（通信与信息系统专业论文）嵌入式石油测井仪器的研究与实现.pdf

摘要 摘要 多参数组合测井仪可以一次下井，测得多种数据，可以显著的减少测井时间， 降低测井成本。现有的多数地面仪器中，编码和解码的工作是由专用芯片来完成 的，每种编码信号的调制解调都需要一块专用接口板，如需配接不同传输格式的 井下仪，地面仪器就得配接不同的地面接口板。这大大增加了地面仪器的难度。 兼容不同传输方式的井下仪器越多，接口板就越多，地面仪器越复杂、庞大，造 成了地面仪器可靠性随之下降。本文首先详细介绍了基于e p 9 3 1 2 的嵌入式处理器 的石油测井仪器的设计与实现，依据对多路信号时分复用的原理，研究了在单一 的采集通道中实现对多路信号的采集方法，设计多路复用的测井仪器硬件系统， 实现了测井仪器的小型化以及对信号处理的数字化。此外，文中还介绍了一些系 统软件设计的思想。 关键词：石油测井a i m 嵌入式操作系统f p g a a b s n a c t a b s t r a c t m u l t i p l e x e dp m d u c t i o nl o g g i l l gs t a c ks y s 劬1 c a i lg e ta l lt h i sp a r a m e t e r si n 砌y o n et h e sw h e nw em e a s u r em ew e l l n sc a l ls a v em u c ht i l n e 缸dr e d u c et 1 l ec o s t n 0 w a d a y s ，w en e e dv a r i o u ss p e c i a li ct of i i l i s hm et a s ko fc o d e 锄dd e c o d e e v e r y k i n do fc o d e ds i 鲈a ln e e das p e c i a i 抽t e 以c eb o a r dt op m c e s si t 1 h s 诵um a k ew e u l o g g i i l gm o r ed i m c l l l t 1 km o r ed i 旋r e n ts i g i l a l s ，t h eb i g g e r 觚dm o r ec o m p l e xm e i i l s 仇瑚e n ti s i i la d d i t i o n ，a l lt h e s ec a l lr e d u c et h er e l i a b i l 埘o ft h ei 1 1 s 虮吼e m 1 1 1 i s d i s s e n a t i o nm a i n l yi n 仃o d u c e st h ed e s i g na i l dr e a l i z a t i o no f m ew e ul o g g i n gm s 仃u m e m b a s e do nt 1 1 ee m b e d d e dp m c e s s o r 删e p 9 3 1 2 a c c o r d i n gt 0t h et h e o r yo f t i m e d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，is n j d i e dt l l em e t l l o dt l l a ts 锄p l ed i 疏r e n ts i 印a l si i lo n e c h a 工1 i l e la 1 1 dd e s i g n e dt 1 1 eb a r d w a r eo f t h ew e l l l o g g i n gi n s 协l m e n t a ut l l ew o r km a k e s t l l ei 1 1 s 仃i l m e n t 锄a l l e ra n dp r o c e s s e sm es i 印a li nad i g i t a lw a y