（测试计量技术及仪器专业论文）基于dsp与fpga的智能绞车系统研究.pdf

中文摘要 论文题目：基于d s p 与f p g a 的智能绞车系统研究 专业：测试计量技术及仪器 硕士生：杨锐( 签名) 指导教师：党瑞荣( 签名) 摘要 在测井过程中，由于测井深度直接影响到其它测井信息的准确性，所以精确的测井 深度变得越来越重要。本文针对现有绞车系统的不足( c p u 为单片机决定其精度不高、 缺少完善的深度校正系统等) ，首次将d s p 与f p g a 应用到测井绞车系统中，充分利用 f p g a 硬件资源丰富、速度快及d s p 软件设计灵活的特点，使系统硬件、软件结构更加 合理，功能得到增强，性价比进一步提高，从而优化了整个系统，为今后绞车设计提供了 新的方法和途径。 本文相对其它绞车系统的设计，主要特点有：设计了比较完善的深度校正模块( 深 度脉冲校正、根据磁记号与磁定位信号的校正、由张力等原因引起的电缆形变的校正) 。 将打标和测量一体化。设计了方便的通信接口( 校正后的深度脉冲及d s p 通过r s 2 3 2 与主测井仪的通信) 。使用d s p 作为c p u 并且配合f p g a 作预处理从而提高了测量深度 的准确性。电路采用了可编程逻辑器件，提高了电路工作的可靠性，减小了电路板面积。 另外，本文在研究电缆绞车系统的同时，对测井的地面信号处理也进行了初步的研究， 主要是对趋肤效应的校正做了初步的研究。 本文所完成的是一个完整的测量与打标系统，通过室内与现场实验，得出该系统具 有高精度、高智能化等优点。最后，本文对该系统的发展方向作了展望。 关键词：t m s 3 2 0 v c 3 3 注磁退磁趋肤效应校正电缆绞车 论文类型；应用研究 英文摘要 s u b j e c t ： s p e c i a l i t y ： n a m e ： i n s t r u c t o r a s t u d yo fi n t e l l i g e n tw i n c hs y s t e mb a s e do hd s pa n df p g a t e c h n o l o g y i n s t r u m e n to f t e s ta n dm e a s u r e y a n gr u i ( s i g n a t u r e ) d a n gr u i r o n g ( s i g n a t u r e ) a b s 。t r a c t i nt h ec o u r s eo fl o g g i n gw e l l ，t h ed e p t hi n f l u e n c e st h ea c c u r a c yo fo t h e rl o g g i n g i n f o r m a t i o nd i r e c t l yt ol o gw e l l ，s ot h ea c c u r a t ed e p t ho fl o g g i n gb e c o m e sm o r ea n dm o r e i m p o r t a n t t oe x i s t i n gw i n c hd e f i c i e n c y ( u s eo n e c h i pc o m p u t e ra sc p uc a u s ea c c u r a c yt ob e l o w , l a c kp e r f e c td e p t hc o r r e c ts y s t e m ，e t c ) o fs y s t e mt h i sp a p e la p p l yd s pa n df p g at o l o g g i n gw e l li nt h ew i n c hs y s t e mf o rt h ef i r s tt i m e u t i l i z ef p g ah a r d w a r er e s o u r c ea b u n d a n t ， f a s ta n dd s ps o f t w a r ed e s i g nf l e x i b l e c h a r a c t e r i s t i cf u l l y , m a k es y s t e m a t i ch a r d w a r e ， s t r u c t u r er e a s o n a b l es o f t w a r e ，f u n c t i o ns t r e n g t h e n ，c o s tp e r f o r m a n c er a i s ef u r t h e r , t h u s o p t i m i z e dt h ew h o l es y s t e m i th a so f f e r e dn e wm e t h o da n dw a yf o rt h ef a c tt h a tt h eh o i s tw i l l d e s i g ni nt h ef u t u r e o t h e rr e l a t i v