（信号与信息处理专业论文）基于can总线的声波测井地面数据接口与传输系统设计.pdf

摘要 目前声波测井地面系统采用多种通讯方式实现数据传输，如串口方式、p c i 总线 方式、u s b 总线方式等。这些通讯方式在速度、传输距离、可靠性或应用简便性等方 面有一定限制，无法完全满足测井现场需要。而c a n 总线作为一种有效支持分布式 检测和实时控制的工业现场总线技术，具有可靠性高、通讯速率快、传输距离远、易 于组网等优点，可以组建很好的数据通信系统。本文将c a n 总线技术应用于声波测 井数据的传输系统中，在井下声波测井仪器采集的参数经电缆传输到地面的基础上， 将各数据采集和传输节点( 包括“马丁代克 井深测量) 挂接到地面c a n 网络，完 成地面主机命令的发送与采集节点数据的上传，系统还可根据现场具体需要进行扩充。 论文对整个系统的可靠性、抗干扰性也进行了研究。 论文主要完成的工作如下： 1 设计了井下声波测井的地面数据接口电路，以电缆曼彻斯特编码形式完成井下 声波测量电路同地面系统的数据接收与命令下传，并在地面通过c a n 总线进行数据 传输与地面主机命令发送； 2 设计并完成了“马丁代克 编码器信号采集与处理电路，通过对编码信号计数 实现井深的测量，并由c a n 总线与主机进行数据传输； 3 将主机( 主节点) 通过u s b c a n 适配器连接到c a n 总线，实现对声波测井参 数和井深数据的实时采集与监控。 经过实验室初步调试表明，系统实现了声波测井参数的实时传输和井深的精确测 量，并构成了可靠的c a n 网络，具有较高的应用价值。 关键词：声波测井：c a n 总线；数据传输：曼彻斯特码；马丁代克。 d e s i g no fa c o u s t i cw e l l l o g g i n gd a t ai n t e r f a c ea n dd a t a t r a n s m i s s i o ns y s t e mb a s e do nc a nb u s l i uy a n f e i ( s i g n a la n di n f o r m a t i o np r o c e s s i n g ) d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o f y uy u n h u a a b s t r a c t a c o u s t i cl o g g i n g s y s t e mh a s r e a l i z e dd a t ac o m m u n i c a t i o nb ym a n yk i n d so f c o m m u n i c a t i o ns t a n d a r d ，s u c ha ss e r i a lp o r t ，p c ib u s ，u s bb u se t c h o w e v e r , t h e s e c o m m u n i c a t i o n m e t h o d sa r el i m i t e di ns p e e d ，d i s t a n c e ，r e l i a b i l i t yo re a s y - t o - u s e r e q u i r e m e n t a sa d i s t r i b u t e da n dr e a l t i m ei n d u s t r i a lf i e l db u s ，c a nb u sh a sh i g hr e l i a b i l i t y , f a s tc o m m u n i c a t i o nr a t e ，l o n gt r a n s m i s s i o nd i s t a n c ea n do t h e ra d v a n t a g e s i tc a nb eu s e dt o c o n s t r u c td a t ac o m m u n i c a t i o ns y s t e m i nt h i sp a p e r , c a n - b u st e c h n o l o g yi sa d o p t e dt o t r a n s m i tt h ea c o u s t i cl o g g i n gd a t a t h ed o w n h o l ea c o u s t i cl o g g i n gd a t ai st r a n s f e r r e dt ot h e g r o u n dd a t ap r o c e s s i n gs y s t e mb yt h ew e l l - l o g g i n g c a b l e t h e nt h ed a t a ( i n c l u d i n g m a r t i n - d e c k e rd e p t hd a t a ) i st r a n s m i t t e dt ot h ec o m p u t e rb yc a nb u s ，w h i c hi se m p l o y e dt o a c h i e v et h