周北華

(中國(guó)石油川慶物探公司裝備事業(yè)部 四川 成都 610213)

0 引 言

在地震勘探中，井深數(shù)據(jù)是地層評(píng)價(jià)和炸藥安放深度的一項(xiàng)重要參數(shù)，關(guān)系到地震激發(fā)的質(zhì)量。目前主要測(cè)量方法是電纜磁標(biāo)記計(jì)數(shù)法，該方法的測(cè)量精度取決于磁標(biāo)記的密度［1］，而磁標(biāo)記過(guò)密，會(huì)導(dǎo)致感應(yīng)裝置不易分辨。在高精度井深測(cè)量中，采用馬丁代克傳感器輸出信號(hào)作為深度測(cè)量信號(hào)，測(cè)井時(shí)，電纜穿過(guò)馬丁代克傳感器，運(yùn)行的測(cè)井電纜帶動(dòng)馬丁代克的測(cè)量輪旋轉(zhuǎn)，同步旋轉(zhuǎn)的光電編碼器輸出脈沖信號(hào)，計(jì)量脈沖信號(hào)個(gè)數(shù)，計(jì)算出深度數(shù)據(jù)［2］。而數(shù)據(jù)傳輸大多采用有線傳輸方式，導(dǎo)致在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用時(shí)接線不便?；诖?，采用MSP430F2619 單片機(jī)為核心，配以nRF905 無(wú)線模塊傳輸數(shù)據(jù)，接收端對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后在液晶上顯示。

1 井深測(cè)量原理及電路設(shè)計(jì)

馬丁代克原理是增量式光電編碼器輸出兩路四相脈沖［3］，分別為A 和/A (表示A 的反相，下同)，B 和/B。一般采用A 相和B 相輸出進(jìn)行移位檢測(cè)和速度測(cè)量，由于A 相B 相脈沖前沿相差90°，當(dāng)順時(shí)鐘旋轉(zhuǎn)時(shí)，第一路輸出波形超前第二路輸出波形90°;逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，第一路輸出波形就滯后第二路輸出波形90°［4］，對(duì)馬丁代克傳感器輸出的脈沖計(jì)數(shù)就可以獲知深度。但是現(xiàn)實(shí)中傳感器輸出的信號(hào)不完美，需要進(jìn)行調(diào)理。首先是對(duì)A 相B 相的信號(hào)消抖，減小脈沖的計(jì)數(shù)誤差，然后對(duì)信號(hào)進(jìn)行二倍頻，再進(jìn)行計(jì)數(shù)，提高深度測(cè)量的精度。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體框圖

硬件主要分為信號(hào)采集處理和數(shù)據(jù)通信部分，數(shù)據(jù)采集部分包括馬丁代克傳感器、信號(hào)調(diào)理電路，MSP430信號(hào)采集電路;數(shù)據(jù)通信部分包括無(wú)線收發(fā)模塊、單片機(jī)、液晶顯示電路。測(cè)量系統(tǒng)選擇EMC 公司生產(chǎn)的傳動(dòng)輥半徑為R=90 mm，線數(shù)N =960 線的光電編碼器，則每個(gè)輸出脈沖代表的線位移d = L/N = 2πR/N，則d=0.59 mm，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，參數(shù)滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

1.1 信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

由于馬丁代克傳感器中的增量式光電碼盤(pán)對(duì)光電編碼器軸系引起的抖動(dòng)干擾非常敏感，而且測(cè)井現(xiàn)場(chǎng)也存在各種隨機(jī)干擾，輸出的信號(hào)可能存在毛刺，所以需要將干擾進(jìn)行隔離和去抖動(dòng)處理［5］。由于光耦器件具有電流驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)，短暫的窄脈沖無(wú)法通過(guò)。因此，本設(shè)計(jì)采用光耦器件6N137，對(duì)隨機(jī)的抖動(dòng)窄脈沖首先進(jìn)行初步去抖動(dòng)處理，然后對(duì)輸出的信號(hào)進(jìn)行整形。脈沖信號(hào)通過(guò)54HC04 非門(mén)，輸出信號(hào)通過(guò)光電隔離后，送入施密特觸發(fā)器CD40106 對(duì)信號(hào)進(jìn)行整形，兩路信號(hào)處理電路相同。所設(shè)計(jì)的信號(hào)調(diào)理電路原理圖如圖2 所示。

圖2 信號(hào)調(diào)理電路圖

1.2 nRF905 無(wú)線通訊電路設(shè)計(jì)

nRF905 系挪威Nordic 公司［6］生產(chǎn)的單片無(wú)線收發(fā)芯片，其工作電壓為1.9 V ～3.6 V，工作于433/868/915 MHz 三個(gè)ISM 頻道，最大數(shù)據(jù)傳輸速率為100 kb/s。芯片能耗非常低，以10 dBm 的功率發(fā)射時(shí)，工作電流僅有30 mA，接收時(shí)工作電流只有12.5 mA，多種低功率工作模式，待機(jī)模式下電流僅為12.5 μA，便于在野外工作。通過(guò)SPI 接口進(jìn)行編程配置［2］。將MSP430F2619 的P5.1、P5.2、P5.3 口配置為三線SPI 功能可直接與nRF905對(duì)應(yīng)引腳相連，單片機(jī)作為主機(jī)，nRF905 作為從機(jī)，其電路連接示意圖如圖3 所示。

1.3 液晶顯示電路設(shè)計(jì)