ed e s i g n so fw i n c hs y s t e mo ft h i sp a p e r , t h em a i nc h a r a c t e r i s t i ci sa sf o l l o w s ， h a v ed e s i g n e dt h em o d u l et h a tm o r ep e r f e c td e p t hc o n e c t s ( t h ed e p t hp u l s ec o r r e c t i n g ，c o r r e c t a c c o r d i n gt o t h em a g n e t i s mm a r ka n dm a g n e t i co r i e n t a t i o ns i g n a l ，t h e c o r r e c t i n go f d e f o r m a t i o no fc a b l ec a u s e db ys u c hr e a s o n sa st e n s i o n ，e t c ) h a v es i g n e dm a r k e rc o m b i n i n g w i t hm e a s u r i n gt h e o r g a n i c o n e h a v e d e s i g n e d t h ec o n v e n i e n tc o m m u n i c a t i o n i n t e r f a c e ( c o m m u n i c a t i o nt h a tt h ed e p t hp u l s ea n dd s pa f t e rc o r r e c t i n gp a s sr s 2 3 2a n dm a i n l o g g i n gi n s u m e n t ) u s ed s pa sc p ua n dc o o p e r a t ew i t hf p g at om a k ep r e t r e a t m e n tt o i m p r o v et h ea c c u r a c yw h i c hm e a s u r e st h ed e p t h t h ec i r c u i th a su s e dt h ep r o g r a m m a b l el o g i c d e v i c e ，h a si m p r o v e dt h ed e p e n d a b i l i t yo ft h ew o r ko ft h ec i r c u i t ，h a v er e d u c e dt h ea r e ao ft h e c i r c u i tb o a r d i na d d i t i o n ，t h i sp a p e rh a sd e a l tw i t ha n dc a r r i e do np r e l i m i n a r yr e s e a r c ht ot h e g r o u n ds i g n a lo fl o g g i n gw e l lw h i l es t u d y i n gt h ec a b l ew i n c hs y s t e m ，i ti sm a i n l yt od o i n g p r e l i m i n a r yr e s e a r c ho ft h ec o r r e c t i n go f t h es k i ne f f e c t w h a tt h i sp a p e rf i n i s h e si sa ni n t a c tm e a s u r e m e n ta n ds i g nm a r k e rs y s t e m t h r o u g ht h e i n d o o ra n do n t h e s p o te x p e r i m e n t ，d r a w i n gac o n c l u s i o nt h a tt h es y s t e ms h o u l dh a v eh i g h a c c u r a c y , h i g ha n di n t e l l i g e n ta d v a n t a g e f i n a l l y , t h i sp a p e rl o o k e di n t ot h ed i s t a n c et h e d e v e l o p i n gd i r e c t i o no ft h i ss y s t e m k e y w o r d s ：t m s 3 2 0 v c 3 3 ，m a g n e t i z a t i o n ，d e m a g n e t i z e ，t h ec o r r e c t i n go fs k i ne f f e c t ， c a b l ew i n c h t h e s i s ：a p p l i c a t i o ns t u d y 第一章绪论 1 1 本研究领域的发展现状 随着我国石油工业的发展，各种石油测井设备正日新月异，标定电缆长度方面的仪 表也在不断的向现代化、自动化方向发展。 