ed o w n l o a d i n go ft h ec o m p u t e rc o m m a n da n dt h eu p l o a d i n go ft h ea c q u i s i t i o n d a t a t h ew h o l es y s t e ma l s oh a sac h a r a c t e r i s t i co fb e t t e re x t e n d i b i l i t y t h er e l i a b i l i t ya n d t h ea n t i - j a m m i n gm e a s u r e so ft h ed e s i g n e ds y s t e ma r ea l s os t u d i e di nt h i sp a p e r t h em a i n r e s e a r c hw o r ko ft h et h e s i si sa sf o l l o w s ： f i r s t ，t h eg r o u n di n t e r f a c ec i r c u i to ft h ed o w n h o l ea c o u s t i cl o g g i n gd a t at r a n s m i s s i o ni s d e s i g n e d t h ed o w n h o l ea c o u s t i cl o g g i n gc i r c u i tc a l lu p l o a dd a t aa n dr e c e i v ec o m m a n d f r o mt h eg r o u n ds y s t e mi nm a n c h e s t e rc o d eb yw e l l - l o g g i n gc a b l e a n di nt h eg r o u n d s y s t e m ，t h ed a t aa n du p p e rc o m p u t e rc o m m a n d c a nb et r a n s p o r t e db yc a nb u s s e c o n d ，t h em a r t i n - d e c k e rs i g n a la c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n gc i r c u i ti sd e s i g n e da n d r e a l i z e d i tc a nt r a n s p o r tt h ed a t at ou p p e rc o m p u t e rb yc a nb u s a n da c h i e v et h e m e a s u r e m e n to fw e l ld e p t h t h i r d ，t h em a i np cc o m p u t e r ( m a i nn o d e ) i sc o n n e c t e dt ot h ec a nb u sb y t h e u s b c a na d a p t e r , a n dh a sr e a l i z e dt h er e a lt i m ea c q u i s i t i o na n dm o n i t o r i n go ft h ea c o u s t i c l o g g i n gd a t aa n d w e l ld e p t hd a t a t h ep r e l i m i n a r ye x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h es y s t e mh a sr e a l i z e dt h er e a lt i m e t r a n s m i s s i o no fa c o u s t i cl o g g i n gd a t aa n dt h ep r e c i s em e a s u r e m e n to fw e l ld e p t h t h e r e l i a b l ec a nn e t w o r ki sc o n s t r u c t e di nt h es y s t e m t h es y s t e mi so fg r e a ta p p l i c a t i o nv a l u e k e y w o r d s ：a c o u s t i cl o g g i n g ；c a nb u s ；d a t at r a n s m i s s i o n ；m a n c h e s t e rc o d e ； m a r t i n d e c k e r 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得 的成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致 谢外，本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得 