数字声波变密度测井仪数据采集系统

杨 亮 曾晓英 段俊东 舒克宁 张春江 朱旭东

(1.中国石油集团测井公司随钻测井仪器研究中心 陕西西安) (2.中国石油集团测井公司华北事业部 河北任丘)

数字声波变密度测井仪数据采集系统

杨 亮1曾晓英2段俊东1舒克宁2张春江2朱旭东2

(1.中国石油集团测井公司随钻测井仪器研究中心 陕西西安) (2.中国石油集团测井公司华北事业部 河北任丘)

介绍了一种基于C8051F060单片机的数字声波变密度测井仪数据采集系统。系统以C805IF060单片机为控制核心,利用单片机片内集成的16位分辨率的A/D对声波信号进行精确数据采集,为进一步准确地评价固井质量提供了可靠的资料。实践检验表明,系统具有测试速度快、精度高、运行稳定、抗干扰能力强和成本低等特点。

C8051F060;数字声波变密度测井仪;数据采集

0 引 言

声波变密度测井仪作为一种评价固井质量的测井仪器,它记录的是声波全波列信号幅度同时间的关系[1],其中数据采集系统是很关键的一部分,它不仅要求数据采集精度高,而且要求数据采集速度也要尽可能地快。大多传统的数据采集方法通常采用单片机、A/D转换器、EPROM、SRAM、D/A转换器以及一些译码器、锁存器、多路开关芯片等组成一个完整的数据采集系统。这种设计方法使用器件较多,硬件电路复杂、资源扩展受限、易出故障、编程麻烦,而且可靠性和稳定性也难以保证。

本文介绍了一种基于C8051F060的数字声波变密度测井仪数据采集系统。系统选用C8O51F060单片机内部集成的16位A/D进行精确数据采集,其最高转换速度为1 Msps,同时采用C8O51F060自带的CAN控制器,实现与测井仪遥传短节通讯,从而接收地面系统发来的控制命令。这不仅能满足数字声波变密度测井仪数据采集系统对高精度的要求,而且大大降低了系统的开发成本,简化了硬件电路,同时提高了系统的抗干扰能力[2]。

1 C8051F060单片机简介[2]

C8051F060型MCU是Silicon Laboratories公司新推出的一款高集成度混合信号单片机,本系统选用C8051F060作为主控芯片主要是由于它具有以下新的特点:

(1)C8051F060单片机内核采用流水线结构,速度可达25 MIPS(25 MHz晶振),比普通的51单片机快10倍;其指令与标准系列51单片机兼容,因而掌握开发过程非常容易;该芯片的JTAG调试方式支持在系统、全速、非插入调试和编程,且不占用片内资源。

(2)其片内集成的两个16位分辨率的ADC,最高采样速度可达1 Mbps。这就无需外扩片外高精度ADC,不仅降低了成本,而且大大简化了硬件电路,同时也提高了系统的抗干扰能力。

(3)带有DMA控制器,这就可以采用DMA存储技术,为高速数据存储提供了可能。

(4)C8051F060片上还集成有64 kB Flash、4 352 B内部RAM(256+4 kB,可外扩至64 kB)、59个I/O口、内电源监视和看门狗等功能。其内部资源丰富,是一种性价比很高的高速单片机。

(5)最独特的是引入了数字交叉开关,这是一个大的数字开关网络,利用交叉开关可以对单片机管脚进行灵活配置。

2 数据采集系统组成

图1是数字声波变密度数据采集系统结构图。C8051F060是整个系统的核心,它主要有以下几个方面的功能:一方面负责控制声波的发射,同时高精度地采集磁定位产生的CCL信号、温度探头产生的温度信号、声波接收探头接收的全波列声波信号;另一方面通过内部集成的CAN控制器,控制CAN总线收发数据,与遥传进行通讯,接收地面系统通过遥传短节发来的控制命令,将数字化的声波信号通过遥传送到地面。

图1 数字声波变密度数据采集系统结构图

2.1 CAN总线驱动电路

为了增强CAN总线节点的抗干扰能力,总线控制器未与单片机F060直接相连,而是通过光电隔离器HCPL-6630相连接,这样可很好地实现总线上各节点间的电气隔离,提高节点的稳定性和安全性,但要真正实现隔离,就必须在光电隔离器输入和输出端采用两个完全隔离的电源。如图2所示,在CANTX发送端接入一个限流电阻R2,在CANRX接收端连接一个上拉电阻R1,用于保证接收端常态为高电平,准确检测起始位低电平。