我国引进的国外测井数控仪主要有3 7 0 0 型、5 7 0 0 型、d d l - v 型以及e x c e l l 一2 0 0 0 型等，这些测井设备虽然数控仪器比较先进，但是绞车控制只有电缆张力检测报警装置， 未设置自动安全保护装置。这种控制系统属于半自动开环控制系统，即在系统检测发现电 缆张力突变时，自动产生声光报警信号，需要绞车操作人员及时控制绞车刹车，存在控制 时延大，不能预先报警的缺点。另一种在液压绞车中普遍应用的保护装置是绞车液压限压 保护装置，其采用机械压力开关限定绞车液压管线内压，但是这种控制方式存在控制精度 低，不能根据测井工艺要求调节安全压力阀值的缺点。国内数控测井系统与这些进口数控 类似，均属于开环控制。针对这些问题，研制了自动打标与深度丈量系统。对于自动打标 系统主要提供了固定长度法和深度控制法这两种深度丈量方法。 1 固定长度法：固定长度法就是在标准井井架上精确丈量2 5 米电缆，在这2 5 米电 缆两端分别放置注磁器和磁性记号检测器，井口放置消磁器。电缆马笼头连接磁定位器 后下井，下放过程中对电缆消磁。到井底后运行自动注磁控制程序软件，输入井底短接 长度，上提电缆，磁定位器检测到井底第一个短接顶部接箍时，由计算机控制做第一个 磁性记号，然后将电缆上提2 5 米，第一个磁性记号正好被磁性记号器检测到，计算机采 集到此信号后，发出命令控制注磁器做第二个磁性记号，这样两个记号问的距离正好是 2 5 米。为消除干扰引起的误注磁，由软件控制在电缆移动2 4 米一2 6 米内开放注磁控制系 统，电缆上提每5 0 0 米，由软件控制增做两个记号，即为我们通常所说的大记号。这样 各测井小队做出的电缆零长都是同一数值。假如井底短接深度为3 6 0 0 米，则各小队电缆 零长( 大记号零长) 均为l o o 米。 2 深度控制法：首先需要统计多个不同小队做记号，在标准井中测量的标准接箍深 度数值，运用统计技术，得出短按箍的标准深度。根据这个标准深度用软件对标准井的 马丁代克进行校正，使马丁代克丈量的深度与标准接箍深度完全一致。这样就可以根据 马丁代克丈量的电缆长度值进行注磁控制。在5 0 0 米处增做两个记号作为控制深度的大 记号。现场使用时在井口放置注磁器，在其上方2 米处放置记号检测器。电缆马笼头连 接磁定位器后下到标准井中预定的深度，启动深度控制注磁程序，上提电缆，马丁代克 丈量电缆移动2 5 米，计算机就发出一个指令控制注磁器注磁一次。电缆上提的同时记录 磁定位及磁记号曲线，可以对注磁深度误差进行检验。如果需要标定的电缆长度大于井 深，可以用两辆绞车或在电缆车间的电缆装置上使电缆穿过马丁代克( 或滑轮) ，用深度 控制法进行注磁。 对于深度丈量系统，主要有光电编码测深和利用读磁器测深两种测深系统。 1 利用光电编码器测深：首先介绍光电编码器的原理。光电编码器是一种将角位移 哺安干i 油大学硕+ 学位论文 转换成对应数字代码，集传感器和模数转换于一体的数字式测角仪，又称光电码盘，可直 接用于测量角位移和角速度，间接用于测量直线位移和直线速度。增量式光电编码器主要 由光源、编码盘、接收电路和整型放大电路等单元组成。原理见图卜l 。 1 主光栅刻线：2 零位光栅：3 主光栅：4 光源： 5 指示光栅：6 接收元件：7 转轴：8 球轴承 图卜1 光电编码器原理图 光电编码器的光源部分由3 只红外二极管组成，接收电路中的接收单元由3 只光电三 极管组成，与前者一一对应，编码盘由主光栅和指示光栅组成。发光二极管发出的红外 光经过编码盘照射到光电三极管上，当主光栅旋转时，形成光闸莫尔条纹。光电三极管接 收到这些明暗交替的光电信号，经放大整形后，输出矩阵脉冲。每一输出脉冲代表某一角 位移，其分辨力由光电编码器的线数( 每周的线数) 决定，当周长固定时，线数越多其线位 移分辨力也越高。为了判别旋转的方向，增量式光电编码器a 、b 两相矩形脉冲输出相位 差为9 0 度。当a 相相位超前b 相9 0 度时，表示码盘正转，反之码盘即为反转。精确计量 a 、b 两相脉冲信号的输出脉冲数，就可得到编码器所检测的绝对位移量。 光电编码器的基本计量方法是使用一组双向可逆计数器，根据a ( b ) 相脉冲信号上 升沿或下降沿时刻所对应的b ( a ) 相脉冲信号的逻辑电平值进行计数操作，并由此判断 出光电编码器的运动方向。若为高电平，则认为光电编码器正转，计数器加1 ，若为低电 平，则认为光电编码器逆转，计数器减1 。在理想情况下，该种方法均能准确给出光电 码盘的光栅转过角度的相对位移值，其最大相对误差为一个信号周期所对应的距离，即 计量精度为码盘光栅所决定的固有分辨率。 2 利用读磁器测深：通过读磁软铁芯线圈，敏感移动的磁场，其输出电压正比于磁 场的强度与速度。该电压经一级前置放大器后，送到读磁线路，经滤波放大及门限电路 后送c p u 。c p u 经运算得出深度。