基于C8051F340的陀螺测斜地面系统设计硕士学位论文.doc

北京航空航天大学硕士学位论文学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名：日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权湖南科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名： 日期： 年 月 日 导师签名： 日期： 年 月 日第一章 绪论1.1课题背景介绍1.1.1石油测井简介石油作为现代社会的最重要能源之一，随着现代工业的飞速发展，人类社会对石油的需求量越来越大，人们对石油勘探和采集的投资也在不断增加，随着现代科学技术的发展，用于石油勘探的设备和技术涉及到许多技术和领域，从微电子技术到计算机技术、从机械制造到材料科学、从地质学到地球物理学等学科，几乎无所不包。地球物理测井 (简称“测井”) 技术是伴随石油工业而产生和发展起来的一门学科，属于地球物理学的一个分支。为了寻找石油和天然气，一般要根据地质科学的研究，先在有利于石油和天然气生产和存储的地区进行地质调查和地球物理勘探，找出可能存储石油和天然气的各种地质构造。至于在这些地质构造中是否真的含有石油或天然气，以及石油或天然气的储量是多少，最终都要靠测井来证实。测井分为勘探测井和生产测井两种，前者为了找石油，了解地层物理结构；后者是在石油开采过程中，为了提高采油效率，测量掌握与采油有关的油井情况 (如井径尺寸、钻井偏斜度等)、地层情况 (如油层深度、油/水比等) 1。1.1.2石油测井的发展历史和现状测井的发展大致可以分为四个阶段2：第一阶段是模拟记录阶段。从测井诞生到60年代末，都使用模拟记录测井仪器。用灵敏度高的检流计测量回路电流得到探测系统测量端间的电位差变化，反映地层物理参数(电阻率、声波速度等)随深度的变化，记录在照相纸或胶片上，模拟记录的特点是采集的数据量小，传输速率低。使用的主要测井方法有声速(纵波)测井、感应测井和普通电阻率测井，配之以井径测井、自然电位测井和自然伽马测井等。第二阶段是数字测井阶段。自60年代来，测井仪器从模拟记录过渡到数字记录。这是测井技术发展的要求，测井方法的增多，特别是地层倾角测量的出现和声波变密度测井都要求高速采集地下信号，此外，某些测井方法要求在井场作一些校正、补偿和简单的计算，如中子测井计算中子孔隙度、密度测井进行脊肋校正等。第三阶段是数控测井阶段。新测井方法不断出现，如电磁波传播测井，碳/氧(c/o)能谱测井，其下井仪器复杂，为提高精度，须在测井过程中对仪器的某些参数实现“实时”控制和调节 (双侧向测井对屏蔽电流的“实时”调节等)，数字测井已经不能满足要求，计算机技术的高速发展提供了解决问题的途径。70年代末发展了数控测井仪。数控测井仪实质上是一台以计算机为中心的遥控遥测系统，各种下井仪器作为计算机的外设，通过电缆通讯系统实现数据的交换和计算机对下井仪的控制。仪器检测、测量数据处理和显示、曲线回放等都通过软件实现。测量时，在井下将各种仪器信号变换为数字信号，通过不同的编码解码技术将信号沿电缆送至地面，输入计算机，这样有利于下井仪的设计和更新，也有利于整个数控测井系统的扩展。第四阶段是成像测井阶段。随着勘探和开发更复杂更隐蔽的油气藏的发展，对测井也提出了更高的要求，薄层、薄互层、裂缝性储层低孔隙低渗透层、复杂岩性的评价；高含水油田的开发中剩余油饱和度及其分布的确定；固井质量、套管损坏等工程测井问题及地层压力、非均质和各向异性等问题需要测井从方法理论到测量技术有更新的发展，正是在这样的背景下，测井现在正向成像测井阶段发展。 目前的测井手段仍以数控测井为主。国内的数控测井系统从八十年代开始发展，之前国外石油公司的测井系统一直处于垄断位置，如mobil石油公司、shell石油公司和schlumberger石油公司。胜利北航钻井测控研究中心自1985年开发石油测井仪器以来，始终以达到国际先进技术水平为目标，制定适合国情的研制方案。相继和胜利油田、滇黔贵石油钻探公司、江汉测井研究院、大庆油田测研所等单位建立了合作关系。在国内率先将单片微处理器及计算机技术应用于石油测井仪器中。已形成从测量油井各种基本物理参数如陀螺测斜仪、多参数测井仪，到具有油井分析系统功能的如碳氧比能谱测井仪等多种类系列测井仪器。这些测井仪器的成功应用打破了外国公司在测井仪器领域的垄断，填补了我国测井仪器行业的空白。1.2课题的来源1.2.1数控测井系统介绍数控测井系统通常由三部分组成：上位机、下位机和井下仪器。上位机和下位机主要通过串口、并口或自行开发的总线扩展槽连接，而下位机和井下仪器则通过模拟电缆连接，数控测井系统的结构如图1所示2, 3。图1 数控测井系统结构 上位机系统主要以工控机(或者便携电脑)为中心，辅助以打印机和示波器等外部设备。数控测井软件系统的大部分软件也包含于其中。主要完成对下位机系统各个接口的管理和控制功能，并实现对测井数据的处理、显示、存储、打印和回放等功能。 