盧俊強(qiáng)鞠曉東

(1.中國(guó)石油大學(xué)(北京)油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 102249；2.北京市地球探測(cè)與信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 102249)

0 引言

隨鉆測(cè)井(logging while drilling, LWD)是自20世紀(jì)90年代以來(lái)迅速崛起的先進(jìn)測(cè)井技術(shù)，隨鉆聲波測(cè)井技術(shù)也是20世紀(jì)90年代中后期推出發(fā)展，因其兼?zhèn)錅?zhǔn)確評(píng)價(jià)地層、進(jìn)行地層對(duì)比和儲(chǔ)層描述等特點(diǎn)，現(xiàn)逐步應(yīng)用于測(cè)井現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)。隨鉆聲波測(cè)井儀與其它隨鉆測(cè)井儀相比電子系統(tǒng)更為復(fù)雜，功耗更大，故常采用多路供電工作方式。鋰電池因其能量密度高、放電電壓穩(wěn)定等特點(diǎn)而被廣泛在隨鉆聲波測(cè)井儀的供電電源部分，目前國(guó)內(nèi)隨鉆測(cè)井儀采用高溫鋰電池供電，一般將多組鋰電池串聯(lián)成電池組，但使用鋰電池的不足之處就是續(xù)航時(shí)間短，因此隨鉆聲波測(cè)井儀不具備其他電纜聲波測(cè)井儀長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作的特點(diǎn)。為保證隨鉆聲波測(cè)井儀在鋰電池供電條件下長(zhǎng)時(shí)間間歇式工作，需在電源管理部分進(jìn)行高效設(shè)計(jì)[1-3]。本文通過(guò)PIC單片機(jī)作為主控制器來(lái)對(duì)四通道開(kāi)關(guān)的閉合進(jìn)行控制，以達(dá)到分段管理、持續(xù)工作時(shí)間更長(zhǎng)、根據(jù)測(cè)量需要有效的開(kāi)啟與關(guān)斷的目的。

1 電源管理模塊控制電路設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的電源管理模塊主要以PIC單片機(jī)為核心，外圍電路主要分為：供電電源部分、CAN通訊部分、UART通訊部分、RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘部分、開(kāi)關(guān)陣列部分。電源管理模塊主要負(fù)責(zé)將電源如何有效的分配給系統(tǒng)中的不同部件，降低各組件間閑置時(shí)的功耗，延長(zhǎng)電池壽命[4-7]。電源管理模塊設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 電源管理模塊設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖

1.1 主控制器部分

PIC單片機(jī)主要負(fù)責(zé)控制開(kāi)關(guān)陣列，通過(guò)CAN總線和UART與上位機(jī)進(jìn)行通訊來(lái)下發(fā)工作參數(shù)和自檢，讀取時(shí)鐘信息并返還到上位機(jī)進(jìn)行井深與數(shù)據(jù)對(duì)比，本文設(shè)計(jì)選用的電源管理模塊的主控制器為美國(guó)Microchip公司推出的PIC18F46K80單片機(jī)，這是一款采用nano Watt XLP技術(shù)、自帶ECAN模塊、低功耗、44引腳的工業(yè)級(jí)增強(qiáng)型閃存單片機(jī)，其工作電壓范圍1.8～5.5 V，工作頻率最高可達(dá)64 MHz，具有片上3.3 V穩(wěn)壓器、64 KB的片上閃存Flash程序存儲(chǔ)器、1024字節(jié)的EEPROM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和3.6 KB的片內(nèi)通用SRAM寄存器，體積小并且價(jià)格低廉，內(nèi)部資源豐富，廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域。單片機(jī)采用外部晶振，DCDC選用靜態(tài)工作電流138 uA的TPS54260，通過(guò)DCDC將輸入電壓24 V轉(zhuǎn)變?yōu)檩敵鲭妷?.3 V供給單片機(jī)。