中国石油大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同 工作的同志对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：童当物薹立 日期：加7 年箩月砧日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷 版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅 和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或 其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名：型墼 指导教师签名： 日期：2 。哆年歹月二6 日 日期：力口7 年f 月沙易日 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 1 课题的背景及意义 第1 章绪论 地球物理测井，简称“测井”，它以地质学、物理学、数学为理论基础，采用计算 机信息技术、电子技术及传感器技术，设计出反映热、声、电、光、磁和核放射性等 物理性质的测井仪器，沿着井身测量地层的各种物理信息和井眼的技术状况，然后通 过对这些信息按各自的物理原理和他们之间相互关系进行数据的处理和解释，得出地 层的各种物理、化学性质、地层结构及井身几何特性等各种信息，为石油天然气勘探、 油气田开发提供重要数据和资料【l 。3 j 。地球物理测井主要包括电法测井、电磁波传播测 井、声波测井、核测井等。 声波测井作为测井的一种方法，它利用声波在岩石等中传播时，幅度的衰减、速 度或频率的变化等声学特性来研究钻井地质剖面、判断固井质量等问题。目前声波测 井常用到的方法包括声速测井、声幅测井、声波电视测井及随钻声波测井等。声波测 井因自身的优点及可靠性，而发展成为测井中的重要组成部分。 随着我国石油工业的不断发展，石油能源的突出地位更加显著，石油测井技术的 研究与改进也变得极其重要。面对日益激烈的国内外测井市场竞争形势，我们也需要 致力于测井技术各方面的研究，测井地面数据采集传输系统的研究也在其列。 测井过程中，地面系统主机需对测井参数进行实时采集与处理，由于野外井场环境 恶劣，需采集参数较多，距离远近也不一，使得整个系统所需进行的数据通信对速度、 距离、抗干扰性等都有很高的要求。 以往采用的通信方式有普通串口模式、总线扩展槽模式和并口模式 4 1 ，p c i 总线 方式等，其中普通串口模式达不到系统速度要求；总线扩展槽模式需要在工控机中安 装一块基于i s a 总线的接口板卡；并口模式中，由于各个生产厂商的产品型号各异， 各个信号也没有统一的标准，造成很大的限制：p c i 总线方式也需在系统中扩展与主 机或前置机相关的板卡，比较麻烦，并不能应用于便携式测控系统中，不够灵活【5 】。 另外对于工业以太网通讯方式来说，它的介质访问方式采用c s m a c d ( 载波监 听多路访问冲突检测) ，很难满足网络通信的实时性和确定性的要求，在网络负载很重 的情况下可能出现网络瘫痪的情况1 6 j 。 第1 章绪论 近年来有人研究基于u s b ( 通用串行总线u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) 的测井地面通信传 输【4 】，但这种方式传输距离有限。随着时间的推移和技术的发展，测井地面通信方式需 要不断的改进和更新换代，以便进一步提高系统的性能。所以为了综合解决目前地面数 据传输存在的各方面的问题，鉴于c a n 总线的优点及其应用同渐成熟，在石油测井仪 器领域有广泛的应用前景。本课题提出将c a n 总线应用于声波测井地面数据的传输， 并进一步完善声波测井数据采集传输系统。 1 2 测井数据采集传输系统的发展现状 声波测井技术在日趋复杂的油气勘探中发挥着重要的作用，它是一种融现代声学 理论、计算机技术、信息处理等科技为一体的现代测量技术。 1 2 1 声波测井原理及发展现状 声学测井方法是依据声学物理理论发展起来的一种方法，测井声波信号中包含着 丰富的地层信息，在井孔中各种波动模式声波的声速、声幅和声衰减都是声波测井中 极其重要的参数。声波测井正是通过测量井壁介质的声学性质来判断岩性、估算储集 层孔隙度及岩层的弹性力学性质，从而了解井壁地层的地质特性和井眼工程状况。和 其他测井方法相比，声波测井可以获得直观图像，因此声波测井在测井中也变得越来 越重要。 进行声波测井需要产生一个人工声场并设法接收通过地层传播的声波信号【7 】。这 种由发射器和接收器组成的探测器称为声系。发射、接收探头一般由压电陶瓷材料制 成，起到电声或声电转换的作用。测量时，声波测井仪( 包括发射器和接收器) 处于套 管井内。发射器发出的声波信号穿透井内，到达井壁后会形成反射，反射信号的强弱 与井壁介质的软硬、是否光滑有关，还和入射声波与井壁介质表面所成的角度有关， 例如，井壁光滑、坚硬、钢质套管表面与声波入射方向垂直，则反射声波信号强，而 井壁上有被泥质、石油或水充填的孔洞或裂缝，则反射信号变弱。经过井壁反射的声 波信号再穿过井内的泥浆( 或石油) 回到接收器，产生对应幅度的模拟电信号。