当第一个磁记号出现时，自动记录磁记号前面的深度， 第二个磁记号出现时，加上一个磁记号的长度，当第三个磁记号出现时，再加上一个磁 记号的长度，依此类推得出所下电缆的深度，即测井的深度。 绪论 就目前情况而言，主要存在以下的一些不足： 1 现在的测井绞车系统的c p u 用的是单片机，由于单片机本身的局限性，决定测 量的精确度不可能很高。 2 一些数字逻辑的处理，都采用用一些专门的功能单一的芯片，这就决定了要实现 功能比较全的系统，电路板面积就会很大，而且设计改动不够灵活。 3 没有相应的深度校正系统，影响测量准确性，并且操作比较麻烦。 4 打标和测量系统分开，这样对测井来说既不方便成本又比较高。 1 2 课题研究的目的及意义 随着石油工业的发展，对测井深度的准确度的要求也越来越高。在测井的过程中， 要求更准确的确定油、气、水的位置，以及提高测量深度准确性。本文针对现有绞车系 统的一些不足。研制了基于d s p 与f p g a 的智能绞车系统，它有利于解决这一系列实际 问题，可准确的实时的显示、存储深度和张力等信息，还辅助报警校正等功能。并且要 把主板做到比以前轻便。具体意义如下： 1 用d s p 与f p g a 技术，提高了深度测量精度。由d s p 与f p g a 技术的特点所 决定的处理的准确性和实时性将比其它般器件更优。深度的准确性对油气的采收尤为 重要。不论用多精确、多么先进的仪器测井，它获得准确的测量数据与深度值对应不起 来，造成测量数据不能真实的反映地层信息。每一个地层的特性不一样，比如说本来在 井下3 0 0 0 米处有油，而由于测量深度不准，测量数据显示结果是在2 9 9 0 米处有油。那 就会造成很大的经济损失。准确的确定油气的位置，才能提高采收率。降低采收的成本， 提高经济效益。 2 加入了深度校正系统，有利于提高测量的准确性。出于仪器的长期使用，导致缆 绳的拉长以及计量轮的磨损等，导致测量的精确度的下降，这就需要采取措施来校正磨 损带来的误差。如果要更换系统，那么成本就会偏高，导致使用寿命降低，也是一种浪 费。为了解决这一问题，需要加校正系统。在不增加硬件的情况下，对软件加以调整改 进，就会达到校正深度目的，这就解决了因磨损而带来的误差。 3 使绞车系统的功能更全。由于使用了d s p 和f p g a 等新技术，增强了绞车的功 能，比如将增加校正系统与智能键盘系统。可对测量参数进行校正，比如说，实际是1 0 9 米而测量的结果是1 1 0 米，可根据情况校正成1 0 9 米。智能键盘系统可根据测量的需要 对测量任意设置，比如把目的深度设置成3 0 0 0 米，下到3 0 0 0 米就停止。这样就做到适 应性更强。 4 使系统的安全性更高，操作更加方便。采用了d s p 对张力等数据进行处理，使 张力更加精确，实时准确地反映情况，及时根据实际情况报警及张力切断。完成这些功 能只需通过键盘对面板进行操作，所以操作方便安全。而且对井下的仪器起到更好的保 护作用。 5 提高了整个绞车系统的性价比。由于将d s p 与f p g a 等高新的芯片运用到该系 煎安石油大学硕 学位论文 统中，一片可以实现许多功能。这就减少了使用的其它器件，精简了主板系统，特别是 增加功能比较方便，只需修改软件即可，这样相对降低了整个系统的成本，而且提高了 整个系统的性能。 6 打标与测量系统一体化。过去的系统是将打标与测量系统分开，这样在实际测井 过程中不方便。本系统将打标与计量一体化，这样在需要打标时就很方便，不需要有专 门的打标小组来完成，相对的降低了成本。 总之，浚系统将做到功能强大，测量准确，操作安全，将真正做到智能化。 1 3 研究内容及主要工作 基于以上原因，本文展开对d s p ( 特别是t m s 3 2 0 v c 3 3 ) 与f p g a 的研究，本文目 标是独立设计并完成一套符合测井需求的多功能智能深度计量系统。对于该系统来说， 方案设计承担着整个系统结构和软硬件设计的重要任务，是极其关键的一环，直接影响 着绞车系统性能的高低。具体到方案设计，主要包括以下几个部分：整体结构和原理框 图，芯片确定及接口设计，硬件电路设计和软件算法仿真( 主要指d s p 与f p g a 程序仿 真) 。传统绞车系统和其它大多数系统主要以通用处理器为中心展开，影响绞车系统的性 能。这就要求有新的手段来完成，于是d s p 出现并被广泛使用为此提供了新的解决方法。 特别在九十年代后期，d s p 技术不仅仅是实现实时数字处理系统的方法，而且成为各个 领域的实现方法，为各个应用领域提供了先进的设计与实现手段。本设计是在广泛地收 集和分析了大量资料的基础上，借鉴了其它许多的基于d s p 处理器实现的系统成功经 验，经过了这一年来的努力，独立地自行完成了一个用d s p 与f p g a 完成的智能绞车系 统设计，并且通过了电路验证和算法仿真，以及试验验证。 论文的主要工作有以下几点： 1 利用可编程逻辑器件( f p g a ) 阱及数字信号处理器( d s p ) ，在d s p + f p g a 的基础 上，确定了总体设计方案和具体电路结构，成功实现了智能绞车系统的研制。 2 实现了系统的脱机独立运行，完成了d s p 与f p g a 程序的引导。 3 外围电路的设计与处理。