图2 CAN总线驱动电路图

CAN收发器采用MAX3050ASA,它可以提供向总线的差动发送能力和差动接收能力,其输入端分别与光电隔离器输出端的CANRX、CANTX对应连接。在CAN收发器的CANH和CANL输出引脚处并联一个电阻R5,作为CAN总线的终结电阻,其作用是避免数据传输到终端后反射回来,产生反射波而使数据遭到破坏。终结电阻R等于传输电缆的特性阻抗,一般取值120 Ω。Rs引脚为斜率电阻输入引脚,用来控制收发器的工作方式,可选择2种方式:该引脚直接接地,系统处于高速工作方式,适用于远距离数据传输;在波特率较低,总线较短时,一般采用斜率控制方式,上升及下降的斜率取决于Rs的阻值,本系统采用直接接地的方式。为避免射频干扰,系统中采用屏蔽双绞线作总线。

2.2 电压基准电路[2]

C8051F060内部16位ADC的电压基准电路允许使用多种不同的电压基准配置。既可以使用专用的内部电压基准,又可以使用外部电压基准。由于数子声波变密度仪器数据采集系统对采样精度要求比较高,这样C8051F060内部集成的基准电压的稳定性就不能满足要求。电压基准电路图如图3所示。本系统选用MAX6325作为外部精密基准电源,输入电压范围为8 V～36 V,输出电压为2.500 V。本系统中MAX6325引脚IN输入端输入+15 V电压,引脚OUT端输出接C8051F060单片机的VREF0引脚,并加0.1μF和4.7 μF的去耦电容来降低基准电压的噪声。

图3 电压基准电路图

2.3 看门狗电路

系统在运行时,通常都会遇到各种各样的现场干扰,抗干扰能力是衡量系统性能的一个重要指标。看门狗电路是自行监测系统运行的重要保证,几乎所有的工控系统都包含看门狗电路。看门狗电路一般有软件看门狗和硬件看门狗两种。软件看门狗不需要外接硬件电路,但系统需要出让一个定时器资源,这在许多系统中很难办到,而且若系统软件运行不正常,可能导致看门狗系统瘫痪。硬件看门狗是真正意义上的“程序运行监视器”,如图4所示,在此系统中采用X5043芯片。工作原理:当单片机上电时,电源电压超过门槛电压,经过约200 ms稳定后,/RESET由低电平变为高电平;当正常工作时,通过编程设定定时时间,在定时的时间内进行喂狗,即在定时的时间内,使/CS信号一直发生变化,若没有变化,则/RESET立即产生低电平,延时约200 ms后,再由低电平变为高电平。

3 软件设计

数字采集控制板的功能是通过CAN总线收发数据,负责与遥传通讯,接收地面系统通过遥传短节发来的控制命令,控制各路信号的增益,发射声波并采集声波信号、磁定位信号与温度信号的数据,并将数字化的声波信号通过遥传送到地面上,同时还可以进行信号的刻度。图5所示为采集控制板的程序流程图。

图4 看门狗电路图

首先单片机上电进行初始化设置,然后进行判断是否接受到地面的控制命令,如果没有继续等待。当接受到命令后进行判断是哪种类型的命令,若为数据帧则执行地面的控制命令,如控制增益等,执行完之后继续等待接收地面的命令;若为远程帧,则通过CAN总线将数据传给遥传上传到地面,直到所有数据传送完毕后向发射控制板发送发射控制命令,驱动声波仪器工作,当接收到发射控制板返回的数据帧命令时,开始采集声波数据,然后采集磁定位和温度信号。采集完成后继续等待地面下发的命令,如此不断的循环。

4 结束语

该系统核心采用C8051FO60单片机,进行CAN总线数字量和实时采集数据的传输,达到了总线数据实时接收和测量的目的。系统由于简化的硬件设计,增强了系统的可靠性及抗干扰能力,故障率低,精度符合国家标准,能够精确地测量出声波幅度信号,为进一步准确地评价固井质量提供了可靠的资料,在国内同类仪器中具有较大的优势。

图5 采集控制板的程序流程图

[1] 张宏兵.基于声波变密度测井的固井质量综合评价方法[J].河海大学学报.2007,35(6)

[2] 安永如,黎海文,吴一辉.基于C8051F060的微型生化分析仪高速数据采集系统[J].光电子技术,2007,27(3)

Data acquisition system for digital variable density sonic logging tools.

Yang Liang,Zeng Xiaoying,DuanJundong,Shu Kening,Zhang Chunjiang and Zhu Xudong.

A kind of data acquisition system for digital variable density sonic logging tools based on C8051F060 MCU is introduced.The C8051F060 MCU is acted as the controlling unit to acquire data of sonic signals accurately by an on-chip 16-bit SAR ADC.Reliable information can be provided for further accurate evaluation of cementing quality.The results show that this system has the characteristics of high speed,high precision,good stability,perfect anti-jamming and low cost.It has great advantages of similar instrument in domestic.

C8051F060;digital variable density sonic logging tool;data acquisition

TE271

B

1004-9134(2011)05-0028-03

杨 亮,男,1982年生,工程师,2007年毕业于西南石油大学研究生院机械电子工程专业。现在中国石油集团测井公司随钻测井仪器研究中心从事测井仪器开发工作。邮编:710061

2011-04-28编辑姜 婷)

PI,2011,25(5):28～30

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