接收 器将反射声波信号按其强弱变换为相应的电信号，仪器的电子线路部分对这些信号进 行采样，并测量出声波幅度和时差等相关参数，再经过电缆传输到地面，由地面的仪 器设备进行处理解释。下图1 1 为声波测井方法其中之一的长源距声波测井示意图。 图中t 表示声发射器，r 表示声纳接收器，a t 表示时差。 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 图l l 声速测并不恿图 f i g l 一1 s c h e m a t i cd i a g r a mo f a c o u s t i cl o g g i n g 测井技术在国外应用较早，技术也处于领先。测井技术的发展在国外始于1 9 2 7 年，声波测井出现于2 0 世纪5 0 年，随着石油工业的复兴和计算机技术的应用普及， 声波测井技术有了快速发展。在几十年的发展中，先后出现了用于检验水泥胶结质量 的声幅测井；测量并剖面声波纵波速度倒数( 慢度或声波时差) 的声波速度测井；能够 得到井壁上孔洞、裂缝分布情况直观图像的井下声波电视测井；以及在此基础上发展 起来的三维体积扫描测井；长源距声波全波列测井；为解决软地层中横波勘探问题而 提出的偶极子及多极子横波测井等等1 8 , 9 】。 国外的像斯伦贝谢、哈利伯顿和贝克休斯等测井公司，支持研发的高投入，推行 研究、开发和服务一体化，发展了自主的成套测井装备，测井技术不断提升。他们推 出了一系列声波测井系统，像斯仑贝谢公司的s o n i cs c a n n e r 声波测井仪、超声成像仪 ( u s i ) 、偶极子横波成像仪d s i 、b a k e ra l t a s 的多极子阵列声波测井仪m a c 等，都 达到了很高的水平【i o 】。 国内仍是中石油、中石化和中海油“三足鼎立 的局面。各油田测井公司的测井 装备主要有四类：成像测井系统、数控测井系统、国产小数控测井系统以及生产测井 系统，其中高端测井装备均由国外引进。国内井声波测井系统在引进、仿制及自主研 发中不断发展。目前我国测井技术与国外的先进水平相比，在信号处理及测井资料的 地址解释方面不一定落后于国外，但在信息采集的规模、精度和可靠性等方面明显落 后【1 1 1 。 因此，面对日益激烈的国内外测井市场竞争形势，为了石油工业不断的发展的需 求，需要致力于声波测井方法的关键技术研究、井下系统可靠性精确性的研究、下井 仪器质量耐温耐压等的研究、地面相应数据采集传输系统的研究以及测井数据解释研 究等。 3 一 一淀一 酝轧_ t 第1 章绪论 1 2 2 测井现场数据通讯方式的应用现状 传统的通信方式有普通串口模式、总线扩展槽模式和并1 3 模式，p c i 总线方式等。 串1 ：3 模式达不到系统速度要求，且稳定通讯距离短，在通信速率低于2 0 k b s 时， 直接连接的最大物理距离为1 5 m ，长距离传输则信号损耗严重且抗干扰差，且每个串 1 2 1 只能实现和一个控制器的通讯，而通常台式机只有1 2 个串口，一般便携电脑没有 串口，这种方式也不易于进行组网【拴l 。 总线扩展槽模式需要在工控机中安装一块基于i s a 总线的接口板卡：i s a 总线， 与国内测井装备相伴近二十年，起到了任何其它总线都无法替代的作用。但它需在系 统中扩展与主机或前置机相关的板卡，受主机或前置机以及其上运行的操作系统限制。 并口模式中，由于各个生产厂商的产品型号各异，各个信号也没有统一的标准， 造成很大的限制。 p c i 总线方式也需在系统中扩展与主机或前置机相关的板卡，受计算机插槽数量 和地址、中断资源的限制。 另外对于工业以太网通讯方式来说，虽然数据的传输距离长、传输速率高、易与 i n t e m e t 连接、低成本、易组网。但是它的介质访问方式采用c s m a c d ( 载波监听多 路访问冲突检测) ，工业以太网很难满足网络通信的实时性和确定性的要求，在网络负 载很重的情况下可能出现网络瘫痪的情况。 近年来，国内有人研究将u s b ( 通用串行总线) 通讯传输方式直接应用于测井地 面数据传输。u s b 总线的传输速度快，可靠性高，且它支持即插即用和热插拔，可挂 接设备多，但是它的传输距离短，传输距离，u s b 总线的连线长度最大为5 m ，即便 是用h u b 来扩展，最远也不超过3 0 m ，所以直接用它作为所有地面测井数据采集单 元与p c 机的通信方式有一定局限性f 1 3 - 蚓。 c a n 总线通讯方式也在近年测井数据传输方式研究之中【1 7 2 0 1 。c a n 总线信速率 高，距离远，实时性可靠性高，其控制系统更具有以下明显优越性：c a n 控制器工作 于多主方式并且容易构成冗余结构，系统具有可靠性和灵活性：且c a n 节点在错误 严重的情况下具有自动关闭输出功能，有完善的错误处理机制，系统有很好的可靠性。 由于c a n 总线本身的这些优点，它已经被广泛应用于离散控制领域中的过程测量和 控制，特别是工业自动化的底层监控，以解决控制与测试之问的可靠和实时的数据交 换。 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 因此，在本课题测井地面数据传输系统设计中，我们采用成熟的c a n 总线技术 组成现场级的数据采集传输网络，地面系统主机通过u s b c a n 适配器挂接到c a n 网络，实现了传输系统可靠性、冗余性、实时性等多方面的改进。 