1.2 RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路

目前LWD主要采用泥漿脈沖上傳數(shù)據(jù)，傳輸效率較低，因此在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)井中只有少數(shù)處理數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳至地面，大部分原始數(shù)據(jù)還保留在儀器主控存儲(chǔ)板中，由于LWD儀器無(wú)測(cè)量井深的能力，這就需要通過(guò)時(shí)間對(duì)照將井深與原始數(shù)據(jù)完全對(duì)應(yīng)[8]。通過(guò)設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)鐘電路利用PIC單片機(jī)對(duì)時(shí)鐘芯片的編程開(kāi)發(fā)，為井下數(shù)據(jù)提供時(shí)間信息并與地面系統(tǒng)測(cè)量井深時(shí)間進(jìn)行對(duì)比，完成井下存儲(chǔ)數(shù)據(jù)與井深的映射，實(shí)現(xiàn)井下隨鉆儀器精準(zhǔn)定位。

時(shí)鐘電路采用的是PCA8565芯片，它是一款低功耗的CMOS實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片，并且還可以提供年、月、天、工作日、小時(shí)、分和秒等信息，具有閏年自動(dòng)補(bǔ)償功能，其正常工作電壓在1.8～5.5 V，溫度最高可達(dá)到125°，采用雙線IIC接口與PIC進(jìn)行通訊，最大傳輸速度可達(dá)400 kbit/s，讀/寫(xiě)地址分別為A3H/A2H。PCA8565可外接32.768 Hz晶振，具有內(nèi)部電源復(fù)位以及定時(shí)功能，在進(jìn)行讀或?qū)懖僮髦?，其?nèi)部地址寄存器具有自動(dòng)增加功能。芯片引腳SDA、SCL分別與PIC單片機(jī)的IIC接口數(shù)據(jù)線和時(shí)鐘線相接，此外芯片的SDA和SCL分別上拉2.2 k電阻，使得在總線空閑時(shí)，SDA和SCL均保持高電平。

1.3 ECAN總線驅(qū)動(dòng)電路

井下儀器工作參數(shù)是上位機(jī)通過(guò)CAN總線下發(fā)到PIC，主控板掉電后保存參數(shù)通過(guò)CAN總線上發(fā)到主控PC，數(shù)據(jù)接口板中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)通過(guò)CAN總線傳輸，儀器預(yù)訂參數(shù)、時(shí)間信息、掉電提醒和定時(shí)功能也都是通過(guò)CAN總線進(jìn)行通訊[9-10]。本文設(shè)計(jì)ECAN總線驅(qū)動(dòng)電路采用的是MAX公司生產(chǎn)的低電源MAX3050芯片，其在高速模式下數(shù)據(jù)最大傳輸速率可達(dá)2 Mbps。當(dāng)總線或CAN驅(qū)動(dòng)器超過(guò)4 ms不工作時(shí)，該芯片還具有自動(dòng)關(guān)閉功能。芯片的1、4引腳作為CAN總線發(fā)送與接收分別與PIC單片機(jī)的CANTX、CANRX相連。由于本文設(shè)計(jì)不需要此芯片的自動(dòng)關(guān)閉功能，故該芯片第5引腳置0或接地。芯片的CANH和CANL之間需串聯(lián)一個(gè)終端電阻進(jìn)行阻抗匹配，用以消除在通訊過(guò)程中的信號(hào)反射。

1.4 開(kāi)關(guān)電路

開(kāi)關(guān)電路采用反相驅(qū)動(dòng)器與MOS管組合成控制開(kāi)關(guān)，驅(qū)動(dòng)器的輸入端通過(guò)上拉電阻以保證不工作情況下輸入端始終保持高電平使開(kāi)關(guān)處于閉合狀態(tài)，驅(qū)動(dòng)器輸出端通過(guò)三極管與穩(wěn)壓二極管連接PMOS管，穩(wěn)壓二極管選用穩(wěn)定電壓為10 V，通過(guò)外部供電電壓與穩(wěn)定電壓壓差來(lái)控制MOS管的通斷，在PMOS輸出端并聯(lián)濾波電容來(lái)保證輸出電壓的穩(wěn)定性。

2 軟件設(shè)計(jì)

