基于PIC的井下数据采集与大容量存储系统设计

刘西安，陈 萍

（西安石油大学电子工程学院 陕西 西安 710065）

基于PIC的井下数据采集与大容量存储系统设计

刘西安，陈 萍

（西安石油大学电子工程学院 陕西 西安 710065）

在旋转导向钻井技术的研究中，针对随钻测井过程中测井数据实时大容量存储的需求，本文设计了一个适应井下高温环境要求的近钻头随钻测量井下工况数据采集与大容量存储的单片机系统，该系统选用Nand Flash作为存储介质，采用dsPIC33FJ128数字信号控制器为主控芯片，进行数据的采集与存储，完成了软硬件系统的设计及实现。该系统能够适应于井下的高温环境，满足井下传感器信号采集与大容量存储的需要，对随钻测井具有重要的实用价值。

井下数据采集；PIC；大容量存储；Nand Flash；高温

1 引言

旋转导向钻井技术是在20世纪90年代初开发的一种新型的自动化钻井技术[1]，不仅提高了钻进速度、减少了事故，而且降低了钻井成本。旋转导向钻井工具在钻井过程中，井下钻探传感器输出的信号，被采集到通过泥浆或无线电波传输到地面[3]，但泥浆和无线电波的传输速率都比较慢，由于钻井工具工作时间长，随钻传感器采集的数据量大，数据从井下到地面的传输速率较低，易致大量的井下参数数据丢失，因此需要将测量的数据存储在大容量内存中，待PC读出后进行工程技术数据分析。但是在井下钻进过程中，由于振动、温度等原因的影响，目前市面上常用的磁盘、硬盘、U盘、TF卡等存储器都不能够满足井下工作环境下要求。

针对上述工程实际问题，本文设计了一个适应井下高温环境要求的近钻头随钻测量井下工况数据采集与大容量存储的单片机系统，该系统选用Nand Flash作为存储介质，采用dsPIC33FJ128数字信号控制器为主控芯片，进行数据的采集与存储，完成了软硬件系统的设计及实现，在存储容量和使用寿命方面，比使用EEPROM作为井下存储设备的存储介质更好。该系统能够适应于井下的高温环境，满足井下传感器信号采集与大容量存储的需要，对随钻测井具有重要的实用价值。

2 系统组成

本系统设计的井下数据采集与大容量存储系统是相对独立的模块，可嵌入智能传感器主控电路，将传感器采集的数据进行存储，特别是当传感器数据需要单独的高速实时存储，如三轴加速度采集、两轴振动采集、陀螺仪转速采集等。

本系统以16位dsPIC33FJ128MC804单片机为控制核心，将各个传感器采集的电压信号，经过信号调理电路，通过集成在单片机内部的A/D模块采集电压信号，然后将这些电压信号转换成数字量，直接缓存到单片机的DMA模块的缓冲区中，完成快速读取，然后把DMA缓冲区中的数据存储于大容量的Nand Flash，结果将各个传感器采集的大量数据都保存起来，待起钻后用PC机中的上位机将数据读出，以供工程技术人员进行详细分析。系统原理框图如图1所示。

图1 系统原理框图

3 Nand Flash存储器

3.1 Nand Flash分类

闪存是一种非易失性存储设备，作为快速且安全的存储介质，具有掉电后数据不丢失、成本低、容量大、体积小等一系列特点。从存储容量来看，Nand Flash有大容量与小容量之分，大容量即每页（2048+64）字节，小容量即每页（512+16）字节。从存储单元来看，Nand Flash又有SLC（Single Level Cell单层单元）架构 与MLC（Multi Level Cell多层单元）架构之分。SLC具有容量小、成本高、速度快等特点，而MLC特点是容量大、成本低、速度相对于SLC较慢。单层单元闪存技术是在Nand Flash的每个存储单元里存储1个bit的信息，这样就可以将数据一位一位地储存在闪存的每一个单元里，这种单层式存储技术可以快速地进行程序编程与读取。MLC就是在Nand Flash中的单个存储单元可以存储多个bit信息，通过不同电位的电荷，经过存储单元储存格的不同电压精确控制，存储成不同的数据。也就是说，一个存储单元存储多个bit，常见MLC架构的Nand Flash中每个存储单元可存放2个bit，其容量等于SLC架构芯片的两倍。由于其大容量和价格优势，MLC有着良好的应用前景。