主要包括以下几个方面：光电编码器的选取、输出信号 的处理；张力信号的采集、处理、计算；读磁信号信号的处理；注磁电路的设计与调试 等。考虑到现在的绞车应用实际情况，除了一些个别地方改进了之外，大多数都采用以 前的经典电路。特别是传感器方面，为了与现在的主仪器接口，都采用现有的，但在具 体的处理方法上加以改进，使得计算更加准确。 4 硬件电路设计与调试。主要包括外围处理电路、c p u ( t m s 3 2 0 v c 3 3 ) 、控制电 路( f p g a ) 的设计与调试。由于有效地利用了d s p 与f p g a 的优点，精简了整个电路板， 并使性能更优，功能更强。 5 软件的编写与调试。主要有深度、速度张力、差分张力的计算、处理、存储、显 示；深度校正模块程序的设计：键盘及显示程序的设计；深度脉冲的校正；注磁消磁的 控制等。 绪论 6 精确的深度计量主要用于地面上对测井信号处理时的深度对正，因此，本文在研 究电缆绞车系统的同时，对地面信号的处理也进行了初步的研究，主要是对趋肤效应的 校正进行了初步的研究，包括对趋肤效应的校f 方法、计算出各种方法的校正结果、并 且对各种方法校正的结果进行了比较。 7 试验。进行了室内试验和现场试验。试验的结果表明，该系统达到了很好的效果， 尤其是测量的准确性比现有绞车系统高得多，张力的精度也比现有绞车系统高。并且证 明运行稳定，功耗低。证明了该系统提高了现有绞车的性能，完全满足测井对深度的要 求。 1 3 本文的主要创新点 本文的主要创新点主要有以下几点： 1 将打标与计量有机的组合起来，使得整个系统的功能更加完善，使用更加方便。 2 将f p g a d s p 用于测井绞车计量深度系统中。使得电路板更加轻便、功能更加 强大、修改灵活，添加功能更加方便。 3 由于使用了3 2 位的d s p 系统，以及用f p g a 做了相应的预处理，使得整个系统 的精度比使用单片机作为c p u 的绞车系统精度要高。 4 提供了精确、完整的深度校正系统。在绞车系统中，主要包括：根据磁记号与磁 定位信号对深度进行校正模块、用c 语言编写的针对张力等原因造成电缆形变而引起深 度不准的校正软件、以及深度脉冲校正模块。这给不仅给实际测井带来很大方便而且提 高了整个系统的准确性。 题目来源：横向课题 西安石油大学硕十学位论文 第二章智能绞车系统设计 本章根据系统设计的要求，在系统总的方案设计的基础上将系统功能电路划分为张 力处理、注磁、退磁，读磁、光电编码测深、张力切断等功能模块。根据各个模块的具 体功能要求，设计实现各模块的硬件电路。 2 1 系统设计 在该绞车系统中，它具有张力处理、注磁、退磁、读磁、光电编码测深、张力切断、 报警等功能。针对要实现的功能与具体要求，设计的绞车系统框图如下图2 - 1 所示。在 i 注碱i 箍喜f 器 ”8 ” 圈2 1 绞车总体框图 此系统中选择t m s 3 2 0 v c 3 3 2 1 t 3 蔓3c p u ，d s l 2 5 1 为片外e e p r o m ，x c 4 0 1 0 x l 为逻辑 控制芯片，与之匹配的p r o m 选用的是x c l 8 v 5 1 2 。下面先介绍所选主要器件的功能， 然后进行系统设计。 2 2t m s 3 2 0 v c 3 3 的特性口1 1 处理速度快。t m s 3 2 0 v c 3 3 1 2 0 系列的指令周期是1 7 n s ，而t m s 3 2 0 v c 3 3 1 5 0 系列的指令周期只有1 3 n s ，能够满足高速处理的要求。 2 内部具有3 4 k + 3 2 位字节的r a m ，可作为数据暂存和程序全速运行空间，适于 对体积要求较高的系统中。 3 可选择的引导方式。t m s 3 2 0 v c 3 3 具有4 种引导方式，这使得硬件系统的设计 极为灵活和方便。运行时程序可以由外部低速e p r o m 通过并口装入，也可以通过串口 装入。 4 功耗低。连续运行的最大功耗只有5 0 0 m w ，电源电压为3 3 v ，内核供电电压为 1 8 v ，适用于封闭和对功耗要求较高的系统。 5 内置灵活的锁相环时钟产生电路。可以对2 0 m h z 以内的输入时钟进行不同的倍 6 智能绞车系统设计 频处理，最大可进行5 倍频。这种结构使得外加频率较低的晶振，就可以产生较高的工 作频率。这样不但提高了芯片的运行速度，而且射频的影响很小，对系统的干扰较低。 2 3 数据与程序的存储 d s p 存储系统的框图如图2 2 所示。电源芯片t p s 3 3 1 8 产生3 3 v 和1 8 v 的电压给 d s p 供电；t m s 3 2 0 v c 3 3 内部没有r o m ，搏电后，程序和数据信息都将遗失，因此需 要外接存储器，本系统采用的d s l 2 5 l ( 8 b i t ，5 1 2 k b ) 芯片。上电后，t p s 3 3 1 8 的复位脚 将产生一个低电平，此信号同时将d s p 复位，d s p 将程序从程序存储器引导到高速r a m 区后开始全速执行。 图2 - 2d s p 与d s l 2 5 1 连接原理框图 用d s l 2 5 1 存储程序，存储深度、张力等数据和所对应的时间。脱机工作把所用的 程序写在d s l 2 5 1 中，所采集的数据也存在d s l 2 5 1 中。