周志彬 高 巍 王曉東 涂文榮

(1.大慶鉆探工程公司測(cè)井公司 黑龍江 大慶 163412；2.大慶采油工程研究院射孔器材檢測(cè)中心 黑龍江 大慶 163400)

?

·開發(fā)設(shè)計(jì)·

基于dsPIC的存儲(chǔ)式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

周志彬1高 巍1王曉東2涂文榮1

(1.大慶鉆探工程公司測(cè)井公司 黑龍江 大慶 163412；2.大慶采油工程研究院射孔器材檢測(cè)中心 黑龍江 大慶 163400)

文章介紹的存儲(chǔ)式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應(yīng)用于隨鉆聲波測(cè)井儀中，它以dsPIC芯片做為控制核心，利用時(shí)鐘芯片(RTC)實(shí)現(xiàn)了隨鉆聲波測(cè)井儀器的定時(shí)啟動(dòng)工作，具有高速數(shù)據(jù)采集、大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ堋?shí)驗(yàn)結(jié)果表明，以dsPIC為核心的存儲(chǔ)式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠滿足隨鉆聲波測(cè)井儀在控制和數(shù)據(jù)處理方面的要求。

dsPIC；數(shù)據(jù)采集；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)；隨鉆聲波測(cè)井儀

0 引 言

隨鉆測(cè)井(LWD)是近年來(lái)迅速發(fā)展的先進(jìn)測(cè)井技術(shù)[1]，在鉆井的同時(shí)完成測(cè)井作業(yè)，減少了井場(chǎng)鉆機(jī)占用的時(shí)間，節(jié)約了成本。由于實(shí)時(shí)測(cè)量，與電纜測(cè)井相比，能夠更為客觀真實(shí)地反映地層的地質(zhì)特征。隨鉆聲波測(cè)井采用滑行波測(cè)量方式，實(shí)時(shí)測(cè)量地層巖石縱橫波聲速的變化，可用于巖性識(shí)別、孔隙度計(jì)算、巖石力學(xué)參數(shù)計(jì)算等。隨鉆測(cè)量系統(tǒng)采用泥漿脈沖傳輸方式將井下采集的信息傳輸?shù)降孛嬖O(shè)備，該傳輸方式速率較低(小于10 B/s)，遠(yuǎn)不能滿足隨鉆聲波測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)傳輸?shù)男枨?，所以大部分?jǐn)?shù)據(jù)必須存儲(chǔ)在井下儀器中，因此設(shè)計(jì)了基于dsPIC的隨鉆聲波測(cè)井儀器存儲(chǔ)式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)

存儲(chǔ)式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主控芯片需要完成對(duì)高速多通道AD采集的控制以及與存儲(chǔ)芯片的數(shù)據(jù)交互，同時(shí)主控芯片要能夠完成對(duì)采集到的聲波波形數(shù)據(jù)的濾波及時(shí)差計(jì)算。

如圖1所示，存儲(chǔ)式采集系統(tǒng)主要由主控、采集、存儲(chǔ)、地面幾部分構(gòu)成，主控芯片設(shè)定采集的參數(shù)，控制采集的起始、結(jié)束以及采集到的數(shù)據(jù)的讀取，主控芯片將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理之后保存到存儲(chǔ)芯片中，當(dāng)隨鉆聲波測(cè)井儀器在井下工作完成之后，由地面系統(tǒng)將存儲(chǔ)的波形數(shù)據(jù)讀出，進(jìn)行進(jìn)一步的處理分析。

圖1 存儲(chǔ)式采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

主控芯片選擇使Microchip公司推出的dsPIC系列芯片[2]，dsPIC是一種將單片機(jī)和數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)的功能結(jié)合在一起的器件，目的是為了縮小單片機(jī)同DSP之間的性能差異，使客戶能方便地將單片機(jī)的功能轉(zhuǎn)移到DSP上。dsPIC器件把高性能16位單片機(jī)的控制特點(diǎn)和DSP高速運(yùn)算的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合，為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了既適合控制又方便運(yùn)算的單芯片的解決方案。它消除了目前類似設(shè)計(jì)中所需要的額外組成部分，從而減小了印制板空間，也降低了系統(tǒng)成本。芯片采用了改進(jìn)型的哈佛架構(gòu)、C編譯器優(yōu)化的指令集、流水線取指令方式。芯片既具有較強(qiáng)的數(shù)字信號(hào)處理能力，又包含有直接存儲(chǔ)器訪問(wèn)(DMA)、A/D轉(zhuǎn)換器、比較輸出、捕捉輸入、I2C接口、SPI接口、CAN接口、USART接口、Flash程序存儲(chǔ)器等強(qiáng)大的控制功能，能很好地完成對(duì)高速多通道AD采集的控制以及與存儲(chǔ)芯片的數(shù)據(jù)交互[3]。

2 硬件電路具體設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 數(shù)據(jù)采集電路

數(shù)據(jù)采集電路由AD7656芯片及其外圍電路組成[4]，如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集電路

