1.引言

隨著現(xiàn)代鉆井工程中高難度定向井、叢式井越來越多，隨鉆測斜儀作為定向測量工具在現(xiàn)代鉆井工程中的重要性表現(xiàn)得更加井斜測量的主要內(nèi)容就是井斜角和井斜相對方位角的測量。本文提出了一種基于單片機(jī)與CAN總線的隨鉆測斜儀突出。及其信號采樣、傳感器數(shù)據(jù)補(bǔ)償程序的實(shí)現(xiàn)。CAN總線具有傳輸速率快、傳輸穩(wěn)定、容量大，是國際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場總線之一，其性能能夠很好地滿足測井站的實(shí)際要求[2]。

2.硬件結(jié)構(gòu)

測斜儀由井下部分和地面部分組成，井下儀器完成傾斜角、方位角的測量，通過CAN總線把測量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地傳遞到地面，地面系統(tǒng)對井下傳上來的信息進(jìn)行接收、處理、顯示等。隨鉆測斜儀的井下傳感器采用3軸加速度計(jì)和3個(gè)磁通門構(gòu)成，加速度傳感器用于感知井斜信息，方位信息由磁通門測得[1]。在時(shí)序電路控制下，井下多個(gè)傳感器信號經(jīng)多路開關(guān)切換至A/D變換器，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號經(jīng)MCU封裝成報(bào)文，然后送到CAN總線上傳輸，井上設(shè)備接收CAN總線送來的數(shù)據(jù)，依據(jù)數(shù)學(xué)模型計(jì)算出井斜角和方位角等信息，并描繪井眼軌跡曲線，最后進(jìn)行顯示和保存等。測斜儀的系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2.1 磁通門傳感器

磁通門傳感器是測量地磁場強(qiáng)度、井眼方位、磁性工具面和地磁傾角的重要原件，利用被測磁場中高導(dǎo)磁鐵芯在交變磁場的飽和激勵(lì)下，它的磁感應(yīng)強(qiáng)度與磁場強(qiáng)度的非線性關(guān)系來測量弱磁場的強(qiáng)度[5]。本系統(tǒng)采用Honeywell公司的HMC1052雙軸線性磁性傳感器，它具有低功耗、高精度、高性能等特點(diǎn)，采用10腳MSOP封裝形式，供電電壓1.8V-20V，每個(gè)器件內(nèi)集成了兩個(gè)惠斯電橋，每個(gè)可以獨(dú)立上電，以減少功耗。監(jiān)測磁場范圍達(dá)±60Gauss，靈敏度達(dá)1.0mv/v/gauss，正交雙軸感應(yīng)誤差＜0.01°，且靈敏度互相匹配，消除了指向誤差。片內(nèi)集成了霍尼威爾公司取得專利的置位/復(fù)位技術(shù)，因而可以減少溫度漂移、非線性及在高磁場環(huán)境中對輸出信號造成的影響，片內(nèi)偏置電路則可消除磁場失真的影響。HMC1052的電路原理圖如圖2所示[4]。

2.2 加速度傳感器

加速度傳感器一般由質(zhì)量塊、敏感元件、彈性構(gòu)件構(gòu)成，其基本工作原理是[7]：當(dāng)被測物體產(chǎn)生加速度時(shí)，加速度傳感器中的質(zhì)量塊產(chǎn)生慣性力，在慣性力的作用下，連接質(zhì)量塊的彈性構(gòu)件產(chǎn)生形變，敏感元件檢測出形變大小，形變大小與加速度是成比例的，從而間接測出了物體運(yùn)動(dòng)加速度的大小。本系統(tǒng)采用Freescale公司MMA7260低成本微型電容式三軸加速度傳感器，具有低功耗、高靈敏度、快速啟動(dòng)、體積小等特點(diǎn)，提供可選靈敏度（1.5g/2g/4g/6g），在1.5g時(shí)靈敏度高達(dá)800mv/g，工作電壓2.2V-3.6V，功耗低至500uA，休眠模式時(shí)僅3uA，啟動(dòng)時(shí)間200ms，采用了信號調(diào)理、單極低通濾波器和溫度補(bǔ)償技術(shù)，穩(wěn)定好、防震能力強(qiáng)。MMA7260的電路原理圖如圖3所示[6]。