ha d d i t i o nt oa l lt l l i s m e n t i o n e db e f o r e ，i ta l s od i s c l l s s 廿1 ed e s i g no f s o f h 】l ，a r cn l es y s t e mi l e e d e d k e y w o r d ：w e i l l o g 西n g a r me o s f p g a 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学分和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在导 师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注 和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果： 也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明 并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名：酶 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生 在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保留 送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容， 可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后结合 学位论文研究课题再攥写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。( 保密的论文 在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在年解密后适用本授权书。 本人签名：圣当煎 导师签名：至豇 日期垫塑：! ：笪、 第一章绪论 第一章绪论 1 1概述 随着科学技术和世界经济的迅猛发展，石油在世界经济发展中的战略地位表 现得愈发突出。石油属不可再生能源，为充分利用能源，应尽量提高开采效率， 减少开采损失，特别是目前我国越来越多的油井进入后期开发阶段，使得这一问 题更为重要和紧迫。为提高探测和开采质量，需要采集大量的井下数据，近年来 各种测井设备得到迅速发展，这些新型设备需要将采集到的大量的并下数据传输 至地面分析处理。 测井，是石油勘探开发过程中不可缺少的重要环节。矿场地球物理测井方法， 是通过定量测定井下的钻穿地层的电、声、光、核、热、力等多种物理信息，用 以判断地层的岩性及流体的性质，从而可以确定油、气、水层的位置，定量解释 油、气层的厚度，含水饱和度以及储层的物性等参数，了解井下状况的一整套技 术。 1 2石油测井系统的发展 石油测井技术是随着钻井采油的发展而发展的。石油测井技术起源于1 9 2 1 年，巴黎矿业学院第一次进行了人工电场测量。测井技术的发展，经历了四个阶 段，第一阶段为半自动测井，简单地测量地层的电阻和自然电位，1 9 2 7 年法国斯 伦贝谢公司成功测出了第一条电阻率曲线，真正诞生了在井眼内进行地球物理测 井【”。 我国的测井工作始于1 9 3 9 年，当年1 2 月，著名地球物理学家翁文波先生在 四川巴县石油沟1 号井用1 m 电位电极系成功测得第一条电阻率曲线，继而发展 了手摇绞车点测仪。翁先生的工作不仅在当代具有极高的应用价值，时至今日， 仍在测井的理论和实践上具有普遍的指导意义。 测井技术发展的第二阶段为数字测井技术，在此阶段广泛应用了电子技术和 计算机技术。我国测井设备的重大发展出现在2 0 世纪5 0 年代。在经历了长期的 艰苦攻关之后，“i d 5 8 1 型多线式自动井下电测仪”通过了石油部的技术鉴定。多 线式自动井下电测仪的研制成功，大大的提高了测井时效，为我国的测井史揭开 了新的一页。