電源管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)共包括上位機(jī)和下位機(jī)兩部分，其中通過(guò)上位機(jī)軟件的操作，經(jīng)CAN模塊與下位機(jī)軟件通訊，可將工作參數(shù)命令等信息下發(fā)到下位機(jī)以實(shí)現(xiàn)各種不同控制。在上位機(jī)軟件中設(shè)置儀器的工作參數(shù)，比如在隨鉆預(yù)置模式下設(shè)置CAN參數(shù)，用于下井前在地面通過(guò)CAN對(duì)儀器主要參數(shù)進(jìn)行預(yù)設(shè)置。

下位機(jī)軟件主要利用MPLAB開(kāi)發(fā)環(huán)境通過(guò)C語(yǔ)言編寫(xiě)而成，遵循模塊化設(shè)計(jì)原則，其中包括主程序和各類(lèi)子程序。主程序有系統(tǒng)初始化及配置位設(shè)置，讀取EEPROM中系統(tǒng)配置參數(shù)，通過(guò)判斷收到的下發(fā)命令來(lái)進(jìn)行不同的處理工作。主要子程序有實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片讀/寫(xiě)子程序，EUSART通訊子程序，ECAN發(fā)送/接收子程序，定時(shí)器中斷子程序，EEPROM讀寫(xiě)子程序。此外程序設(shè)計(jì)了空閑模式和休眠模式，充分利用PIC18F系列單片機(jī)的空閑模式典型電流值為880 nA，休眠模式典型電流值為13 nA的特點(diǎn)，在進(jìn)入定時(shí)中斷子程序時(shí)，CPU停止工作，僅外設(shè)工作，以及在完成電源管理控制任務(wù)后不切斷總電源的情況下，實(shí)現(xiàn)休眠模式中掉電檢測(cè)標(biāo)志位清零，掉電電流低于5 uA的掉電狀態(tài)而無(wú)需手動(dòng)斷電。電源控制程序包括主程序和子程序，總體實(shí)現(xiàn)電源管理程序結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 電源管理程序結(jié)構(gòu)框圖

圖3 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖

3 電源管理板在隨鉆儀器中的應(yīng)用

整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框如圖3所示，本文設(shè)計(jì)的電源管理模塊是為了實(shí)現(xiàn)對(duì)主控板的工作參數(shù)保存與下發(fā)，采集電路板的采集功能以及前置放大板和發(fā)射電路板的功能控制。PIC單片機(jī)及其外圍電路作為整個(gè)系統(tǒng)的控制單元，上電初始化完畢后，主控板先向電源管理板請(qǐng)求采集序列號(hào)，之后等待接收工作參數(shù)下發(fā)命令。而電源管理板一上電先提供采集序列號(hào)，然后進(jìn)入循環(huán)，主動(dòng)轉(zhuǎn)發(fā)工作命令。而電源管理板是通過(guò)CAN總線接收上位機(jī)軟件命令，其中包括工作參數(shù)下發(fā)命令，時(shí)間信息，采集序列號(hào)和掉電提醒等擴(kuò)展信息，不同命令內(nèi)容采用不同功能字節(jié)進(jìn)行識(shí)別。當(dāng)電源管理板接收到不同命令時(shí)，通過(guò)SCI接口發(fā)送給主控板，主控板同樣也通過(guò)SCI接口返回應(yīng)答。其中時(shí)間信息是采集循環(huán)時(shí)主控板向電源管理板隨時(shí)請(qǐng)求的，由PIC單片機(jī)通過(guò)IIC接口讀取時(shí)鐘芯片，將讀回的時(shí)間信息通過(guò)SCI接口發(fā)給主控板，在上位機(jī)軟件中可設(shè)置定時(shí)時(shí)間，實(shí)時(shí)控制電源的開(kāi)啟與關(guān)閉，利用定時(shí)時(shí)間來(lái)確定隨鉆測(cè)井儀器的工作時(shí)間，也可以設(shè)置固定的通斷時(shí)間。采集序列號(hào)的發(fā)送是雙向的過(guò)程，上電時(shí)由電源管理板發(fā)給主控板，掉電時(shí)由主控板發(fā)給電源管理板，同樣，定時(shí)發(fā)送/應(yīng)答和錯(cuò)誤重發(fā)，直到正確為止。電源管理板可隨時(shí)下發(fā)斷電命令，主控板收到斷電命令后先進(jìn)行工作參數(shù)與測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)的保存，然后通過(guò)給電源管理板返回應(yīng)答實(shí)現(xiàn)斷電。