3.2 Nand Flash结构

考虑到井下工作环境的特殊性，Nand Flash用来保存大容量的数据，本系统采用三星公司的大容量MLC架构的Nand Flash存储器芯片K9K8G08U0A，此芯片供电电压范围是2.7～3.6V，总的容量是（1G+32M）*8位，其中，数据区为1G字节，信息区为32M字节，页缓存为（2K+64）字节。对于Nand Flash的组织，使用层次结构的整体结构，以页为最小单位，页大小为（2K+64）字节，Nand Flash是以页为单位进行编程和读操作的；一个块是由64页构成的，其大小为（128K+4K）字节，Nand Flash是以块为单位进行擦除的；此Nand Flash芯片由8192个块组成。

4 硬件电路设计

4.1 主控芯片电路设计

选用Microchip的微控制器dsPIC33FJ128MC804-H/PT(简称MC804)为主控芯片，此芯片最高工作温度达+150℃[4]，外设资源丰富，引脚有映射功能可以灵活使用外设，主控芯片电路原理图如图2所示。

图2 主控芯片电路原理图

MC804的输入电源为3.3V。在150℃下，CPU最高工作速度为40MIPS，此时工作电流为60mA左右。dsPIC33FJ系列芯片为DSC类型MCU，内部集成DSP单元，具有微控制器对I/0的控制能力和DSP强大的计算能力。核心芯片可以采集井下6路模拟信号，对井下模拟信号进行A/D转换为数字信号；使用RC口的低8位与Nand Flash的8位数据I/O端口对应相连接，从而实现井下数据存储功能。

4.2 Nand Flash接口电路设计

Nand Flash存储器芯片接口电路，如图3所示。

图3 Nand Flash接口电路

该系统选用三星公司的Nand Flash型K9K8G08U0A芯片作为存储器件，本Flash供电电压是3.3V，工作温度是-40℃～+125℃[5]。其I/O端口是一个8位通用数据地址线，可用作为命令的输入或地址的输入，还可用作数据的输入/输出。分别将Nand Flash芯片的8个通用I/O端口与MC804的RC口的RC0～RC7端口相应连接，与单片机进行并行通讯，用于输入地址/数据/命令，输出数据，这种复用形式节省了单片机硬件端口资源。它的各个控制使能端，与MC804主控芯片的RA口、RB口相应引脚相连接。从而实现MC804对Nand Flash芯片读、写、擦除、检验等操作，进而实现井下大量数据的可靠存储。

5 结语

该数据采集存储系统选用的主控芯片和存储器芯片都具有耐高温、低成本、小体积、数据传输速度快等优点，尤其是存储器芯片K9K8G08U0A容量大、功耗低、易于读写等特点，可以很好地适应井下高温环境，其并行数据/地址复用端口与主控芯片相应通用端口的硬件连接，节省了主控芯片的端口资源，提高了系统存储时间。完成了通过MC804对该Flash芯片的读写擦除等操作程序，在该存储芯片没有坏块情况下，完成了读该Flash芯片ID，连续块擦除、页写、页读等程序的开发，程序均能可靠正确执行，同时内嵌了ECC算法，实现了高速数据实时可靠存储的功能。所选用的电子元件工作温度均达到或超过125℃，系统可适应井下高温环境，满足井下钻井仪器设备对井下数据大容量存储的要求。

[1]狄勤丰，张绍槐.旋转导向钻井系统测量技术研究[J].石油钻探技术,1998,26(2):50-53.

[2]李松林，苏义脑，董海平.美国自动旋转导向钻井工具结构原理及特点[J].国外石油机械，2000,28(1):42-55.

[3]牛林林.随钻测井的数据传输[J].国外测井技术,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 【文献标识码】A 【文章编号】1009-5624（2018）01-0239-03

西安石油大学研究生创新与实践能力培养项目资助（YCS17123012）

刘西安（1989-）男，汉族，陕西省咸阳人，西安石油大学硕士研究生在读，研究方向：油气井井下测控技术。