i d 5 8 l 型多线式自动井下电测仪的出现以及大批量投入使用，不仅 缓解了我国测井装备的供求矛盾，而且对我国测井装备的发展产生了重大而深远 2 基于嵌入式的石油测井仪器的研究 的影响。 以计算机为核心的数控测井设备是国外2 0 世纪7 0 年代开发的新一代测井设 备，它的显著特点是高精度的质量监控、大容量的数据传输以及计算机处理技术 的综合应用，由此带来了测井技术第三阶段的发展。7 0 年代末，我国从西方引进 了一批测井装备，最早进入我国市场的是1 9 7 8 年国家石油部组织引进的3 6 0 0 系 列测井仪器，该仪器装备有磁带记录解释用的计算机；在1 9 8 4 年引进的3 7 0 0 系 列测井仪器，配备了车载计算机，基本实现了方法系列化，记录数字化，操作程 序化和解释自动化。这些数控测井系统的引入刺激了我国石油测并装备的发展。 进入二十一世纪以后，国际测井技术向集成化、快速化方向发展迅速，由此 带来测井技术第四阶段的发展，进入高可靠、高集成和高精度测井时代。 1 3目前石油测井技术现状 目前，石油测井井下仪器种类繁多，国内众多厂家生产的井下仪器和国外几 大公司的井下仪器的信号各有其特点，这给地面测井仪器的研制造成了一定的困 难。一方面地面仪器最好能兼容多种类型的井下仪器，提高用户选择井下仪器的 灵活性；另一方面地面仪器不能由于兼容性而体积过于庞大，这会增加成本和不 可靠因素。 井下仪器上传的信号有深度信号、模拟量信号、脉冲信号、曼彻斯特编码信 号等。各种井下仪器在传输信号上的不同主要是编码信号的不同。在早期的和现 有的多数地面仪器中，编码和解码的工作是由专用芯片来完成的，每种编码信号 的调制解调都需要一块专用接口板，如需配接不同传输格式的井下仪，地面仪器 就得配接不同的地面接口板【2 】。这大大增加了地面仪器的难度。兼容不同传输方 式的井下仪器越多，接口板就越多，地面仪器越复杂、庞大，造成了地面仪器可 靠性随之下降。 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) 。 多参数组合测井仪是一种应用于生产测井的仪器，生产测井具体指的是在油 气井完井及其后的整个生产过程中，应用地球物理测井方法对井下流体的流动状 态、井身结构的状况、产层性质的变化情况所进行的测量。其主要目的是了解和 分析油气藏的动态特性，提高油气产量和采收率。 油田在开发过程中要求生产测井提供的资料主要有三种：一是油井的动态资 料：包括油井的分层产液量、分层产水量、分层压力等；二是了解套管外地层性 质的变化：包括确定油、气、水层及其界面，确定油层水淹及油层剩余油饱和度 第一章绪论 等地质情况；三是提供工程测井资料：包括检测套管接箍、套管的损伤、找漏找窜 等。生产测井是贯穿油田开发过程中不可缺少的一种手段。它可以提供准确的井 下动态资料，为调整注采方案，保持油田稳产高产提供科学的依据；同时还可以 提供井身技术状况的变化资料，为油水井修井作业提供资料。总之，生产测井是 油田地质家的眼睛，它是提高油田最终采收率，科学、合理开发油田，最大限度 发挥油田经济效率的重要手段。随着胜利、大庆等油田进入中后期开发，生产测 井技术越显示其重要性。因为生产测井可以对油气生产过程中的许多问题，给予 可靠而又经济的分析。因此，生产测井对保证油田的稳步发展无疑起着重要的指 导作用。 目前，在实际生产中生产测井的成本是非常高的，需要电缆车、地面系统、 吊车等各种车辆和测井员工的十几个小时的野外作业，耗时耗力；另外，对生产 井进行测量，油井的正常工作就不得不停止，造成的损失是非常大的。所以，如 果使用多参数组合测井的方法，一次下井就能获得多种参数，与常规测井仪器相 比，能显著的减少测井时间，降低测井成本，故多参数组合测井的方式，逐渐成 为石油测井仪器发展的趋势。多参数组合测井是一种新兴的测井概念，根据实际 需要和仪器设计的可行性，测量各种参数的不同仪器可以按不同的方式、结构、 方法组合在一起，形成不同型号的组合测井仪。