電源管理中控制開(kāi)關(guān)的通斷主要是對(duì)PIC單片機(jī)引腳賦高低電平，如本設(shè)計(jì)中，當(dāng)上位機(jī)軟件設(shè)置開(kāi)啟電源開(kāi)關(guān)，該命令通過(guò)CAN總線下發(fā)到單片機(jī)中，單片機(jī)會(huì)通過(guò)SCI接口將該命令傳給主控板，同時(shí)主控板也會(huì)回傳給單片機(jī)應(yīng)答(如果收到正確應(yīng)答，則進(jìn)行下一步工作，否則繼續(xù)等待接收應(yīng)答)，此時(shí)PIC單片機(jī)中的RA5、RB4、RE0、RE1引腳會(huì)相應(yīng)賦給低電平來(lái)開(kāi)啟電源開(kāi)關(guān)，關(guān)閉電源開(kāi)關(guān)同上。當(dāng)上位機(jī)軟件設(shè)置定時(shí)閉合開(kāi)關(guān)，控制閉合時(shí)間是通過(guò)PIC單片機(jī)向PCA8565芯片中定時(shí)地址中寫(xiě)入相應(yīng)定時(shí)時(shí)間，等到達(dá)設(shè)定的定時(shí)時(shí)間則會(huì)引發(fā)單片機(jī)外部中斷，在中斷中通過(guò)標(biāo)志位來(lái)判定對(duì)應(yīng)的定時(shí)時(shí)間以及對(duì)開(kāi)關(guān)的閉合，其中掉電提醒功能也是通過(guò)定時(shí)發(fā)送命令直到收到正確響應(yīng)實(shí)現(xiàn)，當(dāng)?shù)竭_(dá)定時(shí)時(shí)間或手動(dòng)斷電時(shí)，PIC單片機(jī)與主控板發(fā)生握手，直到主控板完成保存數(shù)據(jù)和下發(fā)參數(shù)時(shí)返回給PIC應(yīng)答才執(zhí)行掉電命令。上位機(jī)軟件還可隨時(shí)下發(fā)斷電命令以防止突發(fā)情況。

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試及驗(yàn)證

測(cè)試電路主要由邏輯電路、驅(qū)動(dòng)器、PMOS管、穩(wěn)壓二極管、分壓電阻以及濾波電容構(gòu)成，穩(wěn)壓二極管的穩(wěn)定電壓為10 V，PMOS管的門(mén)檻電壓最小為4 V，柵源電壓最大為10 V，因此本次測(cè)試分別選用14 V和16 V作為供電電壓。在邏輯電路的輸入端由PIC控制，在輸出端連接至負(fù)載，通過(guò)調(diào)節(jié)負(fù)載大小，觀察在不同電壓下開(kāi)關(guān)的通斷時(shí)間和比較輸出電壓。

圖4為實(shí)際電路中14 V和16 V供電電壓下，負(fù)載電流為100 mA時(shí)輸出信號(hào)對(duì)比圖。圖5為空載情況下14 V和16 V供電電壓下，負(fù)載電流為100 mA時(shí)輸出信號(hào)對(duì)比圖。圖6為空載情況下14 V和16 V供電電壓下開(kāi)關(guān)閉合時(shí)間對(duì)比圖。分析可得供電電壓為14 V、負(fù)載電流為100 mA時(shí)的輸出電壓為13 V，而供電電壓為16V時(shí)輸出電壓得到穩(wěn)定的16 V，且14 V的供電電壓濾波效果明顯比16 V的供電電壓效果差。

圖4 實(shí)際電路中14 V和16 V供電下輸出線號(hào)對(duì)比圖

圖5 空載情況下14 V和16 V供電下輸出線號(hào)對(duì)比圖

圖6 空載情況下14 V和16 V供電下開(kāi)關(guān)閉合曲線對(duì)比圖

當(dāng)供電電壓與穩(wěn)壓二極管穩(wěn)定電壓之間壓差剛好達(dá)到最低門(mén)檻電壓時(shí)，即供電電壓為14 V，調(diào)節(jié)負(fù)載電流，分別觀察在有無(wú)濾波電容時(shí)開(kāi)關(guān)的通斷時(shí)間。