还可以与主测井仪通信，将数 据读到工控计算机上。这里d s l 2 5 1 的时间有自己的表示形式，其d s l 2 5 1 的准确度是 在常温下每月误差为1 分钟。 由于d s l 2 5 1 的工作电压是5 v ，所以1 2 5 1 的不能与d s p 直接相连，于是在d s p 与 d s l 2 5 1 之间加了一个电平转换芯片7 4 l v c 4 2 4 5 。它是双向电平转换芯片，既可以从5 v 到3 v 又可以反过来从3 v 到5 v ，只需控制d i r 与o e 管脚就可以了。由于d s p 与d s l 2 5 1 之间的数据通信是双向的，所以选择电平转换芯片时要选双向的。 2 4 张力采集及处理 总的来说，张力的采集过程如图2 3 所示。张力计输出为o 5 v 的差分电压，经过 淹刮黍鎏岜i 一l ! ，l l 显示报警 。 ：l z 7 i 一j ： 、a dri ，f p g a；叫d s p 砸j 型堕蔓j。 ! 警塑粤警 图2 - 3 张力采集及处理框图 西安石油大学硕士学位论文 差分放大后输出为0 5 v 单端电压，在通过滤波后送到a d 采集器中。用f p g a 来控制 启动a d 张力采集，采集到的数据送到f p g a 中，由于f p g a 采用的是3 3 v 的芯片， 所以它输出的是0 3 3 v 的信号，可送往3 3 v 的d s p ，通过d s p 计算，一方面，将数 据存到d s l 2 5 1 中，另一方面，让它在送回f p g a ，送到显示器，将张力与差分张力显 示出来。 另外，如果张力达到某一极限值时，就需报警，当差分张力超过某一极限值时，既 要报警又要张力切断。张力切断就是绞车面板及时输出控制信号使继电器常闭的触点断 开，切断2 4 v ( 或1 2 v ) 电路，使发动机断油( 或断电) 使绞车停火，停转，以保护井下仪 器。由于精度最低要求是1 1 0 0 0 0 ，要做到精度高，又要很好的保护井下仪器。所以要 从以下几个方面来考虑：首先，要选择好张力计；其次，要将张力计的的信号合理准确 的处理好；再次，要选择好a d 并准确利用它采样；另外，还要d s p 计算准确并使f p g a 配合好，让f p g a 去控制显示及张力切断。最后，需存储一些信息。 根据电缆的张力的实际情况，所选择张力计的特点为：供电电压1 2 v 的差分电压； 张力测量范围o i o o k n ；输出为o 5 v 的差分电压。通过计算，因为1 2 “ 。，为有阻尼的正向脉冲波形，令署= 。 l n 旦 时，可求得当f 。：旦时，为有阻尼正向脉冲波形 p l p 2 卜矗睁，南一c 争彘， ( 2 ) 当r = j = u l 。l e - & 为临界阻尼的正向脉冲波形，可就得当f 。= 号 智能绞下系统设计 ( 3 ) 当r 2 吾时，f = 告据s i l l w 为有阻尼的减幅振荡的_ i _ f 弦波形，可就得当 f 。：里时，脉冲电流的第一个峰值f ：乓把一5 尝s i n5 f ， 国w l 式中只一瓦r + 搓一去曼= 一墨2 l 一偿2 l l 三c 。 v d 2 瓦r ；w = 届了；w 。= 面1 ；s i n 2 景。 三种情况下的脉冲放电电流波形如图2 1 0 所示。当脉冲放电电流通过充磁螺线管时，在 其内部产生脉冲磁场，脉冲磁场的峰值正比于脉冲电流的峰值。 o务汉 一 图2 1 03 种脉冲放电电流波形 b 。放电回路参数r ，l ，c 选择上述第1 、第2 种情况时产生的脉冲电流的波形均 可作为注磁用，第3 种情况脉冲电流的波形为减幅的正弦振荡波形，似乎不能作注磁用， 但只要采用可控的大功率的单向导电器件代替图2 9 中的丌关k 2 ，我们便可以得到减幅 正弦振荡的脉冲电流的第一个半周期波形，同样可用于脉冲注磁体。这种器件，早期只 能用引燃管，而现在我们可以方便地选用大功率f 皂。力半导体开关器件一晶闸管。按上述 求解i ，公式编程计算得到如图2 - 1 1 所示3 条反映各参量对峰值电流影响的曲线。 o 虚o ( a ) l , r 不变时c 对i 。的影响( b ) l , c 不变时r 对i 。，的影响( c ) r ，c 不变时l 对i 。，的影响 图2 1 1 c ，r ，l 对i 。的影响 由图21 1 可见：( a ) 储能电容c 大小对i 。影响很大，但更大的c 对i 。贡献不大，或者 两安石油大学硕士学位论文 说单纯依靠增大c 来提高i 。是很不经济的。因为用作储能的电解电容价格较高，无极性 的油浸电容价格更高。( b ) 放电回路电阻总和r 与螺线管电感l 应小些，因而绕制注磁 螺线管时匝数应少一些，绕组线径应大一些，在满足注磁零件大小的前提下，螺线管的 内径也应尽量小些，放电回路各器件连接的接触电阻应尽量小。 从能量守恒分析，亦可得到同样结果。电容储能哌、电感储能与每次放电开始 至达到电流峰值的有功损耗。之间关系为 暇，= 暇+ 即丢c u g 一告c 己，：= l f 。24 - p i 2 r d t ，式中r 。为单向脉冲放电电流达到峰值f 。的 时间，u 。与u 。分别为放电开始至电流达到峰值i 。时电容两端电压。