一般来说，多参数组合测井仪分 为两类，一种是测量三个参数以下的，各个参数直接通过单片机的计数器口来采 集的；另一种是建立内部总线，可以测量多种参数，通过这条总线来采集各个参 数，有一个统一的通信模块，负责地面系统和井下各个仪器之间的通信。该模块 与井下各个仪器之间有一定的通信接口，依次采集各个仪器测量的数据，并进行 重新编辑，以一定的数据格式发送到地面系统，该模块是组合测井仪器的核心部 分。 随着测井技术的发展，井下仪器的组合功能越来越强，各种井下仪器上传的 数据量越来越大，地面仪器处理的数据也越来越多；同时要求地面仪器和井下仪器 之间具有实时双向通信功能，所有这些都要求测井系统具有很高的传输速率，要 求地面系统对测井数据具有很高的处理速度。由于目前的测井系统都采用七芯电 缆传输信号，电缆的频率特性限制了频率更高的传输信号，因而采用各种调制方 式对信号处理压缩后进行传输，从而提高信号的传输速率，相应地，这就要求地 面仪器用很高速度的微处理器对信号进行处理。 由于目前国内运用的井下仪器品种繁多，在业界内还没有比较一致的行业标 准，而一般的地面仪器也是针对井下仪器的专用设备。这样就大大的限制了地面 仪器的通用性。在当今计算机技术高速发展的时期，我们可以灵活的将其运用到 石油测井仪器的开发中，以开发出通用性较强的设备。 地面仪器的体积庞大也是阻碍石油测井发展的一个因素，使得测井的成本居 4 基于嵌入式的石油测井仪器的研究 高不下，并且在可靠性方面也比较欠缺。我们可以将先进的电子技术的因素引入 到我们的设计之中，极大的增加设计的集成度和系统工作的可靠性。将庞大的测 井仪器改变成由测井工作人员可以携带的便携式设备势在必行。 因为已有类似仪器，关键问题在于如何借鉴好的设计，提出自己的创新，能 够在参考国内外现有仪器的基础上，结合自身的技术特点，开发出性能更好的多 参数组合测井仪。 1 4 毕业设计的主要工作 图1 1 为多参数组合测井仪的系统组成框图。其中虚线以下部分为井下系统， 以上部分为地面系统。而地面系统由上位机和下位机两部分组成。 图1 1 多参数组合测井仪器框图 测井系统中各个部分的主要功能如下： 井下部分设计可挂接8 只传感仪器。分别为：流量仪、密度仪、含水率仪、 温度仪、压力仪、自然伽马仪等。该仪器具有传输8 种模拟信号的能力。此外， 井下仪器还需要具有与地面系统通信接口。井下仪器将要发送的信号，通过汇编 程序将数据编成m a i l c h e s t e r 码并打包成帧【。”。数据帧由单片机的p 1 3 端输出，然 后通过m 柚c h e s t e r 码归边电路，变为归边的m a i l c h e s t e r 码数据帧，通过两组三极 管推挽驱动，由电缆发送到地面系统。 地面系统的下位机的主要功能是：对井下部分传送过来的模拟信号进行采样、 数字滤波等处理，将处理后的数据存储在相应的内存区域，之后通过u s b 接口将 经过处理的数据传送到上位机( p c ) 。同时下位机还需要接收井下发送来的编码 信号，用于和井下仪器进行通信功能。 上位机接收到下位机传送过来的数据，通过上位机软件对数据进行图形化的 显示、打印、存储等处理以便专业人员对其进行分析。 本文在广泛深入地了解了石油测井仪器发展现状的基础上，针对地面测井系 第一章绪论 统的实际发展状况，提出了研制基于嵌入式操作系统的通用测井信号采集处理系 统，使井下仪器上传的各种测井信号能够在一块接口板上进行采集和处理，地面 仪器只需配接一个通用的接口板即可，这在很大程度上解决了不同类型的井下仪 器和地面仪器之间的配接问题，大大减小了地面系统的复杂度，增强了可靠性。 本课题的主要任务是设计出基于c i 肌sl o g i ce p 9 3 1 2a r m 的嵌入式通用测井信 号采集处理系统的硬件系统，也就是整个石油测井系统中的下位机部分，并在此 硬件系统上实施多种数字信号处理算法，通过在删处理器上运行的软件实现 了多种测井信号的采集和处理。系统的主要任务具体如下： ( 1 ) 、设计了一套完整的以c i n l l sl o 百ce p 9 3 1 2a r m 为核心的信号采集处理 系统，此系统具有u s b 接口，与主机构成主从系统。