基于PIC的井下數(shù)據(jù)采集與大容量存儲(chǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉西安，陳 萍

（西安石油大學(xué)電子工程學(xué)院 陜西 西安 710065）

基于PIC的井下數(shù)據(jù)采集與大容量存儲(chǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉西安，陳 萍

（西安石油大學(xué)電子工程學(xué)院 陜西 西安 710065）

在旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)的研究中，針對(duì)隨鉆測(cè)井過(guò)程中測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)實(shí)時(shí)大容量存儲(chǔ)的需求，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)適應(yīng)井下高溫環(huán)境要求的近鉆頭隨鉆測(cè)量井下工況數(shù)據(jù)采集與大容量存儲(chǔ)的單片機(jī)系統(tǒng)，該系統(tǒng)選用Nand Flash作為存儲(chǔ)介質(zhì)，采用dsPIC33FJ128數(shù)字信號(hào)控制器為主控芯片，進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集與存儲(chǔ)，完成了軟硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)能夠適應(yīng)于井下的高溫環(huán)境，滿足井下傳感器信號(hào)采集與大容量存儲(chǔ)的需要，對(duì)隨鉆測(cè)井具有重要的實(shí)用價(jià)值。

井下數(shù)據(jù)采集；PIC；大容量存儲(chǔ)；Nand Flash；高溫

1 引言

旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)是在20世紀(jì)90年代初開(kāi)發(fā)的一種新型的自動(dòng)化鉆井技術(shù)[1]，不僅提高了鉆進(jìn)速度、減少了事故，而且降低了鉆井成本。旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具在鉆井過(guò)程中，井下鉆探傳感器輸出的信號(hào)，被采集到通過(guò)泥漿或無(wú)線電波傳輸?shù)降孛鎇3]，但泥漿和無(wú)線電波的傳輸速率都比較慢，由于鉆井工具工作時(shí)間長(zhǎng)，隨鉆傳感器采集的數(shù)據(jù)量大，數(shù)據(jù)從井下到地面的傳輸速率較低，易致大量的井下參數(shù)數(shù)據(jù)丟失，因此需要將測(cè)量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在大容量?jī)?nèi)存中，待PC讀出后進(jìn)行工程技術(shù)數(shù)據(jù)分析。但是在井下鉆進(jìn)過(guò)程中，由于振動(dòng)、溫度等原因的影響，目前市面上常用的磁盤(pán)、硬盤(pán)、U盤(pán)、TF卡等存儲(chǔ)器都不能夠滿足井下工作環(huán)境下要求。

針對(duì)上述工程實(shí)際問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)適應(yīng)井下高溫環(huán)境要求的近鉆頭隨鉆測(cè)量井下工況數(shù)據(jù)采集與大容量存儲(chǔ)的單片機(jī)系統(tǒng)，該系統(tǒng)選用Nand Flash作為存儲(chǔ)介質(zhì)，采用dsPIC33FJ128數(shù)字信號(hào)控制器為主控芯片，進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集與存儲(chǔ)，完成了軟硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)，在存儲(chǔ)容量和使用壽命方面，比使用EEPROM作為井下存儲(chǔ)設(shè)備的存儲(chǔ)介質(zhì)更好。該系統(tǒng)能夠適應(yīng)于井下的高溫環(huán)境，滿足井下傳感器信號(hào)采集與大容量存儲(chǔ)的需要，對(duì)隨鉆測(cè)井具有重要的實(shí)用價(jià)值。

2 系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的井下數(shù)據(jù)采集與大容量存儲(chǔ)系統(tǒng)是相對(duì)獨(dú)立的模塊，可嵌入智能傳感器主控電路，將傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，特別是當(dāng)傳感器數(shù)據(jù)需要單獨(dú)的高速實(shí)時(shí)存儲(chǔ)，如三軸加速度采集、兩軸振動(dòng)采集、陀螺儀轉(zhuǎn)速采集等。