下位机系统主要有供电部分、模拟部分和各种测量接口部分等组成。测量接口通过接口控制连接到井下仪器，常用的测井接口有深度测量接口、脉冲计数测量接口、a/d采样测量接口、声波测量接口、碳氧比测量接口、陀螺测斜接口、ddl3组合测井仪测量接口等。 井下部分负责采集数据，然后将其传送给下位机系统。井下部分由井下仪、供电系统、电缆切换单元和信号监测四部分组成。常用的井下仪器有声波仪、ccl仪、陀螺测斜仪、碳氧比能谱测井仪和自然伽马仪等。数控测井地面系统大都是大型车载式机柜系统，硬件配置齐全、功能强大、可以和多种井下仪器配套使用、能够满足各种测井作业的需要，但是它的体积庞大，在海上作业或长距离作业时，运输安装极为不便，影响了它的推广使用。特别是面对单一的测井任务，也需要将整个数控测井系统用车拉到现场，浪费了系统资源，也浪费了人力物力。因此地面测井接口的专用化和小型化成为测井行业的趋势和潮流。1.2.2 陀螺测斜简介应用在石油测井领域的陀螺测斜仪是20世纪90年代初期才发展起来的一种不受地质和周围环境影响的精确油井导向系统，该系统采用动力调谐式挠性速率陀螺为核心传感器，可测量目标位置的方位，井斜、工具面等工程参数，从而获得油井的空间轨迹，同时也可为定向钻井提供导向信息。此前随钻测量仪、电子多点等测量仪器等测斜系统，考虑到抗震性能要求高，均采用磁通门传感器来感应大地磁场，确定井眼方位。而在套管中由于存在铁磁质材料，大地磁场受到屏蔽或干扰比较大，上述测量仪器确定的方位就不准确了。由陀螺惯性原理可知，即使外界磁干扰很大，陀螺仍能保持原来的方位稳定，因此，陀螺测斜仪也就成为在套管中进行定向测量的必备仪器。陀螺测斜系统分为地面系统和井下系统两部分4。其中井下系统就是动调式陀螺测斜仪，它由减震器、惯性体、陀螺电路舱、电源舱、微机舱、磁定位器、马笼头等几部分组成。其结构如图2所示。图 2 陀螺测斜井下系统地面系统是一套专用的便携式计算机测控、信号采集系统，它可对井下仪器实时控制，数据采集和处理，实时显示、打印、存储测井数据，并在测井现场完成测井资料的处理工作，主要由笔记本电脑、测控接口箱、电源、打印机几部分构成。其系统构成如图3所示。图 3 陀螺测斜系统结构图传统的陀螺测斜仪接口一般是由单片机扩展一系列外围器件组成，结构复比较杂，例如：模拟信号采样需要扩模拟多路选择器、模/数转换器、程控放大器等；与陀螺仪通信部分需要扩展曼彻斯特编解码芯片（如hd15530）或扩展fpga实现编解码；与工控机通信部分则需要扩展usb接口芯片（如pdiusbd12）或其他通信接口芯片。图4为某型号陀螺测斜接口箱结构。图 4 接口箱组成结构图接口箱由std总线机笼里插入std总线接口板，cpu板、深度及a/d板、显示驱动板、通讯板和前面板上的显示板组成。这种结构板卡过多，而且在实际测井工作中也经常出现板卡松动的现象，因此需要把板卡整合在一起，既能减小体积，又能提高可靠性。在电子技术、信息技术和计算机技术高度发达的今天，完全可以在不降低功能和性能甚至功能和性能有所提高的前提下大大简化硬件系统和软件系统。1.2.3 声波测井简介50年代出现了声波测井仪器，60年代末提出了偶极子源能直接激发横波信号，可以解决软地层中横波勘探的问题。70年代初提出了可能的横波速度测井仪，70年代末出现了长源距声波全波列测井仪，80年代初研制出电磁驱动的偶极子横波测井仪，80年代中期发展了阵列声波测井仪，将常规井眼补偿声波与长源距声系以及井径等综合测量，实现了对声波全波列的数字化记录，并对管波的纪录予以重视 6，7，8。声波探测数控石油测井系统主要应用是在固井后，检查和评价水泥固井的工程质量。采用声幅测量和全波变密度测量两种技术相结合，可以有效的检查套管和地层间水泥环的胶结质量(包括第一胶结面的胶结质量水泥环和套管的胶结情况，第二胶结面的胶结质量水泥环和地层间的胶结情况)。同时水泥抗压强度和套管破裂等油管固井工程质量问题都是十分重要的评价内容9。数字声波测井仪接收到来自地面的指令，根据相应的指令控制仪器工作。在井下按规定的时序发射声脉冲信号，用传感器阵列接收经地层传播的声波信号，将该信号数字化处理后传输到地面，地面系统将接收到的数据进行处理以获取地层的物理特性。要求测井仪可以控制声波发射的强度、次数和时间；采集到的信号可以缓存；具有一定的容错能力。具体工作过程如下：1、逻辑控制序列，控制声波发射晶体的发射、完成声波接收器的选择及接收增益设定；2、对4路声波信号进行数字化采集，并根据每路采集的信号大小，产生相应的增益控制；3、集的数据、增益，按规定的序列通过遥测短节传送到地面进行纪录。测井数据的记录方式也由最早的手工照相记录，发展到60年代末的数字磁带机记录，再到后来的的在计算机上实现测井数据的处理、记录、绘制曲线等2。上位机上的软件平台也由原来的基于dos操作系统向基于window操作系统转变。1.2.4 陀螺测斜接口改进需求陀螺测斜专用接口改进是在原陀螺测斜接口箱的基础上进行的，原有的陀螺测斜地面系统虽然已经投入了生产应用，但在实际应用中也发现了一些问题有待改进，有的用户也提出了新的要求和改进意见。