该系统硬件包括c i 肌sl o g i c e p 9 3 1 2 a r m 芯片、自动增益控制电路、时钟、电源和硬件复位电路、a d c 模数 转换电路、多路选通电路、u s b 总线接口电路以及以现场可编程门阵列器件 ( ( f p g a ) 为核心的控制逻辑电路。 ( 2 ) 、使用c 语言在嵌入式l i n l l ) 【操作系统下进行模块化软件设计。对曼彻斯 特编码0 d a n c h e s t e r ) 信号和深度信号、低频模拟信号和脉冲信号四种常用的测 井信号分别进行了采集和处理。 ( 3 ) 、使用v c r n o gh d l 语言在f p g a 上编程实现系统所需要的数字逻辑功能， 完成深度测量，脉冲计数等功能。 在硬件方面，本文采用了a r m 和f p g a 相结合的设计方法，删专用于数 字信号处理，f p g a 则实现整个系统的控制电路，这样不但大大减小了系统的体 积，增强了可靠性，而且系统具有良好的可扩展性。 本课题是把a r m 处理器和计算机相结合构成通用的测井信号采集处理系 统，用嵌入式软件来实现石油测井信号采集和处理的一个探索性研究，对于石油 测井以硬件为主要手段的现状来说，具有一定的创新意义。同时，也是当前仪器 硬件功能软件化、硬件平台通用化的特点和发展趋势的一个具体体现，对于今后 石油仪器的软件化发展具有一定的实用价值。 第二章基于嵌入式的石油测井系统设计 第二章基于嵌入式的石油测井系统设计 2 1石油测井系统方案 目前完整的石油测井系统可以分为井上设备和井下设备，如图2 1 所示。虚 线上部为井上设备部分，虚线下部为井下设备部分。 井下设备部分 7 图2 1 石油测井系统的构成 井下设备由多种不同用途的传感器和电缆遥测短节构成。将多只测井仪器组 合在一起，首先要考虑各只仪器之间能否组合在一起；其次是各只仪器怎样组合 在一起。从信号传输及电路设计的角度来看这个问题，就是每个仪器采集的信号 怎样汇集在一起，按统一的顺序发送到地面系统中，以便于地面系统确认和识别。 电缆遥测短节的作用是与井下其他测量具体参数的仪器之间建立一条内部总线进 行通讯，各测量仪器挂载于总线上，通过串口按照一定协议传输信号。总的看来， 井下仪器部分负责采集数据，然后将其传送给多参数组合测井仪系统。 井上设备部分由多参数组合测井仪、p c 机、直流电源、绘图仪构成。其中直 流电源负责给多参数组合测井仪器供应所需要的各种直流电压。多参数组合测井 仪负责与井下仪器进行通信，接收井下传感器上传的各种模拟信号以及接收外部 的深度信号，其他仪器的脉冲信号等。由于这些信号经过长距离的电缆传输至井 上设备，其中会夹杂不同的干扰信号，同时在经过电缆信道的传输后，信号也会 发生衰变，所以在对这些信号进行了接收之后，需要运用数字滤波和均衡等数字 信号处理技术对信号进行处理。然后，可以通过u s b 总线接口将处理过的数据上 传到p c 机，由p c 端的应用软件图形化的现实各种不同的井下参数。最后，在需 要的情况下，可以通过绘图仪将需要打印的数据打印出来，进一步方便测井工作 8 基于嵌入式的石油测井仪器的研究 人员分析井下的情况。 本论文所研究的是井上设备部分多参数组合测井仪器的设计，这也正是整个 石油测井系统中的最关键部分。 2 2系统设计的主要技术指标 2 2 1 主要通信配接接口 主要处理地面系统与各种带通讯传输的下井仪之间的双向通讯的一块信号处 理板，主要完成以下几种下井仪的通讯配接问题： 1 、脉冲中子氧活化水流测井仪( p c m 编码方式) 。 2 、全能谱饱和度测井仪( 曼彻斯特编码编码方式) 。 3 、七参数生产测井仪( m 嘞编码方式) 。 2 2 2 多参数测井仪功能 1 、井下仪器上传编码信号的预处理、解码。 2 、对井下仪器上传的模拟信号进行采样，处理和存储。 3 、对于深度信号进行计数并判断电缆处于上升还是下放状态。 4 、接受键盘的一些输入，同时相应该输入来进行一定的操作。 5 、与主计算机的u s b 通讯连接。 2 2 3多参数测井仪的信号预处理 1 、 对下井仪送到地面的编码信号板上首先要根据信号不同的幅度对其进行 自动增益控制的放大。 