显然，尽可能地减 小放电回路电阻r ，从而减小放电时的有功损耗，可得到较大的i 。 由上述螺线管磁场与电感计算公式可推导出螺线管中心磁场日。与电容c 、电感l 近似存在如下关系：h 。c o c ，h 。m c ，所以c 与l ( n ) 大到一定程度后日。( 日。) 随它 们增长的速率减缓，实际上l 增加( 主要为螺线管匝数n 的增加) 的同时回路总电阻r 必 定增加，也阻碍i 。与日。，的增长。在元器件耐压允许的前提下，提高电容放电电压u 。是 提高f ，与h 。的最直接、最有效的手段。 c 续流二极管由上述计算分析可知，要得到尽可能大的i 。，和h 。，应取较大的c 厅 和尽可能小的r ，因而装置常处于r 2 1 f 告条件下脉冲放电，当电容电压觇降到零时， 脉冲电流i 已过峰值，处于逐步减小的过程中，在螺线管i 两端感应出来的电势力图阻 止它减小并继续维持晶闸管导通，此时将对电容器反向充电。在脉冲充磁装置中，由于 制造成本的原因，大电容量的电容器大都选用电解电容，而有极性的电解电容在反向电 压作用l - 极易损坏，所以应在螺线管两端并联一个续流二极管v ( 如图2 - 9 所示) ，使放电 过程中，沈降到零后螺线管l 两端的感应电势维持的电流i 经续流二极管v 形成回路， 不再对电容反向充电，从而起到了保护作用。续流二极管v 承受的最大反向电压由电容 放电电压玑决定，可采用普通型硅整流管，仍可参考其浪涌电流参数选取电流额定值。 d 螺线管对永磁零件的饱和磁化是依靠螺线管内部产生的脉冲磁场来完成的。半 径为：总长为l 单层密绕n 匝的空心螺线管，如图2 1 2 所示：通以1 a 的电流，其轴 4 智能绞车系统设计 线上p 点的磁场强度为何= 等( c 。s 届一c 。s 屈) ，中心磁场强为h 2 志。 ，27 卜产 ， j u o j l j j l - - u l j j | j u w 一 ， 一 图2 - 1 2 螺线管 i 及l 相同时，r 越小则螺线管中心的磁场强度越大，其两端的磁场强度与中心磁场 强度相差也越大。 从另一个角度说，在能放入被注磁永磁体的前提下，r 越小饱和磁化所需要的电流 也越小，储能电容放电电压( 所充至电压) 也越小，这对延长电容器和晶闸管的寿命都是 十分有利的。为满足r 2 、昙的条件，应采用大截面电磁线( 或多股并绕的方法) 制作注 磁用螺线管，连接导线亦应尽可能采用大截面导线并保证各连接点的紧密可靠以减少接 触电阻。另外，为满足此式，采用较小的c 也是十分有利的，可大大降低充磁装置的制 造成本。 实用中还常常采用多层密绕螺线管，设长为2 l 内外层半径分别为n 和n ，其轴线中 心磁场强度： 矾：丝l n ! ! 垒：竺 ” 2 ( _ 一_ _ + 2 + f 2 如果取其平均半径r = ( r l + r 2 1 2 ，仍用单层螺线管的公式来计算h o ，则要简单得多， 而两者的计算结果是极其相近的。 实践中发现，如果螺线管中被注磁永磁体的两端各置一个软磁铁芯，磁化效果要好 得多，这是因为此时螺线管中软磁铁芯处磁场将增大“( “为软磁铁心的磁导率) 倍，尽管 在饱和磁化时以“下降许多，但仍要高于空气磁导率。加铁心注磁方法的好处是：产 生同样大小的饱和磁场所需要脉冲电流峰值( 及至电容放电电压) 可以小许多，因而可以 降低能耗和延长充磁装置中电容器、晶闸管等主要器件的寿命。 2 7 2 注磁控制电路设计 注磁电路就是注磁器在注磁电路控制下，完成在电缆上标注磁记号的功能。具体注 磁设计是通过f p g a 和光电耦合器为主来控制电容的充放电来达到注磁的目的。 西安石油大学硕士学位论文 首先介绍所采用主要芯片m o c 3 0 4 1 。该芯片是一种集成的带有光祸合的双向可控硅 驱动电路。它内部集成了发光二极管、双向可控硅和过零触发电路等器件，它的内部结 构和外部引脚如图2 1 3 所示。从图中可以看出，它由输入和输出两部分组成。输入部 图2 1 3m o c 3 0 4 1 内部结构和外部引脚1 ” 分是一个砷化嫁发光二极管，在5 1 5 m a 正向电流的作用下发出足够强度的红外光去触 发输出部分。输出部分包括一个硅光敏双向可控硅和过零触发器。在红外线的作用下， 双向可控硅可双向导通，与过零触发器一起输出同步触发脉冲，去控制执行机构一外部 的双向可控硅。 由m o c 3 0 4 1 组成的过零触发双向可控硅电路简单可靠，由它组成开关k l 电路如图 2 1 4 所示： l l 一 多扣 r 图2 1 4 由m o c 3 0 4 1 构成的开关1 6 1 k 1 其中：耻为限流电阻，控制l e d 的触发电流； r g 为门极电阻，提高控制极的抗干扰能力； r 为控制回路限流电阻，保护m o c 3 0 4 1 中的双向可控硅； r p 、c p 为构成吸收回路，承受反向电压。 该电路的工作过程是：当f p g a 输出为低电平时，3 0 4 1 内部导通，g 端出现同步触 图2 - 1 5 由m o c 3 0 2 1 构成的开关k 2 6 4 5 6 一j 嘶二 一 智能绞车系统殴计 发脉冲，控制可控硅导通，相当于图2 - 9 的开关k l 闭合；当f p g a 为高电平时，m o c 3 0 4 1 内部截止，可控硅断开，开关k l 断开。 