1 2 3c a n 总线的发展应用现状 c a n ( c o n t r o l l e r a r e a n e t w o r k ) 总线属于现场总线，是一种简化型网络结构。它最 初是德国r o b e r tb o s c h 公9 8 0 年代初为解决汽车中众多的控制与测试仪器之间的数据交 换而开发的一种串行数据协议，目前已成为国际标准化组织i s 0 118 9 8 标准。它是一种有 效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络，其应用范围遍及从高速网络到低成本的 多线路网络【2 1 。2 2 1 ，具体在自动化电子领域、发动机控制部件、传感器、防滑系统等都有 广泛的应用。 ( 1 ) c a n 总线广泛的应用与其良好的性能密切相关，其特点如下： a ) c a n 可实现全分布式多机系统，且无主、从之分，网络上任意一个节点均可在 任意时刻，主动地向其它节点发送信息，通讯方式灵活，利用这一特点，可以方便地 构成多机备份系统! b ) c a n 采用非破坏性总线优先级仲裁技术，当两个节点同时向网络发送消息时， 优先级低的节点主动停止发送数据，而优先级高的节点可以不受影响地继续发送信息， 从而大大节省了总线冲突仲裁时间。尤其是在网络负载很重的情况下也不会出现网络 瘫痪情况。 c ) c a n 只需通过报文滤波即可实现点对点、一点对多点及全局广播等几种方式传 送接收数据，无需专门的“调度”。 d ) c a n 的直接通信距离最远可达l o k m ( 速率5 k b p s ) ：通信速率最高可达 1 m b p s ( 此时通信距离最长为4 0 m ) 。 e ) c a n 的通信介质可为双绞线、同轴电缆或光纤，选择灵活。 f ) c a n 节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能，以使总线上其他节点的 操作不受影响。 g ) c a n 总线具有较高的性能价格比。它的结构简单，器件容易购置，每个节点的 价格低，而且开发技术容易掌握，能充分利用现有的单片机开发工具。 舢c a n 具有完善的通信协议，可由c a n 控制器芯片及其接口芯片来实现。 ( 2 ) 下面对c a n 总线的应用通讯协议进行简要介绍，c a n 总线是基于下列5 条基 5 第1 章绪论 本规则进行通信协调的： a ) 总线访问：c a n 是共享媒体的总线，它对媒体的访问机制类似于以太网的媒 体访问机制，即采用载波监听多路访问c s m a ( c a r r i e rs e n s em u l t i p l ea c c e s s ) 的方式。 c a n 控制器只能在总线空闲时开始发送，并采用硬同步，所有的c a n 控制器同步都 位于帧起始的前沿。为避免异步时钟因累积误差而错位，c a n 总线中用硬同步后满足 定条件的跳变进行重同步。所谓总线空闲，就是网络上至少存在3 个隐性位时，才 开始发送。 b ) 仲裁：当总线空闲时呈隐性电平，此时任何一个节点都可以向总线发送一个显 性电平作为一个帧的开始。如果有两个或者两个以上的节点同时发送，就会产生总线 冲突。c a n 总线解决总线冲突的方法比以太网的c s m a c d 方法有很大的改进。以太 网是碰撞检测的方式，即一旦检测到两个或多个节点同时发送信息帧时，即所有发送 节点都退出发送，待随即时间后再发送。而c a n 是按位对标识符进行仲裁：各发送 节点在向总线发送电平的同时，也对总线上的电平进行读取，并与自身发送的电平进 行比较，如果电平相同则继续发送下一位，不同则说明网络上有更高优先级的信息帧 正在发送，即停止发送i 退出竞争。剩余的节点则继续上述过程，直到总线上只剩下 一个节点发送的电平，总线竞争结束，优先级最高的节点获得了总线的使用权，继续 发送信息帧的剩余部分直至全部发送完毕。 c ) 编码解码：帧起始域、仲裁域、控制域、数据域和c r c 序列均使用位填充技 术进行编码。在c a n 总线中，每连续5 个相同状态的电平插入一位与它互补的电平， 还原时每5 个同状态的电平后互补电平被删除，从而保证了数据的透明。 ( d ) 出错标注：当检测到位错误、填充错误、形式错误或应答错误时，检测出错 条件的c a n 控制器将发送一个出错标志。 ， e ) 超载标注：一些c a n 控制器会发送一个或多个超载帧，以延迟下一个数据帧 或远程帧的发送。 总之，c a n 总线具有实时性强、可靠性高、通信速率快、结构简单、互操作性好、 总线协议具有完善的错误处理机制、灵活性高和价格低廉等特点1 2 3 1 。所以，可以将c a n 总线网络应用于测井数据采集传输系统中，使得即使在野外恶劣的环境下运行，系统也 能高速、灵活、可靠地进行实时数据传输，实现系统实时监控的需要。 