2 、由高速的刖d 转换器对经过放大的信号进行采样。 3 、由a r m 处理器对所采集到的信号样值，根据电缆特性进行数字均衡处理， 补偿信道特性。 4 、对信号进行f i r 数字滤波处理，以将信道的噪声滤除。 2 2 4 几种编码信号的具体指标 脉冲中子氧活化水流测井仪的p c m 信号指标： 信号功率：约1 w 第二章基于嵌入式的石油测井系统设计 信号电平：5 0 m v 5 v 码元速率：1 0 k b s 全能谱饱和度测井仪的m a n c h e s t e r 信号指标： 信号电平：最小2 0 m v 信号功率：小于1 w 码元速率：2 0 k b s 七参数生产测井仪的m i b 信号指标： 信号电平：最小2 0 m v 信号功率：小于1 w 码元速率：2 0 k b s 2 3系统的硬件设计 在系统总体设计时，根据实时性、可靠性及模块化的要求。系统选用高速的 a r m 芯片c i n l l sl o 百ce p 9 31 2 作为主处理器和控制器完成对采集到的信号进行 均衡和滤波的处理。采用高速的a d 7 6 1 2 作为模数转换器对上传的信号进行采样， 信号预处理单元实现信号的自动增益放大。u s b 接口负责系统和p c 端的接口， 与其进行通信并向其传送经过信号处理的数据。具体框图如图2 2 所示。 图2 2 多参数测井仪的硬件设计框图 设计思想如下： 本设计的主要功能是将从井下仪器传送过来的各种信号进行采集、均衡、滤 波、解码等处理。将最后的结果通过u s b 接口送往p c 机，由上层软件进行图形 化的显示和分析。 9 1 0 基于嵌入式的石油测井仪器的研究 本系统接收的数据主要有以下几种： l 、多路的模拟信号：该信号是从井下的各种不同的传感器传送过来代表不同 实际意义的模拟信号。对于模拟信号，本系统对它先进行自动增益的放大控制， 之后将放大后的信号送往a d 转换芯片进行采样，将采样数据送往a r m 处理器 以供处理。由a r m 处理器通过软件算法对a d 采样的原始数据进行均衡处理。 之后根据信号的特性对该信号进行数字f i r 低通滤波处理。将结果存储到相应的 d r a m 区域，在需要的时候上传至p c 机。 2 、脉冲信号：在本系统中，外部会有一些辅助设备如读磁计或者深度信号等 送来的脉冲信号。在本系统中，利用f p g a 可变成逻辑器件对脉冲信号进行计数， 并将结果存储在片内的存储器中，系统会将其传送到p c 主机。 3 、编码信号：由井下仪器上传与多参数测井仪器进行通信。具体的编码形式 有由水流仪传来的p c m 编码信号，全能谱饱和测井仪传送的m a i l c h e s t e r 编码信 号等。本系统对于各种编码信号，均采用高速的a d 对信号进行采样，由处理器 单元对其进行均衡及滤波的处理。然后利用软件方法针对不同的编码信号进行解 码，进而得到井下上传的数据。 在现有的仪器当中，对于各路信号的处理都是分开进行的，每一路信号都有 自己特有的处理电路。即便是各路不同的模拟信号，都有自己不同的放大倍数和 独有的滤波器截至频率。对于编码信号的处理更是有专用的处理板来进行。这样 一来，使得电路的尺寸难以缩减，整个系统更是体积大，不便于运输。同时，由 于构成系统的元器件数目过多，整体上来说系统在可靠性方面也比较欠缺。本设 计采用了多路复用的处理方式，各路信号由多路选通器来控制轮流选通，经由高 速a d 采样后由删用不同的软件对不同的通路进行数字信号处理。减小了系 统的电路复杂程度，大大的提高了系统的集成度，同时使得对信号的处理更为可 靠。 另一方面，利用了高集成度的f p g a 芯片来完成整个系统的逻辑控制以及对 于脉冲信号的计数等处理，避免了使用单独的计数芯片，也同样增强了系统的集 成度，提高了系统的可靠性。 另外现有的设备大都采用r s 2 3 2 串口与p c 机进行通信，数据回放速度慢、 时间长。所以研制一种存储容量大，数据回放速度快的存储式仪器，就有很高的 使用价值与广阔的市场空间。 