同样的原理由m o c 3 0 2 1 与单向可控硅组成的丌关k 2 ，如图2 1 5 所示a 当f p g a 输出为低电平时，m o c 3 0 2 1 内部导通，g 端出现同步触发脉冲，控制可控硅导通，相当 于图2 - 9 的开关k 2 闭合；当f p g a 为高电平时，m o c 3 0 2 1 内部截止，可控硅断丌，开 关k 2 断开。 2 8 退磁及控制电路的设计 2 8 1 退磁原理【7 1 图2 1 6 示出了退磁原理。1 ，即将零件置于交变磁场中，产生磁滞回线，当交变磁场 的幅值逐渐减弱时，回线的轨迹也越来越小，当磁场降到零时，零件中残留的剩余磁场 也减少到零或接近于零。 图2 1 6 退磁原理 为了退磁，若对零件施加矫顽力h c ，就可使b r 降到零，如图2 1 7 所示。但多数磁 性材料移去矫顽力 i c 后，剩余磁感应强度b r ，并没降到零，而沿曲线1 回升到某一数 值b i ，没有全部消除剩磁1 9 ；如果对其施加一个稍大于h c 的退磁场h i ，然后再把h i 降到零，这样可以达到h i 等于零b r 等于零。由此说明：零件退磁时要施加一个稍大于 h e 的退磁场h i ； 1 一h c l ， h - - h i 匕p 7n 图2 一1 7 局部磁滞回线 2 8 2 退磁控制电路设计 退磁电路就是通过控制退磁器达到对电缆消磁的目的。控制电路如图2 一1 8 所示。与 西安石油大学硕士学位论文 注磁控制一样，也是通过m o c 3 0 4 1 及双向可控硅构成的开关来接通或断开来控制退磁。 i - 1 f 1 c g2 2 0 v j 乡r p 取 圈2 一1 8 退磁原理框图 2 9 磁定位信号处理电路 由井口来的磁记号信号经差动放大器放大，变成单端对地信号，通过二级二阶贝塞 尔型有源低通滤波器后，进人反相放大器( 含调零偏电路) ，输出的直流信号送往绞车面 板的a d 板采样。 磁定位道由输人信号缆芯选择继电器、面板调节电位器、有源滤波器、同相放大器、 窗口滤波放大器、基值调零等部分组成。磁定位信号经继电器选择，三级二阶有源低通 滤波器，滤除高频信号，让低频c c l 信号通过，截止频率为6h z 。进人窗口滤波放大 器，滤除干扰信号，对磁定位信号进行放大，放大后的信号送绞车a d 板采样。同样用 a d 9 7 4 采样，关于a d 9 7 4 ，前面已详细介绍，这里将不在赘述。 2 1 0 键盘及显示设计 键盘及显示作为人机接口，它将决定操作直观方便程度。总体框图如2 1 9 所示。总 的来说，键盘是人机对话的一部分，它的作用在于不停的逐个扫描每个按键是否按下， 图2 1 9 键盘及显示框图 若某一键按下则转相应键处理程序。键盘一般是有若干按键组成的开关矩阵，它是最简 单的输入设备，操作员可以通过键盘输入数据或命令，实现简单的人机通信，显示让人 们比较直观的看到需要结果。 2 1 0 1 矩阵式键盘原理及其设计 矩阵式键盘是一种常用的输入装置，在同常生活中，矩阵式键盘在计算机、电话、 手机、微波炉等各式电子产品上已经广泛应用。图2 2 0 为矩阵键盘原理图。键盘上的每 一个按键其实是一个开关电路，当某键被按下式，该按键的节点会呈现逻辑0 状态，反 之，未被按下时成逻辑1 的状态。扫描信号由进入键盘，变化的顺序依次为 粤一唧一 呲t 嬲一 一一泸陪 一 一路】|要矗 弘 蕤一附一 障r i 智能绞车系统设计 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 0 1 一1 1 1 0 1 卜1 1 0 1 1 l 一1 0 1 1 1 卜0 1 1 1 1 1 。每次扫描一排，每次扫描- - 丰i v ，依顺序 图2 2 0 矩阵式键盘 的周而复始。例如现在的扫描信号为1 1 1 0 1 1 ，代表目前正在扫描第四行。如果这排当中 没有按键的话，则由k x 3 k x 0 读出的值为1 1 1 1 ；如果是第三行有键按下时，则由k x 3 k x 0 读出的值为1 1 0 1 。同理列出其它按键的位置与数码关系。若从则由k x 3 k x 0 读 出的值为1 1 1 1 。代表该列没有按键被按下，则不进行按键编码的动作，反之，如果有键 按下时，则应将k x 3 k x 0 读出的值送译码电路进行编码。光靠矩阵式键盘无法无法正 确完成按键输入工作。另外，还要搭配以下几种电路，才能正确完成键盘输入工作。框 图如图2 2 1 所示：具体都是通过f p g a 来实现的，将在下一章具体研究。 图2 - 2 1 键盘输入设计框图“o 2 1 0 2 显示及驱动电路设计 图2 2 2 显示设计原理框图 一 r一工，一 一 一叫q斗一曼一 拉 一 一 二 f 菱荽 1 甄存一 疆缓器 霰据 阿安i i 油大学硕士学位论文 显示内容包括光电编码的深度、磁记号的深度、速度、张力、差分张力以及一些可 任意设置的参数。它的实现主要是以f p g a d s p t p i c 6 8 5 9 5 为核心再配上2 1 个7 一段 数码管来完成显示功能。如图2 2 2 所示。以下将结合功率逻辑器件t p i c 6 8 5 9 5 的显示 设计