劉西安，陳 萍

（西安石油大學電子工程學院 陜西 西安 710065）

基于PIC的井下數(shù)據(jù)采集與大容量存儲系統(tǒng)設計

劉西安，陳 萍

（西安石油大學電子工程學院 陜西 西安 710065）

在旋轉(zhuǎn)導向鉆井技術的研究中，針對隨鉆測井過程中測井數(shù)據(jù)實時大容量存儲的需求，本文設計了一個適應井下高溫環(huán)境要求的近鉆頭隨鉆測量井下工況數(shù)據(jù)采集與大容量存儲的單片機系統(tǒng)，該系統(tǒng)選用Nand Flash作為存儲介質(zhì)，采用dsPIC33FJ128數(shù)字信號控制器為主控芯片，進行數(shù)據(jù)的采集與存儲，完成了軟硬件系統(tǒng)的設計及實現(xiàn)。該系統(tǒng)能夠適應于井下的高溫環(huán)境，滿足井下傳感器信號采集與大容量存儲的需要，對隨鉆測井具有重要的實用價值。

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

1 引言

旋轉(zhuǎn)導向鉆井技術是在20世紀90年代初開發(fā)的一種新型的自動化鉆井技術[1]，不僅提高了鉆進速度、減少了事故，而且降低了鉆井成本。旋轉(zhuǎn)導向鉆井工具在鉆井過程中，井下鉆探傳感器輸出的信號，被采集到通過泥漿或無線電波傳輸?shù)降孛鎇3]，但泥漿和無線電波的傳輸速率都比較慢，由于鉆井工具工作時間長，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，因此需要將測量的數(shù)據(jù)存儲在大容量內(nèi)存中，待PC讀出后進行工程技術數(shù)據(jù)分析。但是在井下鉆進過程中，由于振動、溫度等原因的影響，目前市面上常用的磁盤、硬盤、U盤、TF卡等存儲器都不能夠滿足井下工作環(huán)境下要求。

針對上述工程實際問題，本文設計了一個適應井下高溫環(huán)境要求的近鉆頭隨鉆測量井下工況數(shù)據(jù)采集與大容量存儲的單片機系統(tǒng)，該系統(tǒng)選用Nand Flash作為存儲介質(zhì)，采用dsPIC33FJ128數(shù)字信號控制器為主控芯片，進行數(shù)據(jù)的采集與存儲，完成了軟硬件系統(tǒng)的設計及實現(xiàn)，在存儲容量和使用壽命方面，比使用EEPROM作為井下存儲設備的存儲介質(zhì)更好。該系統(tǒng)能夠適應于井下的高溫環(huán)境，滿足井下傳感器信號采集與大容量存儲的需要，對隨鉆測井具有重要的實用價值。

2 系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)設計的井下數(shù)據(jù)采集與大容量存儲系統(tǒng)是相對獨立的模塊，可嵌入智能傳感器主控電路，將傳感器采集的數(shù)據(jù)進行存儲，特別是當傳感器數(shù)據(jù)需要單獨的高速實時存儲，如三軸加速度采集、兩軸振動采集、陀螺儀轉(zhuǎn)速采集等。

本系統(tǒng)以16位dsPIC33FJ128MC804單片機為控制核心，將各個傳感器采集的電壓信號，經(jīng)過信號調(diào)理電路，通過集成在單片機內(nèi)部的A/D模塊采集電壓信號，然后將這些電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，直接緩存到單片機的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)存儲于大容量的Nand Flash，結果將各個傳感器采集的大量數(shù)據(jù)都保存起來，待起鉆后用PC機中的上位機將數(shù)據(jù)讀出，以供工程技術人員進行詳細分析。系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