1. 结构小型化、便携化：原陀螺测斜地面系统功能强，硬件配置齐全，能够满足陀螺测斜作业的需要；但是它的体积庞大，运输安装极为不便，影响了它的推广使用。因此，陀螺测斜地面系统的小型化成为测井行业的趋势和潮流；2. 可靠性：原陀螺测斜地面系统由cpu板、深度a/d板、通讯接口板、显示驱动板和显示板等组成，把各功能模块组合起来以完成测井信息的采样与处理等功能。由于板卡过多，而且在实际测井工作中也经常出现板卡松动的现象，因此需要把板卡整合在一起，既能减小体积，又能提高可靠性；3. usb接口：传统的测井系统与主机的通信接口一般采用串口进行通信，串口虽然连接方便，可是它的带宽非常有限，传输速度太慢，随着数据量的增大和传输速率的提高，串口通信很难满足数据传输的要求。而现在生产的pc几乎都配备了usb接口，microsoft的windows系列以及mac os， linux， freebsd等流行操作系统都增加了对usb的支持。usb有很多优点，如：速度快、设备安装和配置容易、易于扩展、使用灵活。因此，将usb技术应用于数据的实时采集传输是非常适合的。便携式数控测井地面系统扩展一个usb通信方式，成为系统发展的必然趋势，也是我们设计陀螺测斜专用接口的主要任务之一；4. 改进电源性能：原陀螺测斜接口箱采用的是线性电源，它体积大，效率低。随着开关电源技术的发展，有必要采用体积小、重量轻、效率高的开关电源，不仅可以大大缩小陀螺测斜接口箱的体积，减轻机箱重量，而且还可以提高系统的可靠性。1.2.5 声波测井软件的改进需求随着计算机硬件设备的迅猛发展，开发进行实时数据处理和有良好用户界面的应用软件成为软件开发的趋势之一，也是许多用户的需要。声波测井系统的软件运行平台为windows操作系统，因为windows操作系统作为目前应用于个人计算机的主流操作系统具有以下特点：1、灵活的内存管理模式：windows 的内存管理是线性的而不再象dos操作系统那样分段管理，每个进程（应用程序）都有它自己的32位虚拟地址区，各个进程的虚拟地址空间要比总的物理内存（ram）大得多，并能提供给所有进程。这样就保证了应用程序有足够的内存空间可以使用。3图形化用户界面：是windows操作系统的重要特点之一。采用命令式操作方式，消息映射的管理方法，从而简化了用户操作，实现程序与用户的简单，直观，良好的交互。4、设备无关性：即为windows编写的应用程序可以在多种类型的硬件设备上绘制图形和输出，这也是windows的主要特点之一。这是因为win32应用程序编程接口（api）具有这种性质。支持这种设备无关性的软件在两个动态链接库中。第一个库是图形设备接口（gdi），另一个是设备驱动程序。后者的名称根据应用程序输出设备的不同而不同。由于windows采用图形设备接口(gdi)技术访问屏幕和打印机等图形显示设备，因此windows程序可以在不同设备上使用。克服了dos下程序的不足。各种不同的硬件设备有各自的驱动程序，可以为用户提供相对透明的服务。5、windows操作系统采用多任务的运行方式：一个windows平台下可以同时运行多个应用程序，一个应用程序又可以由不止一个进程组成，而一个进程可以由不止一个线程组成。进程由代码、数据和该进程中的线程可用的其它系统资源，如文件、管道和同步对象等组成。操作系统为其分配cpu的时间处理时隙。各进程间采用抢先式多任务的管理模式。课题的具体任务是以现有的dos平台下软件为依据，以windows平台下常规测井软件为参考，采用vc+6.0开发工具，开发运行在 windows平台下的数控声波测井系统软件，实现整个软硬件系统的协调工作。1.3 课题的目标本课题包含两方面的内容，陀螺测斜专用接口的设计与实现是要把陀螺测斜接口从数控测井地面系统中独立出来，使它能独立工作，完成陀螺测斜功能，并且要求误码率、无故障工作时间等技术指标符合2003年制定的陀螺测斜系统技术指标；基于windows声波测井软件的开发是以现有的dos平台下软件为依据，以windows平台下常规测井软件为参考，开发出界面友好、操作方便、功能强大的声波测井软件，包括各种测井曲线的绘制、打印、保参和回放。1.4课题主要工作和论文内容安排本论文是在设计陀螺测斜专用接口和声波测井软件开发的实际工作的基础上，通过对工作进行总结、问题问题进行研究而写成的。陀螺测斜专用接口，实现数据采集、通信、传输等功能。此接口需要完成的功能主要有：电压、电流，张力，磁标记，ccl信号的采样；马丁代克信号的处理；与上位机和井下仪的通信。这些功能都是通过c8051f340单片机来实现和完成的。声波测井软件主要绘制cbl(水泥胶结测井)、bi(水泥胶结指数)、vdl(变密度测井)、srt(3英尺源距接收器实测套管传播时间)和常规测井曲线温度、张力和压力等，并实现这些曲线的保存、打印和回放。全文共分六章，第一章介绍课题背景来源，课题的意义，课题的目标和论文内容安排。第二、三章分别介绍了陀螺测斜专用接口的硬件电路系统设计和单片机固件程序设计。