本系統(tǒng)以16位dsPIC33FJ128MC804單片機(jī)為控制核心，將各個(gè)傳感器采集的電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路，通過(guò)集成在單片機(jī)內(nèi)部的A/D模塊采集電壓信號(hào)，然后將這些電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，直接緩存到單片機(jī)的DMA模塊的緩沖區(qū)中，完成快速讀取，然后把DMA緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于大容量的Nand Flash，結(jié)果將各個(gè)傳感器采集的大量數(shù)據(jù)都保存起來(lái)，待起鉆后用PC機(jī)中的上位機(jī)將數(shù)據(jù)讀出，以供工程技術(shù)人員進(jìn)行詳細(xì)分析。系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

3 Nand Flash存儲(chǔ)器

3.1 Nand Flash分類(lèi)

閃存是一種非易失性存儲(chǔ)設(shè)備，作為快速且安全的存儲(chǔ)介質(zhì)，具有掉電后數(shù)據(jù)不丟失、成本低、容量大、體積小等一系列特點(diǎn)。從存儲(chǔ)容量來(lái)看，Nand Flash有大容量與小容量之分，大容量即每頁(yè)（2048+64）字節(jié)，小容量即每頁(yè)（512+16）字節(jié)。從存儲(chǔ)單元來(lái)看，Nand Flash又有SLC（Single Level Cell單層單元）架構(gòu) 與MLC（Multi Level Cell多層單元）架構(gòu)之分。SLC具有容量小、成本高、速度快等特點(diǎn)，而MLC特點(diǎn)是容量大、成本低、速度相對(duì)于SLC較慢。單層單元閃存技術(shù)是在Nand Flash的每個(gè)存儲(chǔ)單元里存儲(chǔ)1個(gè)bit的信息，這樣就可以將數(shù)據(jù)一位一位地儲(chǔ)存在閃存的每一個(gè)單元里，這種單層式存儲(chǔ)技術(shù)可以快速地進(jìn)行程序編程與讀取。MLC就是在Nand Flash中的單個(gè)存儲(chǔ)單元可以存儲(chǔ)多個(gè)bit信息，通過(guò)不同電位的電荷，經(jīng)過(guò)存儲(chǔ)單元儲(chǔ)存格的不同電壓精確控制，存儲(chǔ)成不同的數(shù)據(jù)。也就是說(shuō)，一個(gè)存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)多個(gè)bit，常見(jiàn)MLC架構(gòu)的Nand Flash中每個(gè)存儲(chǔ)單元可存放2個(gè)bit，其容量等于SLC架構(gòu)芯片的兩倍。由于其大容量和價(jià)格優(yōu)勢(shì)，MLC有著良好的應(yīng)用前景。

3.2 Nand Flash結(jié)構(gòu)

考慮到井下工作環(huán)境的特殊性，Nand Flash用來(lái)保存大容量的數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)采用三星公司的大容量MLC架構(gòu)的Nand Flash存儲(chǔ)器芯片K9K8G08U0A，此芯片供電電壓范圍是2.7～3.6V，總的容量是（1G+32M）*8位，其中，數(shù)據(jù)區(qū)為1G字節(jié)，信息區(qū)為32M字節(jié)，頁(yè)緩存為（2K+64）字節(jié)。對(duì)于Nand Flash的組織，使用層次結(jié)構(gòu)的整體結(jié)構(gòu)，以頁(yè)為最小單位，頁(yè)大小為（2K+64）字節(jié)，Nand Flash是以頁(yè)為單位進(jìn)行編程和讀操作的；一個(gè)塊是由64頁(yè)構(gòu)成的，其大小為（128K+4K）字節(jié)，Nand Flash是以塊為單位進(jìn)行擦除的；此Nand Flash芯片由8192個(gè)塊組成。

4 硬件電路設(shè)計(jì)

4.1 主控芯片電路設(shè)計(jì)

選用Microchip的微控制器dsPIC33FJ128MC804-H/PT(簡(jiǎn)稱MC804)為主控芯片，此芯片最高工作溫度達(dá)+150℃[4]，外設(shè)資源豐富，引腳有映射功能可以靈活使用外設(shè)，主控芯片電路原理圖如圖2所示。

圖2 主控芯片電路原理圖

MC804的輸入電源為3.3V。在150℃下，CPU最高工作速度為40MIPS，此時(shí)工作電流為60mA左右。dsPIC33FJ系列芯片為DSC類(lèi)型MCU，內(nèi)部集成DSP單元，具有微控制器對(duì)I/0的控制能力和DSP強(qiáng)大的計(jì)算能力。核心芯片可以采集井下6路模擬信號(hào)，對(duì)井下模擬信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)；使用RC口的低8位與Nand Flash的8位數(shù)據(jù)I/O端口對(duì)應(yīng)相連接，從而實(shí)現(xiàn)井下數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能。