AD7656芯片共有6個(gè)獨(dú)立的ADC通道，最大轉(zhuǎn)換速度250 kSPS；與控制器的接口模式有高速并行、串行和菊花鏈三種方式。本設(shè)計(jì)中使用4個(gè)ADC通道，為提高采集速度，采用16位數(shù)據(jù)并行模式連接，在A/D轉(zhuǎn)換過(guò)程中，dsPIC的使用外部中斷int1判斷AD7656的BUSY信號(hào)，一旦采集數(shù)據(jù)完成，dsPIC立即進(jìn)入中斷，及時(shí)讀取A/D數(shù)據(jù)并啟動(dòng)下一次采集。

主控芯片與采集芯片并行接口時(shí)序如圖3所示，CS信號(hào)可永久性地接低電平，而RD信號(hào)可用來(lái)獲取轉(zhuǎn)換結(jié)果，BUSY信號(hào)變?yōu)榈碗娖胶蠹纯砷_始讀取操作。

圖3 數(shù)據(jù)采集并行接口時(shí)序圖

2.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與傳輸電路

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與傳輸電路由K9GAG08芯片、高速485芯片及其附屬電路組成，如圖4所示。

K9GAG08存儲(chǔ)芯片的容量是(2G+64M)×8 bits，共4096塊，每塊128頁(yè)。按頁(yè)讀寫，按塊擦除。 dsPIC與K9GAG08的數(shù)據(jù)接口是8位的并行總線，dsPIC通過(guò)

圖4 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與傳輸電路

K9GAG08控制線和狀態(tài)線，可以對(duì)K9GAG08進(jìn)行數(shù)據(jù)和參數(shù)的寫入和讀取，讀取的時(shí)序圖如圖5所示，主控芯片通過(guò)向寄存器寫入規(guī)定的命令字啟動(dòng)讀操作。存儲(chǔ)器檢測(cè)到R/B引腳確定數(shù)據(jù)傳輸完成，數(shù)據(jù)調(diào)入到寄存器后就可以在25 ns時(shí)鐘周期內(nèi)讀出，RE時(shí)鐘信號(hào)由高變低控制存儲(chǔ)器將數(shù)據(jù)從選定的列開始輸出到上一列中。

高速485芯片工作原理與普通485芯片相同，dsPIC通過(guò)UART2接口控制其與地面設(shè)備通信，其數(shù)據(jù)傳輸位速率為5 Mbps。

圖5 數(shù)據(jù)讀取時(shí)序圖

3 軟件開發(fā)與功能實(shí)現(xiàn)

dsPIC的主程序流程如圖6所示。

圖6 主程序流程圖

主控芯片的程序采用C語(yǔ)言在MPLAB IDE環(huán)境下編譯完成，MPLAB集成開發(fā)環(huán)境(IDE)是一個(gè)綜合的編輯器、項(xiàng)目管理器和設(shè)計(jì)平臺(tái)，適用于Microchip PIC MCU和dsPIC DSC 進(jìn)行嵌入式設(shè)計(jì)的應(yīng)用開發(fā)。

初始化模塊主要完成對(duì)主控芯片時(shí)鐘的設(shè)置，AD采集芯片工作方式的設(shè)置，以及I2C、SPI和UART初始化設(shè)置。部分代碼如下：

LKDIVbits.DOZEN=0;

CLKDIVbits.PLLPRE=0; //N1=2

PLLFBDbits.PLLDIV=38; //M=40

CLKDIVbits.PLLPOST=1; //N2=4

AD1PCFGH=0xffff;

AD1PCFGL=0xffff;

AD2PCFGL=0xffff;

_TRISG2=1;//I2C SCL

_TRISG3=1;//I2C SDA

_TRISF6=1;//RTC int0

_TRISA15=1;//high speed 485 int

_TRISD11=1;//nandflash0 R/B

_TRISA5=1;//nandflash1 R/B

_TRISG6=1;//SPI2 SCK

_TRISG7=1;//SPI2 SDI

_TRISA12=1;//int1 AD_busy

_TRISF2=1;//uart1 r

_TRISF3=1;//uart1 t

儀器在下井前要根據(jù)具體需求進(jìn)行參數(shù)表設(shè)置，地面設(shè)備通過(guò)485總線把設(shè)定的參數(shù)表發(fā)送給主控芯片，參數(shù)表的內(nèi)容主要包括：井下儀的年、月、日、時(shí)、分、秒、報(bào)警日、報(bào)警時(shí)、報(bào)警分、發(fā)射間隔、采樣長(zhǎng)度、采樣延時(shí)、采樣間隔、采樣平均次數(shù)等，主控芯片將按照參數(shù)表的內(nèi)容對(duì)外設(shè)進(jìn)行控制。

儀器下井后，按照參數(shù)表設(shè)定的參數(shù)開始工作，聲波換能器的發(fā)射方式是等時(shí)發(fā)射，由時(shí)鐘芯片給主控芯片提供發(fā)射啟動(dòng)信號(hào)，可設(shè)定的時(shí)間間隔范圍是1至255秒，主控芯片dsPIC接收到這一信號(hào)后首先啟動(dòng)聲波發(fā)射探頭工作，同時(shí)啟動(dòng)采集芯片開始4路信號(hào)的數(shù)據(jù)采集，并將采集的數(shù)據(jù)存入存儲(chǔ)器中。