主要对硬件电路系统设计的原理、设计方法、设计思路以及系统设计中的核心技术进行了详细说明。第四章介绍了陀螺测斜测试程序的开发。主要介绍了用ni-visa开发usb驱动程序的开发步骤和labview开发的陀螺测斜系统各种功能的测试程序，主要包括下位机register读写程序、adc采样测试、曼彻斯特编解码测试、通信误码率测试、陀螺采样通道测试和测井命令测试等。第五章主要介绍了声波测井的背景知识。第六章介绍了声波测井软件各个模块的开发。最对研究生工作进行了总结。81第二章 陀螺测斜接口电路设计本章内容：主要介绍陀螺测斜专用接口的设计思想、各个组成模块的设计方案、相应的硬件设计和仿真及相关电路原理。2.1 陀螺测斜接口总体设计思想目前使用中的数控测井地面系统基本结构和设计思想大体一致，即以计算机为主控机，充分利用计算机的硬件资源再配以专用测井接口电路，以小规模的硬件设备同时辅以丰富的软件支持来构成系统，这种结构已经形成数控测井地面系统的主流10。以目前计算机的能力及速度足以应付各种生产测井任务。但应在此基础上提高工艺水平，降低造价并使系统便于维护，减少硬件设计制作规模，增大软硬件比例，以便使系统实现灵活可靠、经济、便于维护的特点。基于硬件高度集成、功能专一、操作简便、性价比高的指导思想，我们的陀螺测斜地面系统以计算机为主控机，采用高集成度、的功耗的芯片作为下位机的设计主体，由计算机直接控制测量过程。这种结构的突出优点是控制灵活、便于维护，能够充分利用和发挥软件的强大功能，减少了硬件规模，系统结构大大简化，系统的体积大大缩小，成本大大降低，而系统的功能却有所增强，具有很高的性能价格比。2.2 陀螺测斜接口功能分析陀螺测斜接口，向下连接井下陀螺器，向上连接上位机，主要起着联络上位机和井下仪的作用，同时也对井下仪及地面系统的一些关键参数进行采集、处理和显示，并将采样数据和陀螺仪发送的数据按照一定的帧格式通过usb接口传给pc机做进一步处理。陀螺测斜接口的主要功能可以分为以下几部分， 实时监测并显示井下仪器的供电电压和供电电流，以防止供电电源异常而烧毁井下仪器，同时也为地面操作人员调整井下仪器的供电压或电流提供依据； 实时监测并显示电缆张力，一方面防止井下仪器下放或上拉速度过快而造成电缆折断，另一方面以便操作人员判断井下仪器是否遇到阻力被卡住，而及时调整井下仪器的下方或上提速度速度； 实时采样ccl信号和磁标记标记信号，并将采样时的时间信息和深度信息加入采样数据组成数据帧放入通信缓冲区中等待上位机读取； 实时显示井下仪器所处的深度和运动速度，方便操作人员对井下仪器的深度和速度进行控制； 通过usb接口接收并处理主机发送的命令和数据，并将命令和数据加上同步头和校验位，然后进行曼彻斯特码后发往井下仪器； 接收井下仪器的数据，并且按约定好的算法对接收到的数据进行校验，对错误数据进行标记，然后放入陀螺数据缓冲区中等待上位机读取； 接口箱工作温度040，保存温度1055，系统误码率小于10-5。2.2 陀螺测斜接口结构设计以照陀螺测斜的功能要求和陀螺测斜专用接口的总体设计思想为指导，本设计选用silicon labs公司高集成度的片上系统c8051f340单片机作为接口板的核心控制部分，扩展了极少的外围器件，大大简化了电路结构，提高了系统可靠性和可维护性，极大的提高了系统的性价比。文中设计的测斜专用接口结构如图5所示。图 5 陀螺测斜专用接口结构陀螺测斜主要采取“点”测模式，即每隔一定时间由操作人员通过上位机向接口板发送一次命令，接口板把命令按照曼彻斯特编码转发到陀螺仪，陀螺仪接收到命令后便对井下信号进行一次模数转换，并将采样数据按照曼彻斯特编码发送到接口板，接口板对接收到的资料进行预处理后再发送到pc机。因而半双工的通信模式足以满足实际需求。井下仪和接口板之间采用半双工的通信方式，曼彻斯特编码，pc 机和接口板之间则通过usb接口传送数据。c8051f340单片机是整个测斜仪接口的核心部分，它具有强大的数模混合信号处理能力和丰富的外设资源。和高达48mips的指令执行速度，保证了各路模拟信号的完全采集、快速深度计数的和实时接收并处理主机发送的命令和数据，这保证了对井下仪的实时控制和对数据的实时采集和处理。2.3 c8051f340介绍c8051f340是由美国silicon labs公司设计的新一代单片机，他对原51单片机内核进行了改造，设计了以流水线方式处理指令的cip-51内核，废除了原51系列单片机中的机器周期，一个时钟周期便可以执行一条单周期指令，大多数指令执行所需的时钟周期数与指令的字节数相同，这使得c8051f340单片机的指令峰值速度可以高达48mips。该系列单片机结构11如图6所示。图 6 c8051f340结构c8051f340内核采用silicon labs公司的cip-51微控制器内核11,12,13。cip-51与mcs-51tm 指令集完全兼容，可以使用标准 的803x/805x的汇编器和编译器进行软件开发。cip-51内核具有标准 8052 的所有外设部件，包括4个16位计数器/定时器、两个具有扩展波特率配置的全双工uart、一个增强型spi端口、一个增强型i2c端口、128字节特殊功能寄存器（sfr）地址空间及多达40个i/o引脚。