(jī)械開關(guān)狀態(tài)的影響。如上位機(jī)發(fā)命令控制儀器串?dāng)嚯姡O(jiān)控盒回應(yīng)相應(yīng)數(shù)據(jù)，此后機(jī)械開關(guān)通電，監(jiān)控盒不受任何影響。即自動(dòng)上電和手動(dòng)上電為并聯(lián)關(guān)系。

3.4讀取參數(shù)命令

連續(xù)采集給儀器串供電的電壓量和電流量，采集精度不低于指示表的精度。采集完的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送給上位機(jī)。電流和電壓滿量程均為0x3FFh(3 V)，采集的電壓量為原始值的1/10，電流值為原始值的1/20。在上位機(jī)界面中，把此信息量再還原為原始值供用戶觀測。

4　試驗(yàn)結(jié)果

地面監(jiān)控系統(tǒng)在川慶油田某井位進(jìn)行了實(shí)際驗(yàn)證。隨鉆測井儀器在下井前，不論是短線纜還是長線纜，手動(dòng)控制或自動(dòng)控制，監(jiān)控系統(tǒng)均通斷電執(zhí)行正確，電壓、電流指示無誤，RS485總線及單總線收發(fā)數(shù)據(jù)正常，具有很高的可靠性。當(dāng)有短路、過載等異常情況發(fā)生時(shí)，監(jiān)控盒能及時(shí)動(dòng)作執(zhí)行保護(hù)功能。同時(shí)本監(jiān)控盒尺寸為173 mm×80 mm×58 mm，尺寸小巧，現(xiàn)場使用方便靈活。

5　結(jié)論

1)由于油田屬于復(fù)雜苛刻惡劣的環(huán)境，柴油發(fā)電機(jī)、泵機(jī)等電磁干擾嚴(yán)重，風(fēng)雪雨霧雷電天氣照常作業(yè)、靜電干擾、浪涌現(xiàn)象都無法避免，本設(shè)計(jì)充分考慮了各種保護(hù)措施。

2)本系統(tǒng)電氣上采用了高性價(jià)比的ARM處理芯片，其片內(nèi)集成了ADC、GPIO、RS232等外圍設(shè)備接口，具有低成本、低功耗、高性能、擴(kuò)展性及冗余性強(qiáng)等特點(diǎn)。同時(shí)采用RS485總線與系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，節(jié)點(diǎn)擴(kuò)展性強(qiáng)。結(jié)構(gòu)上，盒體內(nèi)部加裝密封圈，殼體對外不留縫隙，防水性強(qiáng)。ARM作為低功耗器件，保證了熱設(shè)計(jì)和供電衰減設(shè)計(jì)?？傊?，在功能滿足要求的前提下，電磁兼容、防水防雷防潮等均得到了滿足。

3)本設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)是產(chǎn)品小巧堅(jiān)固耐用，成本低，可靠性高，兼容性強(qiáng)，使用方便?，F(xiàn)場運(yùn)行結(jié)果說明，本儀器產(chǎn)品架構(gòu)設(shè)計(jì)合理，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，測量參數(shù)準(zhǔn)確，功能保護(hù)齊全，能夠滿足隨鉆測井中對井下儀器串監(jiān)控的需要，可大量用于各大油田的隨鉆測井系統(tǒng)中，完成對現(xiàn)場儀器串(包括電阻率測試儀、中控短節(jié)、旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具等)的測試。

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Development and Application of LWD Ground Monitoring System Based on ARM Chip

MA Wenkui1，CHEN Zhongquan2，ZHANG Zhenquan2，MA Huibin1，AN Jingang1，ZOU Jihua1
(1.China Aerospace Science and Industrial inertial technology Company，Beijing 100074，China; 2.GWDC Drilling Company，Panjin，Liaoning 124010，China)

Abstract:A ground monitoring system was designed to solve the problem of locale inconveniences from LWD ground system operation and the problem of the operator's repeating and tiring work.The optimal scheme was designed based on the inheritable products through the analysis of requirement of ground monitoring system.Combing with the locale environment，selection was done with the ARM chip and other parts，then the design was accomplished by the schematics，which includes datum sampling part，power and break part，power protect part and corresponding part.According to the software process diagram of monitoring system，code modules was compiled based on user-defined corresponding protocol format，thus realized the cooperate design of embedded system.The result of actual application showed that the system controlling，corresponding，and protecting run normally，and the technical parameters meet the design qualification and the need of monitoring the downhole instrument string in LWD system.

Key words:ARM; monitoring system; sample; protect; protocol

(收稿日期:2015－02－11編輯:姜婷)

第一作者簡介:馬文奎，男，1984年生，碩士，工程師，2006年畢業(yè)于哈爾濱工程大學(xué)自動(dòng)化專業(yè)，現(xiàn)在航天科工慣性技術(shù)有限公司從事隨鉆測井儀器的總體研發(fā)工作。E-mail: kidma666@ aliyun.com

中圖法分類號:TN914

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

文章編號:2096－0077(2016)01－0018－05