圖3 MSP430F2619 與nRF905 連接圖

本系統(tǒng)采用LM240160GCW 的液晶模塊，由MSP430單片機(jī)對(duì)其進(jìn)行控制。由于MSP430 單片機(jī)的總線不對(duì)外，所以我們不能以直接的方式而只能采用間接的方式訪問(wèn)外設(shè)，該液晶能顯示ASCII 字符、漢字和各種曲線，可與單片機(jī)連接構(gòu)成功能強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的人機(jī)界面。將單片機(jī)P7 口設(shè)為數(shù)據(jù)總線，用來(lái)傳輸數(shù)據(jù)或指令，P8 口的部分端口用來(lái)做控制總線，控制LM240160GCW 的相關(guān)功能。GT23L32S4W 為大容量字庫(kù)存儲(chǔ)芯片，由P7.0～P7.2 、P8.4 通過(guò)SPI 總線協(xié)議與其通訊，液晶上想要顯示的漢字或字符碼直接從該芯片中讀取。由R50、R51、Q4 組成的是一個(gè)LCD 背光控制電路，由MSP430 送出PWM 信號(hào)實(shí)現(xiàn)。液晶顯示電路連接原理圖如圖4所示。

圖4 液晶顯示電路原理圖

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)和nRF905 通訊軟件設(shè)計(jì)，前者需要設(shè)定MSP430 單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器的工作方式，將其設(shè)定為計(jì)數(shù)模式。nRF905 模塊需要設(shè)定工作頻段，SPI 時(shí)序。

2.1 單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)

對(duì)于脈沖信號(hào)采集單片機(jī)，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)CD40106 整形后的脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，將計(jì)數(shù)脈沖和鑒相脈沖同時(shí)輸入單片機(jī)的兩個(gè)計(jì)數(shù)端口，設(shè)定計(jì)數(shù)器工作于中斷方式，完成對(duì)編碼器旋轉(zhuǎn)方向判別和深度脈沖計(jì)數(shù)，從而計(jì)算井深數(shù)據(jù)。單片機(jī)程序主要包括系統(tǒng)初始化，中斷初始化，nRF905 無(wú)線發(fā)送。系統(tǒng)的軟件流程圖如圖5所示。

5 系統(tǒng)軟件流程圖

2.2 nRF905 無(wú)線通信軟件設(shè)計(jì)

nRF905 無(wú)線通信的具體步驟為:首先將接收節(jié)點(diǎn)的地址(TX-address)和有效數(shù)據(jù)(TX -payload)通過(guò)SPI接口傳送給nRF905;單片機(jī)設(shè)置TRX_CE，TX_EN 為高來(lái)激活ShockBrust 傳輸;如果AUTO_TETRAN 被設(shè)置為高時(shí)nRF905 將連續(xù)地發(fā)送數(shù)據(jù)包，直到TRX_CE 被設(shè)置為低;當(dāng)TRX_CE 被設(shè)置為低時(shí)，nRF905 結(jié)束數(shù)據(jù)傳輸并將自己設(shè)置成standby 模式。發(fā)送模式程序流程圖如圖6 所示。

圖6 發(fā)送模式軟件流程圖

從圖6 中可以看出，發(fā)送時(shí)的控制指令主要包含發(fā)送地址寬度設(shè)置、發(fā)送有效數(shù)據(jù)寬度設(shè)計(jì)及輸出頻率設(shè)置，本系統(tǒng)分別設(shè)置4B 的地址寬度、32B 的有效數(shù)據(jù)寬度及時(shí)鐘頻率為1 MHz。

在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行測(cè)試，發(fā)送指令時(shí)序圖如圖7(a)所示。而接收端的設(shè)置與發(fā)送端的配置一致，其接收指令時(shí)序圖如圖7(b)所示。

圖7 收發(fā)指令時(shí)序圖

從圖7 中可以看出，發(fā)送端時(shí)鐘頻率配置與接收端頻率配置一致，驗(yàn)證了無(wú)線發(fā)送端與接收端可以進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

3 結(jié) 論

本文提出的基于MSP430 單片機(jī)的井深無(wú)線測(cè)量系統(tǒng)便于攜帶，且成本低，功耗低。無(wú)線收發(fā)電路的仿真時(shí)序波形表明，系統(tǒng)通訊準(zhǔn)確，數(shù)據(jù)傳輸可靠，工作時(shí)可實(shí)時(shí)計(jì)算井深并將其在液晶中顯示，可用于地震激發(fā)測(cè)試井深度測(cè)量中。

［1］葛 華，張 勝，焦衛(wèi)忠.垂直地震勘探中的深度測(cè)量方法［J］.物探裝備，2007，17(4):251 -252.

［2］于云華，時(shí)海濤，王 平.測(cè)井高精度井深測(cè)量系統(tǒng)的研究［J］.科學(xué)技術(shù)與工程，2009，17(9):5267 -5270.

［3］宋兆霞.基于AVR 單片機(jī)的新型井深測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)［J］.電子世界，2014，6(2):21 -22.

［4］韓光明.井深測(cè)量?jī)x中測(cè)量CPU 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)［J］. 科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2011，28(10):34 -35.

［5］丁 偉.石油測(cè)井車井上監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.石油天然氣學(xué)報(bào)，2012，6(4):100 -103.

［6］關(guān) 可，盛惠興，王海濱，等.基于nRF905 的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.信息安全與通信保密，2009，3 (6):85 -87.