silabs公司在提升8051速度上采取了新的途径，即设法在保持cisc结构及指令系统不变的情况下，对指令运行实行流水作业，推出了cip-51的cpu模式11,14。在这种模式中，废除了机器周期的概念，指令以时钟周期为运行单位。平均每个时钟可以执行完1条单周期指令，从而大大提高了指令运行速度。在一个标准的 8051 中，除mul和div以外所有指令都需要 12 或 24 个系统时钟周期，最大系统时钟频率为 12-24mhz。而对于 cip-51 内核，70%的指令的执行时间为1或2个系统时钟周期，只有4条指令的执行时间大于4个系统时钟周期，最大系统时钟可以高达48m。cip-51 共有111 条指令。表1列出了指令条数与执行时所需的系统时钟周期数的关系。 表1 cip-51指令数与指令周期对照表执行周期数122/333/444/558指令数265051673121与8051相比，在相同时钟下单周期指令运行速度为原来的12倍；整个指令集平均运行速度为原来8051的9.5倍，使8051兼容机系列进入了8位高速单片机行列。c8051f340单片机外设方面有几项关键性的改进，大大提高了整体性能，更易于在最终应用中使用。 程序存储器和数据存储器：cip-51 有标准 8051 的程序和数据地址配置。它包括 256 字节的数据 ram，其中高 128字节为双映射。cip-51 有 64kb 的程序存储器空间，程序存储器通常被认为是只读的，但是cip-51可以通过设置程序存储器写允许位（psctl.0）用 movx 指令对程序存储器写入，这一特性为 cip-51 提供了更新程序代码和将程序存储器空间用于非易失性数据存储的机制。同时，他还具有4k的片上xram，极大的方便了大批量数据处理。 通用串行总线控制器（usb0）：它符合usb2.0规范，可以低速模式和全速模式，集成了收发器和端点fifo。共有8个端点：一个双向控制端点（端点0）和三对输入/输出端点（端点1-3 输入/输出）。 数字交叉开关：数字交叉开关允许将内部数字系统资源通过编程映射到端口i/o引脚。可通过设置交叉开关控制寄存器将片内的计数器/定时器、串行总线、硬件中断、比较器输出以及微控制器内部的其它数字信号配置为出现在端口i/o引脚。这一特性允许用户根据自己的特定应用选择通用端口i/o和所需数字资源的组合，灵活方便。 模/数转换器：c8051f340内部有一个10位sar adc和一个差分输入多路选择器。该adc工作在200ksps的最大采样速率时可提供真正10位的线性度，inl为1lsb。adc系统包含一个可编程的模拟多路选择器，用于选择adc的正输入和负输入。端口i/o引脚中的20个引脚可用作adc的输入；另外，片内温度传感器的输出和电源电压（vdd）也可以作为adc的输入。 比较器：c8051f340内部集成了两个电压比较器，能在上升沿、下降沿处中断cpu，或在上升沿和下降沿都产生中断。通过软件不仅可以配置比较器的正向回差电压和负相回差电压，而且还可以配置比较器的响应时间，允许用户在低功耗和高速之间选择。 可编程计数器阵列(pca)：pca包括一个专用的16位计数器/定时器时间基准和5个可编程的捕捉/比较模块。每个捕捉/比较模块都有六种工作方式：边沿触发捕捉、软件定时器、高速输出、8位或16位脉冲宽度调制器、频率输出。此外，捕捉/比较模块4还提供看门狗定时器（wdt）功能。c8051f340内部还集成了稳压器、内部基准源、两个增强的全双工通用异步串行接口、i2c接口、增强型spi接口、内部精准振荡器和片内调试接口等。传统的陀螺测斜仪接口一般是由单片机扩展一系列外围器件组成，结构复比较杂，例如：模拟信号采样需要扩模拟多路选择器、模/数转换器、程控放大器等；与陀螺仪通信部分需要扩展曼彻斯特编解码芯片（如hd15530）或扩展fpga实现编解码；与工控机通信部分则需要扩展usb接口芯片（如pdiusbd12）或其他通信接口芯片。c8051f340集成了众多的模拟和数字外设，具有强大的数/模混合信号处理能力，是功能强大的高速片上系统 (soc) 型单片机。利用c8051f340单片机设计陀螺测斜仪接口，它内部的模拟多路选择器和模/数转换器可以实现多路模拟信号的采样，usb接口可以实现与上位机的通信，比较器可以实现深度信号的解码，大量的i/o和丰富的中断源可以实现数据的显示和与井下仪器通信。这是本次设计选用c8051f340单片机设计陀螺测斜仪专用接口的重要原因。2.4 系统单元电路设计c8051f340集成了大量的数字外设和模拟外设，用它作为陀螺测斜仪专用接口的核心大大简化了系统结构，避免了扩展一系列外围设备，减小了电路板面积，避免了各个外设的相互干扰，增加了系统的可靠性，提高了系统的性价比。陀螺测斜仪专用接口按功能可以分为：模拟信号采样模块、深度信号（又称马丁代克信号）处理模块、数据显示模块、井下仪通信模块、上位机通信模块和监控模块。