1 3 课题研究的章节安排 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 论文的章节安排如下： 第l 章“绪论”，先介绍了课题的背景、课题的提出及其研究意义，对比了现在测 井现场应用及研究的几种地面数据通讯方式，并简要介绍了c a n 总线的发展现状及 优点，最后介绍了课题的主要内容： 第2 章“系统功能分析及总体设计”，介绍了声波测井中需要监测的参数，分析了 基于c a n 总线的声波测井地面数据接口与传输系统总体功能，介绍了系统的结构组 成、各部分具体实现的功能： 第3 章“基于c a n 总线的测井地面接口电路设计与实现，介绍了课题与之对接 的井下声波测井信号采集控制板实现功能，在此基础上设计了地面接口电路，并通过 c a n 总线将井下信号连至上位机，实现数据监控。最后对电路应用中的抗干扰设计进 行了介绍； 第4 章“基于c a n 总线的马丁代克井深测量电路设计与实现”，介绍了马丁代克 传感器信号及应用时可能存在的抖动，实现了对马丁代克信号的计数，并将其作为 c a n 节点连接到总线网络，以供上位机查询； 第5 章“c a n 总线系统调试与实验”，根据声波测井数据通讯的要求，设计了包 括下位机c a n 通讯接口和上位机c a n 通讯接口的c a n 总线整体通讯网络，介绍了 系统各个功能部分在实验室的调试结果，并对课题进行了总结。 7 第2 章系统功能分析及总体设计 第2 章系统功能分析及总体设计 声波测井地面数据接口与传输系统是测井系统的重要组成部分，实现了地面系统主 机与井下声波测井采集传输电路连接以及对地面测井参数的采集处理，这些使得地面采 集与传输电路的可靠性与实时性都有很高的要求。本课题将c a n 总线应用于声波测井 地面传输系统设计中，组建c a n 总线通讯网络，实现了传输系统可靠性、冗余性、实 时性等多方面的改进。 2 1 系统功能分析 测井是一个针对地下资源开发的系统工程，声波测井中需要测量大量相关参数， 通过对这些数据解释来获得地层的各种物理、化学性质、地层结构及井身几何特性等 各种信息。其中，井下需采集温度、压力、声波回波尖峰值等模拟量信号以及声波回 波的时间间隔等数字信号；地面需采集深度、张力、速度等信号。测井过程中采集参 数多、信息量大、实时性要求高，因此对信号采集与传输电路有相应的要求，以实现 高精确度、高实时性的测量。 。 本系统的主要功能是将c a n 总线应用于声波测井地面数据的传输，实现地面系 统主机与井下声波测井采集电路的通信以及对井深的测量。基于原有声波测井井下采 集控制板的基础上，课题对现存的声波测井现场地面数据传输方式进行改进，将井下 声波测井数据地面接口单元连同马丁代克井深测量单元、以及地面系统主机通过c a n 总线构成现场分布式通信网络，信息的传递采用c a n 通信协议，通过c a n 控制器来完 成系统通信，从而提高了系统的可靠性和稳定性，使得安装连接快速高效、系统扩充 方便快捷、降低维护维修工作量。 2 2 系统总体构成设计 整个系统包括井下声波信号数据采集与控制部分( 之前已有设计，不属于本课题研 究范围) 、井下与地面数据接口单元、马丁代克井深测量单元及地面系统主机单元，系 统设计包括硬件设计和软件设计，二者相互影响，设计原则是g 冗余设计、简化设计、 以软代硬。基于c a n 总线的声波测井地面数据接口与传输系统整体结构框图如图2 1 所 示。 8 中国石油太学( 华东) 硕学位论文 # m 自 图2 - 1 基于c a n 总线的声渡测井地面数据接n 与传输蕞统总体框图 f i 9 2 _ lf r a m e d i a g r a m o f a c o u s t i c l o g g i n g g r o u n d d a t ai n t e r f a c e a n d t r a n s m i s s i o n s y s t e l n b a s e do n c a n b u s 下面对系统各部分进行简要描述： ( 1 ) 井下声波测井采集控制板处理声波测井的各路信号，像温度、压力、声波回 波尖峰值、声波回波的时间间隔等信号，信号通过电缆以曼彻斯特码的形式传输到地 面。此部分属于铡井公司已有的设计基础，具体电路设计不在本课题范围之内。 ( 2 ) 地面数据接口作为一个下位机c a n 节点连到c a n 总线网络，它接收来自井 下的编码数据，解调后通过c a n 总线传送给主机；并通过c a n 总线接收主机下行命 令，进行编码调制后传送给井下。 ( 3 ) 马丁代克井深测量单元作为另外一个下位机c a n 节点连到c a n 总线网络。 完成对马丁代克信号的处理得到测井深度，井通过c a n 总线传输给地面系统主机以 供测井解释软件使用。 f 4 1 地面主机作为主节点通过u s b c a n 适配器连到c a n 网络，主节点负责对各 个下位机节点发送询问命令，下位机节点在接收到询问命令后，将存放在节点中的数 据通过c a n 总线发送给主节点。主节点通过u s b - c a n 通讯器将下位机节点发送的数 据采集进主机，为数据的后续处理做准备。 其中，基于c a n 总线的声波测井地面数据采集传输系统下位机节点的整体结构 框图如图2 - 2 所示，每个节点都由相应的信号处理部分及c a n 通讯模块组成。整个系 统实现了井下声波测井编码数据和马丁代克信号的采集处理与传输及地面系统对井下 声波测井板的控制。 