圖7是14 V供電電壓下空載情況和實(shí)際電路中開(kāi)關(guān)的開(kāi)啟與閉合時(shí)間對(duì)比，在負(fù)載電流從0變化到1 A時(shí)，發(fā)現(xiàn)無(wú)濾波電容比有濾波電容開(kāi)關(guān)通斷時(shí)間要短，且當(dāng)電流在0.1 A時(shí)出現(xiàn)峰值。

圖7 14 V供電電壓下空載情況和實(shí)際電路中開(kāi)關(guān)的開(kāi)啟與閉合時(shí)間對(duì)比圖

隨著負(fù)載電流的增大，開(kāi)關(guān)開(kāi)啟時(shí)間迅速上升，且在負(fù)載電流為0.1 A時(shí)，開(kāi)關(guān)開(kāi)啟時(shí)間達(dá)到最大，隨后迅速下降并逐漸趨于穩(wěn)定。開(kāi)關(guān)閉合時(shí)間隨著負(fù)載電流的增大先迅速下降，在負(fù)載電流為0.1 A之后下降呈緩慢趨勢(shì)且逐漸趨于穩(wěn)定。開(kāi)關(guān)通段時(shí)間均為微秒級(jí)。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試觀察在空載情況和實(shí)際電路中輸出電壓對(duì)比中發(fā)現(xiàn)，隨著負(fù)載電流的增大，輸出電壓均逐漸減小，在負(fù)載電流最小時(shí)輸出電壓達(dá)到最大且小于供電電壓14 V，說(shuō)明在供電電壓為14 V的情況下，MOS管沒(méi)有完全導(dǎo)通。綜上所述，當(dāng)剛剛到達(dá)PMOS管的門(mén)檻電壓時(shí)，輸出電壓與開(kāi)關(guān)通斷時(shí)間均不穩(wěn)定且不能滿足實(shí)際需求，故不能應(yīng)用于實(shí)際電路中。

當(dāng)供電電壓與穩(wěn)壓二極管穩(wěn)定電壓之間壓差大于最低門(mén)檻電壓且小于柵源電壓，即供電電壓為16 V時(shí)，調(diào)節(jié)負(fù)載電流，分別觀察在有無(wú)濾波電容時(shí)開(kāi)關(guān)的通斷時(shí)間。

圖8是16 V供電電壓下空載情況和實(shí)際電路中開(kāi)關(guān)的開(kāi)啟與閉合時(shí)間對(duì)比，在負(fù)載電流從0變化到1 A時(shí)，無(wú)濾波電容均比有濾波電容的開(kāi)關(guān)通斷時(shí)間短，空載情況下開(kāi)關(guān)開(kāi)啟時(shí)間約為5 us，開(kāi)關(guān)閉合時(shí)間最大為32 us，實(shí)際電路中開(kāi)關(guān)開(kāi)啟時(shí)間穩(wěn)定為100 us，開(kāi)關(guān)閉合時(shí)間最大為400 us，且輸出電壓穩(wěn)定在16 V，MOS管完全導(dǎo)通。在實(shí)際電路中開(kāi)關(guān)的通斷時(shí)間均為微秒級(jí)，電源管理板供電電壓為20 V，計(jì)算所得功耗為0.116 W，可以運(yùn)用到實(shí)際電路中。

圖8 16V供電電壓下開(kāi)關(guān)通斷時(shí)間對(duì)比圖

5 結(jié)論

電源管理模塊采用PIC單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)隨鉆聲波測(cè)井儀中系統(tǒng)主電路的控制，實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的電源控制電路功耗低，抗干擾能力大幅度提高，開(kāi)關(guān)通斷時(shí)間滿足實(shí)際電路需求，通過(guò)單片機(jī)與主控板之間握手應(yīng)答可以避免掉電丟失數(shù)據(jù)和工作參數(shù)的風(fēng)險(xiǎn)，采用間接式工作方式能夠延長(zhǎng)電池使用壽命、提高電池的工作效率，能夠滿足隨鉆聲波測(cè)井儀的工作要求。