主控芯片利用時(shí)鐘信號(hào)啟動(dòng)采集工作的部分代碼如下：

void __attribute__((__interrupt__)) _INT0Interrupt(void)

{

IFS0bits.INT0IF=0;

LED=!LED;

I2C_RdMbyte(0,16);

if(Rtc_Flag==0)

{

Rtc_Flag=0xFF;

RtcOkFlag=1;

Rtc_Wr[1]=3;

I2C_WrMbyte(1,1);

I2C_Wrfin();

}

Else

{

I2C_RdMbyte(1,1);

Rtc_Rd[1]&=0x13;

Rtc_Wr[1]=Rtc_Rd[1];

I2C_WrMbyte(1,1);

I2C_Wrfin();

RtcOkFlag=1;

}

}

儀器結(jié)束測(cè)井之后，地面設(shè)備通過(guò)485總線與主控芯片通訊，讀取采集存儲(chǔ)的波形數(shù)據(jù)，從而完成一次測(cè)井。

4 結(jié)束語(yǔ)

存儲(chǔ)式采集控制電路以dsPIC芯片為核心,實(shí)現(xiàn)了隨鉆聲波測(cè)井儀定時(shí)啟動(dòng)、高速數(shù)據(jù)采集、大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?，同時(shí)通過(guò)參數(shù)設(shè)置實(shí)現(xiàn)了儀器工作方式選擇。整個(gè)設(shè)計(jì)符合隨鉆聲波測(cè)井儀測(cè)量、傳輸以及低功耗的要求,該系統(tǒng)經(jīng)過(guò)現(xiàn)成應(yīng)用測(cè)試，穩(wěn)定可靠，可以推廣到同類儀器當(dāng)中使用。

[1] 盧俊強(qiáng).數(shù)字信號(hào)處理器在隨鉆聲波測(cè)井儀中的應(yīng)用[J].測(cè)井技術(shù),2013,37(5).

[2] 劉和平，鄭群英.dsPIC通用數(shù)字信號(hào)控制器原理及應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007.

[3] 劉敬彪，沈 煒.dsPIC在油田通井設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].儀器技術(shù)與傳感器，2009，(6)：78-81.

[4] 韓海力.基于USB的測(cè)井脈沖采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].石油儀器,2005,19(3).

《石油管材與儀器》廣告征求函

《石油管材與儀器》是石油、地質(zhì)、化工、計(jì)算機(jī)和工業(yè)自動(dòng)化等行業(yè)獲取領(lǐng)先科技信息的橋梁，了解石油管及相關(guān)行業(yè)發(fā)展最新動(dòng)態(tài)、儀器儀表裝備市場(chǎng)的前沿窗口，用戶選購(gòu)儀器儀表的得力向?qū)?，以及企業(yè)管理決策者的參謀?！妒凸懿呐c儀器》是生產(chǎn)廠家宣傳產(chǎn)品、擴(kuò)大銷售、提升企業(yè)知名度、創(chuàng)建名牌效益的媒介平臺(tái)和有力助手。

《石油管材與儀器》發(fā)行面廣泛，期刊有著廣大的讀者群，涉及全國(guó)各大油田勘探開發(fā)研究院、鉆井研究院、石油管道與相關(guān)企業(yè)、計(jì)算機(jī)處理中心、物探公司、測(cè)井公司、錄井公司、鉆井公司、煉化采油廠等?，F(xiàn)開始面向企業(yè)征求2015年產(chǎn)品廣告，凡有意者敬請(qǐng)垂詢。

《石油管材與儀器》廣告經(jīng)營(yíng)許可證號(hào)： 6101004003048

垂詢電話： 029-81887583 聯(lián)系人： 韓德林

Design and Implementation of Storable Data Acquisition System Based on dsPIC

ZHOU Zhibin1GAO Wei1WANG Xiaoding2TU Wenrong1

(1.DaqingDrilling&ExplorationCorporation,CNPC,Daqing,Heilongjiang163412,China；2.DaqingResearchInstituteofOilProductionEngineering,Daqing,Heilongjiang163400,China)

This paper introduces the storable data acquisition system which is used in acoustic Logging While Drilling(LWD) tool.The dsPIC chip is used as the core of the acoustic LWD tool,which realized acoustic timing transmitter,high speed data acquisition,high-capacity data storage,high speed data transmission etc.The test results show that the system of storable data acquisition based on dsPIC can meet the requirements of control and data processing in acoustic LWD tool.

dsPIC,data acquisition,data storage,acoustic LWD tool

《石油管材與儀器》(雙月刊)廣告服務(wù)收費(fèi)價(jià)目表 收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)：人民幣元/次·版

周志彬，男，1964年生，高級(jí)工程師，1990年畢業(yè)于哈爾濱船舶工程學(xué)院電子工程專業(yè)，現(xiàn)在大慶鉆探工程公司測(cè)井公司從事測(cè)井儀器的研發(fā)工作。E-mail:tuwr@cnpc.com.cn

TN919

A

2096-0077(2015)02-0010-03

2015-01-13 編輯：韓德林)