随着集成电路芯片技术的飞速发展、电子产品设计业也越来越开放，很多硬 件解决方案已经成为公开的资料，产品设计者的核心技术往往集中在嵌入式软件 内。然而，在行业竞争日益激烈的今天，很多公司发现自己的产品投放市场后不 久就被克隆，对公司造成巨大的损失，因此如何保护自己的产品已经成为嵌入式 产品领域一个迫切需要解决的问题。因此在本设计中加入了嵌入式软件的加密保 第二章基于嵌入式的石油测井系统设计旦 护模块，实现对系统软件的保护。 近几年来科学技术迅猛发展，出现了通用串行总线( u 1 1 i v e r s a ls e r i a lb u s ，简称 u s b ) 技术嘲。u s b 最大的特点就是易于使用、数据传输速度快、成本低廉。所以 本文采用u s b 接口技术，极大的提高系统与主机之间的通信性能。 2 4系统的软件设计 在嵌入式系统的设计中，软件部分的设计是举足轻重的。在本系统的设计中， 极大的简化了硬件电路的构成，对于不同通路的信号，只需改变相应的软件函数， 就可对这个信号作相应的处理。也就是说将原来用电路构成的模拟滤波等信号处 理方式运用软件的数字信号处理方法来处理，保持了硬件平台的一致性，对于不 同的或者是新增的信号，我们只需编制相应的信号处理函数，就可以顺利的对信 号进行处理，不仅使得目前仪器的体积大大减小，也使得仪器的通用性大大的提 高了。 在本设计中，除了信号处理函数外，还需要编写对于系统的整个工作流程控 制的进程，用以对不同通路的信号逐次选通，并对不同的信号进行自动增益控制， 最后通过a d 对信号进行采集。 本系统可以选用时间中断方式或者深度中断方式，当中断信号来到后，a r m 接受中断，并开始执行中断服务程序，中断服务程序需要将系统中的各个数据和 时间信息或者深度信息打包，通过u s b 接口送往主机。 对于和井下仪器通信的编码信号部分，由于经过了长距离的电缆信道的传输， 编码信号会产生较大的畸变，所以本设计没有直接对编码信号进行接收解码，而 是经过高速采样对其进行采集后由处理器进行数字滤波的处理，之后对经过处理 的数据再进行解码的运算，进而恢复出所接受到的编码信号。同样在向井下仪器 发送数据时需要把发送的数据编码成为相应的格式。 2 5可编程逻辑器件的设计 p l d 器件经历了从可编程逻辑阵列( p l a ，p m 伊a m m a b l el o 西ca m y ) 、通 用阵列逻辑( g a l ，g e n e r i ca r r a yl o 百c ) 等简单形式到现场可编程门阵列( f p g a ， f i e l dp m g r 锄m a b l eg a t ea r r a y ) 和复杂可编程逻辑器件( c p l d ，c o m p l e x p r o g r a m m a b l el o 萄cd e v i c e ) 等高级形式的发展，其广泛的使用简化了电路设计， 降低了成本，提高了系统可靠性，而且给数字系统命性的变化【4 j 。 在本设计中采用了a l t e r a 公司的e p l c 2 0 f 4 0 0 1 7 器件进行逻辑电路设计。 其主要功能要求为： 基于嵌入式的石油测井仪器的研究 l 、对于外部设备传送来的脉冲信号进行正确的接收以及计数工作，可由 a r m 处理器读取结果并最终送入p c 机。 2 、对于深度信号进行计数工作，并将计数值映射为实际的深度数值。同时根 据两路深度信号的相位差来判断目前测井电缆是处于上提过程中还是下 方过程中。 3 、在该系统中，要求设计有显示数据的面板。面板的显示由l e d 显示器构 成，由f p g a 完成对l e d 显示器的显示控制，将需要显示的数据送入l e d 进行显示。 4 、面板上需要有对显示功能选择用的按键，由f p g a 负责接收按键信号， 根据输入的信号进行相应信息的显示。 5 、由于机械触点的弹性作用，一个按键开关在闭合时不会马上稳定地接通，在 断开时也不会一下子断开。因而在闭合及断开的瞬间均伴随有一连串的抖 动。抖动时间的长短由按键的机械特性决定，一般为5 m s l o m s 。