下面分别介绍各个模块的电路设计。2.4.1 模拟信号采样设计c8051f340的adc0子系统11集成了两个模拟多路选择器和一个 200ksps 的 10 位逐次逼近型 adc，adc集成了跟踪保持电路和可编程窗口检测器。amux0、数据转换方式及窗口检测器都可用软件通过特殊功能寄存器来配置。adc0可以工作在单端方式或差分方式，可以被配置为用于测量端口引脚电压、温度传感器输出或 vdd（相对于一个端口引脚、vref 或 gnd），允许输入的最大电压范围（0.33.3v），其内部结构如图7所示。 图 7 c8051f340内部adc结构c8051f340需要采样的模拟信号包括：井下陀螺仪供电电压（0300v），井下陀螺仪供电电流（0300ma，叠加有二百多伏的共模电压），电缆张力（010v），ccl信号（-3+3v，0.110hz），磁标记信号（-200mv200mv，0.110hz，叠加有十几伏的共模电压）。这些信号有的信号很强，达到上百伏，有的信号却很微弱，只有上百毫伏，但是单片机内部集成的adc所允许的输入电压是03.3v，因此对采样信号必须做必要地预处理，如放大、衰减、电平调理、限幅、滤波等一系列处理后才能送进单片机进行采样。陀螺仪供电电压和电缆张力的处理比较简单，只牵涉到分压和滤波（滤除工频干扰和开关电源开关频率干扰），在这里不作详细介绍。重点介绍ccl信号、陀螺仪供电电流和磁标记信号的预处理。1、 ccl信号处理ccl信号2是井下仪器深度确定的重要参考信号之一，它是一个低频信号，跟电缆速率有关。ccl信号是由ccl仪产生的，当ccl仪通过节箍时，夹在两个同名磁极间的线圈内磁力线变化而产生电流，具体产生过程如图8所示（电路部分未标出）。图 8 ccl信号产生示意图节箍的长度，陀螺测斜时电缆速率，实际测井时 ccl信号的频率。单芯电缆除了传输ccl信号外，还给井下仪器供电和传输井下仪器与接口箱之间的通信编码信号（3.472khz），因此，对ccl信号的处理首先要用高压电容进行高压隔离，以避免损坏后续电路，然后进行低通滤波，滤除电缆上的编码信号以及耦合进来的工频干扰和开关电源产生的开关频率干扰。具体电路如图9所示。图 9 ccl信号预处理电路原理图从井下仪做ccl信号采样端的交流小信号分析所得的幅频特性和相频特性如图10所示。图 10 ccl信号采样端的幅频特性和相频特性由图10可知，ccl信号采样端的3db带宽为10.5hz，在50hz处衰减21.8db，在3.472khz处衰减136.2db，在20khz处衰减177.4db。相频特性在通带内变化平缓，在实际测井时只关心ccl信号峰值什么时候到来，至于峰值是多少，倒并不关心。因此所设计电路完全满足设计要求。2、陀螺仪电流信号处理陀螺仪供电流是差分信号，同时在次差分信号叠加有很高的共模电压，有时达到200v以上， 在原数控测井系统中曾经发现隔离放大器被烧毁的现象。此次设计选用了美国analog公司的ad629，它是业内最细小兼高输入共模电压差分放大器，具有高共模抑制比特性(最低为77至86db，视乎性能的级别)，这枚特别为针对高共模电压(250伏)应用的ad629，可用来在高共模电压下抽取出一个细小的差分信号。与传统的差分放大器只拥有一个接近电源电压的操作范围不同， ad629的输出可以自由调校至比电源电压高或低250伏的水平，这样就算该器件被应用在一些突变电压达500伏的应用中也不会受到损坏。陀螺测斜仪供电电流经采样电阻将电流信号转换成电压信号后在经过滤波和ad629隔离后才送至单片机采样。具体电路如图11所示。图 11 陀螺仪供电电流处理电路3、磁标记信号处理磁标记信号也是确定井下仪器深度的重要参考信号，它是一个低频信号，跟电缆速率有关。测井电缆每隔25m就有约0.5m是经过磁化的，当磁化的电缆经过井口的线圈和放大电路后便产生磁标记信号。具体产生过程如图12所示。图 12 磁标记信号产生过程电缆磁化长度，陀螺测斜时电缆速率，实际测井时磁标记信号的频率。这和ccl信号的频率一致，但是在磁标记信号上叠加有十几伏的共模电压，差模信号的幅度也非常小，只有400mv左右。因此处理时要先提取微弱的磁标记差模信号，然后再滤除工频干扰和耦合进来的其它高频信号，最后进行放大和电平调理，具体电路如图所示。图 13 磁标记信号处理电路在单片机中每隔10ms就对五路模拟信号轮流采样一次，然后打包成帧放入通信缓冲区中等待上位机读取。每隔0.5秒就对陀螺仪供电电压、电流，张力进行处理并刷新数码管。至于ccl信号和磁标记信号则可以在上位机上完全恢复出来，因为采样频率远远大于信号频率。图14为上位机恢复此标记信号的测试（磁标记输入端为3.4hz，峰峰值为400mv的正弦波）。图 14 上位机恢复磁标记信号图2.4.2 深度信号处理陀螺测斜系统中深度测量是必不可少的，因为系统需要根据深度测量信息对其他测量模块所采集数据进行对应，本设计的深度模块可以实现光电码盘（马丁代克）深度系统的测量。