9 椤 第2 章系统功能分析及总体设计 图2 - 2 下位机节点的整体结构框图 f i 9 2 - 2 s c h e m a t i cd i a g r a mo fs l a v em a c h i n en o d e c a n 总线具有良好的可扩展性，在实际应用中根据不同的现场情况及测井要求，该 系统可以进行扩展，采集传输更多测井参数。 2 3 本章小结 本章介绍了声波测井中需要监测的参数，分析了基于c a n 总线的声波测井地面 数据接口与传输系统总体功能，并进行了整体设计。详细阐述了系统的结构组成、各 部分具体实现的功能。 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第3 章基于c a n 总线的测井地面接口电路设计与实现 本章在原有声波测井井下数据采集传输控制电路板的基础上，设计了地面接口单 元与井下系统对接，并通过c a n 总线方式实现其与地面系统主机的通讯，获得井下 声波测井数据，并实现对并下声波测井电路进行数据控制。 3 1井下声波测井信号采集传输控制板的功能介绍 井下声波测井信号采集控制板实时采集井下温度、压力和幅值等参数，井下数据 采集与传输系统的结构框图如图3 1 所示。 系统采用双c p u 结构，主c p u 及其相关模块主要完成超声波发生器的控制、工 作模式切换和数据采集等功能；从c p u 主要完成主c p u 所采集信号的上传和地面命 令字的下传及命令解释，还包括一些监控功能。通过c p l d 实现数字信号采集处理接 口电路和数据传输中的串并行转换接口电路；他们之间通过双口r a m 来传输数据。 井下采集传输系统结构框图见图3 1 【2 4 】。 图3 - 1 井下声波测井数据采集传输系统结构框图 f i 9 3 1 s t r u c t u r ed i a g r a mo fd o w n h o l ea c o u s t i cl o g g i n gd a t a a c q u i s i t i o na n dt r a n s m i s s i o ns y s t e m 井下与地面之间的通信使用1 5 5 3 总线协议。1 5 5 3 总线的传输速率能达到1 m h z 以上，使用曼切斯特编码作为信道编码。为方便实现曼切斯特编码以及总线接口，设 计采用了专用曼切斯特编解码芯片h d 6 4 0 8 ，h d 6 4 0 9 。 用于数字基带传输的码型种类较多，曼彻斯特码是其中常用的一种。曼彻斯特码 是一种用跳变沿( 而非电平) 来表示要传输的二进制信息( 0 或】) ，一般规定在位元中间 用下降沿表示“1 用上升沿表示“0 ”。因此，当传输连串“0 和“l 时，不会存 在直流成分。同时，曼彻斯特码是自同步码，接收端还可以利用所接收信号的跳变沿 1 1 第3 章基于c a n 总线的测井地面接口电路设计与实现 来恢复传输时钟。曼彻斯特码码字共有2 0 位，其中，3 位同步头，1 6 位数据位，l 位 校验位。根据位同步中部电平跳变方向，可分为数据同步和命令同步。图3 2 给出了 二进制码与曼彻斯特码波形的对比关系。曼彻斯特编码使得信号传输速率大大增加， 且适合远距离传输，成为测井传输系统中常用的几种传输方式之一【2 5 】。 二进制数 1 00 11 比特单元 时钟 二进制码厂 厂ji _ j i 一 m a n c n e s t e r 码n几厂 n 图3 - 2 二进制码与曼彻斯特码码波形 f i 9 3 - 2 w a v ef o r mo fb i n a r yc o d ea n dm a n c h e s t e rc o d e 3 2 基于c a n 总线的声波测井数据地面接口电路总体设计 基于c a n 总线的声波测井数据地面接口电路结构框图如图3 3 所示，本接口电路 部分采用单片机a t 8 9 s 5 2 作为主控制器，采用m a x 8 1 3 作为看门狗来实现对a t 8 9 s 5 2 的监控。通过电缆上传的井下双极性曼彻斯特码测井数据经过双兼容差分线接收器 d s 7 8 c 2 0 变为单极性曼彻斯特码，进入曼彻斯特码编译码器h d - 15 5 3 0 进行译码；另 一方面，h d - 1 5 5 3 0 对地面系统主机的命令字进行编码，编码信号经驱动电路以及隔 直，加至总线耦合变压器通过电缆传输至井下。采用c p l d 器件进行曼彻斯特编译码 芯片h d - 1 5 5 3 0 与单片机( m c u ) 的接e l 逻辑设计，完成串并转换、并串转换、组合 控制、时序控制功能。a t 8 9 s 5 2 将解码后的井下数据存储到外部r a m 6 2 6 4 中，以备 数据通过c a n 总线上传到地面系统主机。c a n 通讯模块中采用s j a l 0 0 0 作为a t 8 9 s 5 2 作为c a n 控制器，采用p c a 8 2 c 2 5 0 作为c a n 总线驱动器。a t 8 9 s 5 2 负责对s j a l 0 0 0 的初始化，通过控制s j a l 0 0 0 实现数据的接受和发送等任务。而p c a 8 2 c 2 5 0 收发器 是协议控制器和物理传输线路之间的接口，s j a l 0 0 0 和8 2 c 2 5 0 之间采取隔离。具体 电路设计原理图见附录中图l 。 