2.3 其它電路

本系統(tǒng)的主控芯片采用NXP公司的P89V51RC2微處理器，其它主要芯片有AD977、8選1模擬開關(guān)CD4051，CAN控制器SJA1000、CAN收發(fā)器CTM1050組成，由傳感器采集到的模擬信號經(jīng)INA128放大后，通過CD4051選通一個(gè)信號，經(jīng)過OP07實(shí)現(xiàn)阻抗匹配后送入AD977進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)果送至MCU，然后送至CAN模塊進(jìn)行傳輸。MCU與AD977的通訊采用SPI協(xié)議，P89V51RC2電路原理圖如圖4所示[8]，圖5為CAN控制器、收發(fā)器電路[3][9]。

3.軟件設(shè)計(jì)

圖1 系統(tǒng)框圖

圖2 磁通門傳感器的電路原理圖

圖3 加速度傳感器的電路原理圖

圖4 單片機(jī)的電路原理圖

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括三大部分：信號采樣、傳感器補(bǔ)償、濾波，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為了消除傳感器通道中的干擾信號的影響常采用濾波技術(shù)，RLC網(wǎng)絡(luò)是常見的硬件濾波，采用軟件實(shí)現(xiàn)的數(shù)字濾波常見的有中值濾波、算數(shù)平均濾波、去極值平均濾波、加權(quán)平均濾波、滑動(dòng)平均濾波、低通濾波等。本系統(tǒng)采用的是中值濾波法，連續(xù)采樣N次（N為奇數(shù)），對這N次結(jié)果進(jìn)行大小排序，取其中間值。其優(yōu)點(diǎn)是能有效克服因偶然因素引起的波動(dòng)干擾，對溫度、液位的變化緩慢的被測參數(shù)有良好的濾波效果。

圖5 通信模塊電路圖

圖6 AD977基本時(shí)序圖

圖7 信號采樣流程圖

圖8 傳感器數(shù)據(jù)補(bǔ)償流程圖

3.1 信號采樣程序

AD977是一個(gè)高速串行輸出的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其基本轉(zhuǎn)換時(shí)序圖如圖6所示，AD數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換程序流程圖如圖7所示。

3.2 傳感器補(bǔ)償程序

隨鉆測斜儀的測量誤差分析是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵步驟之一，它直接影響了測量的精度和有效性。測量誤差主要來源于三方面，一是傳感器本身的誤差，二是傳感器在探管坐標(biāo)系上的安裝誤差，三是信號處理與傳輸電路的誤差[10]。傳感器補(bǔ)償程序流程如圖8所示。

4.測試及結(jié)束語

（1）A/D轉(zhuǎn)換精確度和CAN總線傳輸穩(wěn)定性測試，測試采用baseCAN標(biāo)準(zhǔn)幀格式，通過分析計(jì)算機(jī)接收到的5幀數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)，包含20次AD轉(zhuǎn)換的結(jié)果，得到A/D的實(shí)際轉(zhuǎn)換精度達(dá)到0.1mv，CAN總線在連續(xù)十幾個(gè)小時(shí)的傳輸中，運(yùn)行良好，沒有誤碼出現(xiàn)。

（2）在井斜和方位的測量中，將分別將方位角和井斜角固定在90°時(shí)，從0°到300°改變高邊的位置，測量井斜和方位的變化，經(jīng)補(bǔ)償后的數(shù)據(jù)達(dá)到：井斜測量誤差△INC≤±0.1°；方位測量誤差△Az≤±1.0°，測量精度滿足現(xiàn)場實(shí)際要求。

實(shí)驗(yàn)證明整個(gè)系統(tǒng)具有測量精度高、傳輸穩(wěn)定、容量大的特點(diǎn)，能夠很好地滿足當(dāng)代數(shù)控測井站的實(shí)際要求。

[1]郭愛煌,傅君眉.基于地球重力場和磁場測量的測斜技術(shù)[J].儀器儀表學(xué)報(bào),2001,22(04):400-403

[2]楊興琴.隨鉆數(shù)據(jù)傳輸新技術(shù)[J].石油儀器,2004,18(6):26-27.

[3]李正軍.現(xiàn)場總線及其應(yīng)用技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005.

[4]https://www.sparkfun.com/datasheets/IC/HM C105X.pdf.

[5]張學(xué)孚.磁通門技術(shù)[M].北京:國防工業(yè)出版社,1995:23-152.

[6]https://www.zpxic.com/Manual.aspx？id=499550&p=MMA7260.pdf.

[7]俞阿龍,黃惟一.加速度傳感器的動(dòng)態(tài)性能校正技術(shù)[J].測控技術(shù),2004,23(7):5-7.

[8]https://www.nxp.com/documents/data_sheet/P89V51RB2_RC2_RD2.pdf.

[9]https://www.nxp.com/documents/data_sheet/SJA1000.pdf.

[10]邱成軍,卜丹.定向井軌跡的磁控測量系統(tǒng)[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2004(04).