1、深度系统设计原理深度信号是由光电码盘产生的，光电码盘在不透光的背景上开出有透明扇形区组成的编码图案，光线透过码盘上各码道的透明区，耦合到径向排列在码盘背面相应位置上的光敏元件上，使其产生亮电流。放大器将光敏元件输出的明暗变化的电流变换成合适的逻辑1和逻辑0电压。增量值码盘的编码图案由一系列等间距辐射状透光窄缝组成，用来获取精密光学投影的光学窄缝有两组，它们相互错开1/4个节距，一个节距等于一个窄缝的宽度和一个间距之和。这种安排使得布置在这两个窄缝后面的光敏元件所产生的两路光电输出信号产生/2的相位差。把这两路信号接入图15(a)所示的信号处理电路时，根据电路的输出可以判断码盘的旋转方向。当码盘按顺时针方向转动时，电路f端输出脉冲序列，表示码盘正传；当码盘反转时，电路g端输出脉冲序列。电路各点波形与码盘旋转方向的对应关系如图12(b)所示所示。用电路f端和g端输出的脉冲去驱动一个可逆计数器，当码盘正传时，f端正转脉冲输出使计数器做加法计数；当码盘反转时，g端使计数器做减法计数，计数器的数字增量就是码盘的相对转角。图 15 增量值编码器的光电输出波形和信号处理电路2、深度系统电路实现光电码盘a相和b相输出端为开漏结构，其输出的电压幅度跟光电码盘供电电压有关，一般情况下输出的方波幅度为12v24v。因此，在将深度信号接到c8051f340内集成的比较器之前要先对深度信号进行衰减和滤波，然后再和比较电平进行比较。具体的电路结构如图16所示。图 16 深度信号处理电路结构单片机的pwm输出经过低通滤波器后有几十微伏的纹波电压15，因此配置单片机内部集成比较器的正向滞回电压和负向滞回电压为20mv，以防止深度信号在上升沿和下降沿处造成比较器输出端产生振荡，产生错误的计数。2.4.3 数据显示模块数据显示模块主要负责显示仪器深度、速度，仪器供电电压、电流和电缆张力，主要有led数码管和驱动芯片ch451组成。具体结构如图所示。图 17 数据显示电路结构示意图ch451 是一个整合了数码管显示驱动和键盘扫描控制以及p 监控的多功能外围芯片。ch451 内置rc振荡电路，可以动态驱动8位数码管或者64位led，具有bcd译码、闪烁、移位等功能；同时还可以进行64 键的键盘扫描；ch451 通过可以级联的串行接口与单片机等交换数据；并且提供上电复位和看门狗等监控功能。ch451具有硬件实现的高速4线串行接口，包括4个信号线：串行数据输入线din、串行数据时钟线dclk、串行数据加载线load、串行数据输出线dout。其中，din、dclk、load是带上拉的输入信号线，默认是高电平。din用于提供串行数据，高电平表示位数据1，低电平表示位数据0，串行数据输入的顺序是低位在前，高位在后。另外，在ch451上电复位后，单片机必须在dclk 输出串行时钟之前，先在din上输出一个低电平脉冲（由高电平变为低电平再恢复为高电平），通知ch451使能4线串行接口。dclk用于提供串行时钟，ch451在其上升沿从din 输入数据，在其下降沿从dout 输出数据。ch451内部具有12 位移位寄存器，在dclk的上升沿，din上的位数据被移入移位寄存器的最高位寄存器，以此类推，原次低位数据移入最低位寄存器，在该上升沿后的第一个下降沿，原次低位数据从dout输出。ch451允许dclk 引脚的串行时钟频率大于10mhz，从而可以实现高速串行输入输出。load用于加载串行数据，ch451在其上升沿加载移位寄存器中的12 位数据，作为操作命令分析并处理。也就是说，load的上升沿是串行数据帧的帧完成标志，此时无论移位寄存器中的12 位数据是否有效，ch451都会将其当作操作命令。为了节约单片机引脚，三片ch451共用了din和dclk引脚。为了降低功耗，禁止了看门狗功能和键盘扫描功能。2.4.4 井下仪器通信模块通信的任务是传递信息，因此传输信息的有效性和可靠性是通信系统最主要的质量指标16。为了满足基带传输的要求，单极性脉冲序列必须经过适当的基带编码，以保证传输码型中无直流分量，有一定的自检能力和适应不同信源的统计性的能力。在基带传输中，常用的码型有：传号极性交替码ami码、三阶高密度双极性码hdb3码、4b3t码、传号翻转码cmi码以及双相码manchester码等。由于曼彻斯特码在每个码元间隔的中心部分都存在电平跳变，因此在频谱中存在很强的定时分量，且不受信源统计特性的影响。此外，由于方波周期内正、负电平各占一半，因而不存在直流分量，非常利于基带传输，而且编解码也非常方便，因此选用曼彻斯特码作为接口箱和井下仪器通信的码型。井下仪通信模块包含发码驱动电路和收码滤波电路两部分，前者主要是将单片机输出的编码信号进行放大和电平整合，后者主要是滤除干扰信号（耦合进收码回路的ccl信号和工频干扰信号），并将波形整形以防便单片机进行解码。这里重点介绍解码回路的设计。在测井电缆上除了传输曼彻斯特编码信号和ccl信号外，还要给井下仪器供电，工频干扰和开关电源开关频率干扰也难免会耦合进来，同时几千米的测井电缆的分布参数也不容忽视，这些分布参数将使曼彻斯特信号产生畸变17。因此，在提取曼彻斯特编码信号时除了要滤除干扰信号外，还要利用比较器对编码信号进行整形。