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 外部数据存 储器r a m 测井电缆 曼彻斯特编曼彻斯特芯片与 m c u斗 c a n 通讯 解码电路m c u 接口电路模块 i 图3 3 基于c a n 总线的声波测井地面数据接口电路原理框图 f i 9 3 3 s t r u c t u r eo f a c o u s t i cl o g g i n gg r o u n dd a t ai n t e r f a c ec i r c u i t 3 3 基于c a n 总线的声波测井数据地面接口电路的具体实现- 3 3 1 主控制器及外围电路设计 ( 1 ) 主控制器选型 本设计中选择了a t m e l 公司的a t 8 9 s 5 2 型单片机作为主控制器，其性价比高、 应用广泛 2 6 , 2 7 。单片机( m i c r oc o n t r o l l e ru n i t ) 是把组成微型计算机的各功能部件： 中央处理器c p u 、随机存取存储器r a m 、只读存储器r o m 、i o 接口电路、定时器 计数器以及串行通讯接口等部件制作在一块集成芯片中，构成一个完整的微型计算机。 a t 8 9 s 5 2 主要性能以下： 与m c s 5 1 单片机产品兼容： 8 k 字节在系统可编程f l a s h 存储器； 三级加密程序存储器； 3 2 个可编程i o 口线： 三个1 6 位定时器计数器； 八个中断源。 ( 2 ) 单片机及其外围电路连接 单片机作为主控制器，对h d 1 5 5 3 0 曼彻斯特编解码进行控制，并对c p l d 进行 读写控制，同时，它还负责将从c p l d 读取的数据写入外部r a m ，并读取外部r a m 的数据通过c a n 总线发送到上位机。单片机还负责s j a l 0 0 0 的初始化，通过控制 s j a l 0 0 0 实现数据的接受和发送等任务。对单片机的监控采用m a x 8 1 3 。单片机与外 围芯片的连接框图见图3 - 4 。 l3 第3 章基于c a n 总线的测井地面接口电路设计与实现 看门狗 m a x 8 1 3 外部r a m6 2 6 4 单片机 a t 8 9 s 5 2 曼彻斯特编解码 ：芯片h d 15 5 3 0 c a n 控制器 s j a l 0 0 0 图3 4 单片机与外围芯片的连接电路框图 f i 9 3 - 4 c o n n e c t i o no fm c ua n dp e r i p h e r a ld e v i c e s ( 3 ) 单片机软件设计 曼彻斯特码接口单元单片机程序包括初始化程序、主程序、中断服务程序。初始 化程序主要包括单片机中断初始化、外部r a m 初始化程序、c a n 总线初始化、定时 器初始化、c p l d 的初始化程序。主程序实现初始化调用、喂狗、c p l d 的读写控制 之后等待中断的到来。中断服务程序0 和中断服务程序1 的流程图见图3 5 ，图3 - 6 ， 实现曼彻斯特解码并将数据读取到外部r a m 通过c a n 总线上传到上位机，及命令的 曼彻斯特编码并下传。 图3 - 5 外部中断0 服务程序流程图 f i 9 3 5 f l o wc h a r to fe x t e r n a li n t e r r u p t0s e r v i c ep r o g r a m 1 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 外部中断，服务程序入口 上 读c p l d 并行数据到单片机 并存入外部r a m 6 2 6 4 等待 读取 上 返回 【 图3 _ 6 外部中断1 服务程序流程图 f i 9 3 - 6 f l o wc h a r to fe x t e r n a li n t e r r u p tis e r v i c ep r o g r a m 3 3 2 外部数据存储器电路设计 由于声波测井井下数据采集传输量很大，而a t 8 9 s 5 2 内部r a m 仅为2 5 6 字节， 所以采用外部r a m 存储井下传过来的测井数据。 本单元采用的外部r a m 为6 2 6 4 芯片【2 8 】，6 2 6 4 是8 k 8 位静态随机存储器芯片， 采用c m o s 工艺制造，单一十5 v 供电，额定功耗2 0 0 m w ，典型存取时间2 0 0 n s 。 6 2 6 4 各引脚含义如下：a 0 a 1 2 为地址线；c e 是片选线：o e 是读允许线；w e 是写 允许线。6 2 6 4 的操作方式见表3 1 。 表3 - 16 2 6 4 的操作方式 t a b l e 3 - 1 0 l p e r a t i o no f6 2 6 4 c e lc e 2o ew e 方式 d o d 7 h 未选中 高阻 lhh 未选中高阻 lhhh 输出禁止 高阻 l h h读d o u t lhhl 写 d i n l h ll写d i n 6 2 6 4 与单片机连接框图见图3 7 ，由单片机控制6 2 6 4 的选通，并通过地址线进行 译码读写6 2 6 4 。具体连接原理图见图3 8 ，设计中将6 2 6 4 的c e 2 置高，c e l 连到单 片机p 2 6 ，通过线选地址译码法进行数据