3 Nand Flash存儲器

3.1 Nand Flash分類

閃存是一種非易失性存儲設備，作為快速且安全的存儲介質(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。從存儲容量來看，Nand Flash有大容量與小容量之分，大容量即每頁（2048+64）字節(jié)，小容量即每頁（512+16）字節(jié)。從存儲單元來看，Nand Flash又有SLC（Single Level Cell單層單元）架構 與MLC（Multi Level Cell多層單元）架構之分。SLC具有容量小、成本高、速度快等特點，而MLC特點是容量大、成本低、速度相對于SLC較慢。單層單元閃存技術是在Nand Flash的每個存儲單元里存儲1個bit的信息，這樣就可以將數(shù)據(jù)一位一位地儲存在閃存的每一個單元里，這種單層式存儲技術可以快速地進行程序編程與讀取。MLC就是在Nand Flash中的單個存儲單元可以存儲多個bit信息，通過不同電位的電荷，經(jīng)過存儲單元儲存格的不同電壓精確控制，存儲成不同的數(shù)據(jù)。也就是說，一個存儲單元存儲多個bit，常見MLC架構的Nand Flash中每個存儲單元可存放2個bit，其容量等于SLC架構芯片的兩倍。由于其大容量和價格優(yōu)勢，MLC有著良好的應用前景。

3.2 Nand Flash結構

考慮到井下工作環(huán)境的特殊性，Nand Flash用來保存大容量的數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)采用三星公司的大容量MLC架構的Nand Flash存儲器芯片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)，頁緩存為（2K+64）字節(jié)。對于Nand Flash的組織，使用層次結構的整體結構，以頁為最小單位，頁大小為（2K+64）字節(jié)，Nand Flash是以頁為單位進行編程和讀操作的；一個塊是由64頁構成的，其大小為（128K+4K）字節(jié)，Nand Flash是以塊為單位進行擦除的；此Nand Flash芯片由8192個塊組成。

4 硬件電路設計

4.1 主控芯片電路設計

選用Microchip的微控制器dsPIC33FJ128MC804-H/PT(簡稱MC804)為主控芯片，此芯片最高工作溫度達+150℃[4]，外設資源豐富，引腳有映射功能可以靈活使用外設，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，此時工作電流為60mA左右。dsPIC33FJ系列芯片為DSC類型MCU，內(nèi)部集成DSP單元，具有微控制器對I/0的控制能力和DSP強大的計算能力。核心芯片可以采集井下6路模擬信號，對井下模擬信號進行A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號；使用RC口的低8位與Nand Flash的8位數(shù)據(jù)I/O端口對應相連接，從而實現(xiàn)井下數(shù)據(jù)存儲功能。

4.2 Nand Flash接口電路設計

Nand Flash存儲器芯片接口電路，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個通用I/O端口與MC804的RC口的RC0～RC7端口相應連接，與單片機進行并行通訊，用于輸入地址/數(shù)據(jù)/命令，輸出數(shù)據(jù)，這種復用形式節(jié)省了單片機硬件端口資源。它的各個控制使能端，與MC804主控芯片的RA口、RB口相應引腳相連接。從而實現(xiàn)MC804對Nand Flash芯片讀、寫、擦除、檢驗等操作，進而實現(xiàn)井下大量數(shù)據(jù)的可靠存儲。

5 結語

該數(shù)據(jù)采集存儲系統(tǒng)選用的主控芯片和存儲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，尤其是存儲器芯片K9K8G08U0A容量大、功耗低、易于讀寫等特點，可以很好地適應井下高溫環(huán)境，其并行數(shù)據(jù)/地址復用端口與主控芯片相應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)存儲時間。完成了通過MC804對該Flash芯片的讀寫擦除等操作程序，在該存儲芯片沒有壞塊情況下，完成了讀該Flash芯片ID，連續(xù)塊擦除、頁寫、頁讀等程序的開發(fā)，程序均能可靠正確執(zhí)行，同時內(nèi)嵌了ECC算法，實現(xiàn)了高速數(shù)據(jù)實時可靠存儲的功能。所選用的電子元件工作溫度均達到或超過125℃，系統(tǒng)可適應井下高溫環(huán)境，滿足井下鉆井儀器設備對井下數(shù)據(jù)大容量存儲的要求。

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

[2]李松林，蘇義腦，董海平.美國自動旋轉(zhuǎn)導向鉆井工具結構原理及特點[J].國外石油機械，2000,28(1):42-55.

[3]牛林林.隨鉆測井的數(shù)據(jù)傳輸[J].國外測井技術,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 【文獻標識碼】A 【文章編號】1009-5624（2018）01-0239-03

西安石油大學研究生創(chuàng)新與實踐能力培養(yǎng)項目資助（YCS17123012）

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