要正确解码，就要使滤波回路带宽尽可能宽，这样输出信号会更接近输入波形，但是增加带宽，干扰信号和干扰信号的谐波就会混进来，影响到正确解码，因此比须处理好这一对矛盾。实际测试表明：要正确解码，滤波器的通带必须满足18： (2.1) (2.2)其中：是曼彻斯特码的频率，是滤波器通频带的上限截至频率，是滤波器通频带的下限截至频率。本系统，因此由公式(2.1)和(2.2)可得：带通滤波电路的上限截至频率，下限截至频率。因此对接收到的编码信号的处理包括：信号衰减（防止超出运放线形范围）、50hz陷波（滤除工频干扰）、高通滤波（滤除ccl信号）低通滤波（滤除大于20khz开关频率干扰信号）、信号放大（驱动比较器解码）、脉冲整形等。由于要滤除50hz工频干扰，又要保证在至少86hz在系统的通带内，过渡带较窄，如果用高通滤波器，会使滤波器的节数很多，会大大增加电路设计的复杂度，因此这里采用50hz陷波器18，具体电路如图18所示。图 18 解码回路电路图从井下仪做比较器输入端的交流小信号分析所得的幅频特性和相频特性如图19所示。图 19 收码回路幅频特性和相频特性由图19可知，3db带宽6.9khz，10khz衰减9.1db，20khz衰减21.9db，陷波中心点衰减42db，49hz衰减27db，51hz衰减33.9db，45hz衰减15.8 db，55hz衰减16.7db，10hz衰减21.4db，5hz衰减35.2db；相频特性在50hz附近发生畸变，而在通带内变化还比较平缓。因此解码电路完全符合技术指标，在实际测试时，通信误码率小于10-5，满足系统设计要求。2.4.5 上位机通信模块在陀螺测斜系统中，上位机需要完成对下位机的控制操作，具体来说就是需要完成对下位机的读写操作，而这些操作则需要通过上位机和下位机之间的通信来完成。因此上位机和下位机之间的通信质量是极其关键的，它关系到整个系统的成功与否，如果通信不正常，则系统就不能正常工作。我们采用的上下位机之间的通信模式为usb模式。usb系统具有如下特点2,20,21：l usb为所有的usb外设提供了单一的、易于操作的标准的连接类型。这样一来就简化了usb外设的设计，同时也简化了用户在判断哪个插头对应哪个插槽的任务，实现了单一的数据通用接口。减少了硬件的复杂性和对端口的占用，整个的usb的系统只有一个端口和一个中断，节省了系统资源；l usb支持热插拔(hot plug)，也就是说在不关pc的情况下可以安全的插上和断开usb设备，动态的加载驱动程序。其他普通的外围连接标准，如scsi设备等必须在关掉主机的情况下才能增加或移走外围设备；l usb支持pnp。当插入usb设备的时候，计算机系统检测该外设并且通过自动的加载相关的驱动程序来对该设备进行配置，并使其正常工作；l usb在设备供电方面提供了灵活性。usb直接连接到hub或者是连接到host的设备可以通过usb电缆供电，也可以通过电池或者其它的电力设备来供电，或使用两种供电方式的组合。并且支持节约能源的挂机和唤醒模式；l usb1.1版本协议提供全速12mbps的速率和低速1.5mbps的速率来适应各种不同类型的外设。usb2.0协议接口的最高传输率可达480mbps；l 为了适应各种不同类型外围设备的要求，usb提供了四种不同的数据传送类型；l usb使得多个外围设备可以跟主机通信。一个主usb接口通过集线器可扩展连接127个外设。用usb接口作为上位机和下位机交互的接口，极大的方便了系统连接，提高了系统的可靠向和数据传输的实时性。c8051f340片内集成了usb接口，该接口符合usb2.0协议，但只支持低速传输和中速传输两种速度模式，其内部结构如图所示。图 20 c8051f340内部usb接口原理图c8051f340内部的usb控制器集成了收发器和1kb的端点fifo ram。共有8个端点：一个双向控制端点（端点0）和三对输入/输出端点（端点1-3输入/输出）。有1kb的ram块被用作usb fifo空间，该fifo空间被分配给端点0-3；端点1-3 的fifo可以被配置为输入（in）、输出（out）或输入/输出（分割模式）。最大的fifo大小为512字节（端点3）。片内4倍时钟乘法器和时钟恢复电路允许使用内部高精度振荡器作为usb时钟源，实现全速和低速通信。外部振荡器也可以与4倍时钟乘法器配合使用来产生usb时钟。cpu时钟源与usb时钟相互独立。usb收发器符合usb2.0规范，并包含内部匹配和上拉电阻。上拉电阻可以被用软件使能/禁止，可以根据软件选择的速度设置（全速或低速）出现在d+或d-引脚11。本设计用端点端点1作为in端点，工作在批量方式，用于向上位机传输大量数据，端点2作为out端点，用于接收主机发送的控制命令，工作在中断方式，这样可以保证上位机到下位机由足够的带宽，实现对下位机的实时控制。2.4.6 监控模块监控模块的作用是把系统板中比较关心的中间处理信号引出2，从而可以接到示波器上进行观测，要观测信号切换是经过上位机程序控制实现的。监控模块结构如图21所示，可监测16