4.2 Nand Flash接口電路設(shè)計(jì)

Nand Flash存儲(chǔ)器芯片接口電路，如圖3所示。

圖3 Nand Flash接口電路

該系統(tǒng)選用三星公司的Nand Flash型K9K8G08U0A芯片作為存儲(chǔ)器件，本Flash供電電壓是3.3V，工作溫度是-40℃～+125℃[5]。其I/O端口是一個(gè)8位通用數(shù)據(jù)地址線，可用作為命令的輸入或地址的輸入，還可用作數(shù)據(jù)的輸入/輸出。分別將Nand Flash芯片的8個(gè)通用I/O端口與MC804的RC口的RC0～RC7端口相應(yīng)連接，與單片機(jī)進(jìn)行并行通訊，用于輸入地址/數(shù)據(jù)/命令，輸出數(shù)據(jù)，這種復(fù)用形式節(jié)省了單片機(jī)硬件端口資源。它的各個(gè)控制使能端，與MC804主控芯片的RA口、RB口相應(yīng)引腳相連接。從而實(shí)現(xiàn)MC804對(duì)Nand Flash芯片讀、寫(xiě)、擦除、檢驗(yàn)等操作，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)井下大量數(shù)據(jù)的可靠存儲(chǔ)。

5 結(jié)語(yǔ)

該數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)系統(tǒng)選用的主控芯片和存儲(chǔ)器芯片都具有耐高溫、低成本、小體積、數(shù)據(jù)傳輸速度快等優(yōu)點(diǎn)，尤其是存儲(chǔ)器芯片K9K8G08U0A容量大、功耗低、易于讀寫(xiě)等特點(diǎn)，可以很好地適應(yīng)井下高溫環(huán)境，其并行數(shù)據(jù)/地址復(fù)用端口與主控芯片相應(yīng)通用端口的硬件連接，節(jié)省了主控芯片的端口資源，提高了系統(tǒng)存儲(chǔ)時(shí)間。完成了通過(guò)MC804對(duì)該Flash芯片的讀寫(xiě)擦除等操作程序，在該存儲(chǔ)芯片沒(méi)有壞塊情況下，完成了讀該Flash芯片ID，連續(xù)塊擦除、頁(yè)寫(xiě)、頁(yè)讀等程序的開(kāi)發(fā)，程序均能可靠正確執(zhí)行，同時(shí)內(nèi)嵌了ECC算法，實(shí)現(xiàn)了高速數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)可靠存儲(chǔ)的功能。所選用的電子元件工作溫度均達(dá)到或超過(guò)125℃，系統(tǒng)可適應(yīng)井下高溫環(huán)境，滿足井下鉆井儀器設(shè)備對(duì)井下數(shù)據(jù)大容量存儲(chǔ)的要求。

[1]狄勤豐，張紹槐.旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)測(cè)量技術(shù)研究[J].石油鉆探技術(shù),1998,26(2):50-53.

[2]李松林，蘇義腦，董海平.美國(guó)自動(dòng)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具結(jié)構(gòu)原理及特點(diǎn)[J].國(guó)外石油機(jī)械，2000,28(1):42-55.

[3]牛林林.隨鉆測(cè)井的數(shù)據(jù)傳輸[J].國(guó)外測(cè)井技術(shù),2009,174(12):7-9.

[4] Microchip Technology, Inc. dsPIC33FJXXXMCX02/X04 DataSheet (04/18/2011)[Z]. http://ww1.microchip.com/downloads/cn/DeviceDoc/70291b_cn.pdf, 2011.

[5] http://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/139792/SAMSUNG/K9K8G08U0A.html

TP274.2 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1009-5624（2018）01-0239-03

西安石油大學(xué)研究生創(chuàng)新與實(shí)踐能力培養(yǎng)項(xiàng)目資助（YCS17123012）

劉西安（1989-）男，漢族，陜西省咸陽(yáng)人，西安石油大學(xué)碩士研究生在讀，研究方向：油氣井井下測(cè)控技術(shù)。