在本设 计中，使用v e r i l o gh d l 语言在f p g a 上实现了按键消抖处理。 第三章系统硬件设计 第三章系统硬件设计 3 1 多参数测井仪器硬件总体设计 现有的多参数测井系统硬件设计集成度不高，多数处理使用硬件实现。虽然 各路信号处理的电路比较清晰，但是由于本系统所侦测的信号比较多，故显得系 统比较繁杂庞大。 如图3 1 所示，多路模拟信号的采集部分给每一路信号都有一个单独的信号 采集通路，用来对于不同性质的信号进行处理和采集工作，最后将采集到的信号 样值直接由单片机存储或者传送给p c 机使用。可以看出虽然每一路信号的处理 过程不是很繁琐，但是由于模拟信号有8 路之多，使得前端对模拟信号的处理电 路显得过于庞大，不利于仪器的小型化。 图3 1 现有的多参数测井系统的模拟信号处理部分 在实际的测井过程中，不同的环境可能会用到不同的编码信号。因此在系统 中有多种不同的编码信号，如p c m 编码信号、m a l l c h e s t e r 编码信号等不同的信 号【9 】。在现有的一些系统的设计中，需要给每一种编码信号的专用解码板配有专 用接口，在我们实际测井过程中可以根据每个油井具体的需要选用不同的子板。 现有编码信号的解码子板的框图如下图3 2 所示： 1 4 基于嵌入式的石油测井仪器的研究 图3 2 现有编码信号的信号处理通路框图 另外，系统中还有不同的脉冲信号。对于每路的脉冲信号，现有设备的方案 是每路信号配有自己的计数器芯片，由单片机对各个计数器进行读取以取得脉冲 计数值。硬件框图如图3 3 所示： 单片机 图3 3 现有脉冲信号通路的硬件框图 综上所述【”，可以看到现有的系统的设计对模拟信号的处理多采用电路构成 的模拟滤波。不同的信号通路选用不同的电路构成需要的模拟滤波器等电路。 对于编码信号多采用专用的编解码芯片，专用的编解码芯片的应用相对比较 简单，功能也相对比较完善。不过由于它是专用芯片，采购很不方便，而且价格 也很贵【2 7 1 ，对于价格敏感的市场来说，这可不是一个优点。再者，不同的编码信 号需要有不同的子板，无法提高设备的通用性。 脉冲信号的处理与模拟信号的缺点相似，虽然电路不是非常复杂，但是由于 信号数目的限制，处理电路在体积上还是难以缩减。 本系统的硬件设计特点是使得多个通路的信号复用一个信号采集处理的通 路，相比现有的技术方案减少了硬件的信号处理电路，并将各个通路复用为一个 通路实现采集，处理等功能。具体的硬件框图如图3 4 所示： 第三章系统硬件设计 多 图3 4 系统硬件整体框图 与上述的现有的设备相比较，本系统的硬件架构非常的简洁。本设计的主要 思想是搭建通用的信号采集通路，通过时分复用的方式对多路不同的信号进行采 样，对于各路信号需要不同的处理，可以在嵌入式系统中运行不同参数的处理函 数来满足系统的要求。 3 2 1删处理器简介 3 2 删处理器技术 a r m 【5 1 系列处理器是英国a d v a l l c el u s cm a c h i n e 公司的r j s c 计算机产品， s c 精简指令集计算机是在原有的复杂指令集计算机的基础上提出的一种新的 计算机体系结构。删的成功在于它极好的性能以及极低的功耗。目前删微 处理器己遍及工业控制、消费类电子产品、通信系统、无线网络产品等各类市场。 基于4 r m 的微处理器应用约占了3 2 位m s c 处理器7 5 以上的市场份额，a r m 技术正逐步渗入到社会生活的各个方面【5 】。 a r m 微处理器目前主要包括以下几类： a 刚7 系列 a r m 9 系列 基于嵌入式的石油测井仪器的研究 a r m 9 e 系列 删1 0 e 系列 s e c u 疋o r e 系列 h l t e l 的x s c a l e i i l t e l 的s n d n 砻删 它们除了具有a r m 体系结构的共同特点以外，每一个系列的a r m 微处理 器都有各自的特点和应用领域。比如删7 系列微处理器为低功耗的3 2 位r j s c 处理器，最适合用于对价位和功耗要求较高的消费类应用，而a r m 9 系列微处理 器则在高性能和低功耗特性方面提供最佳的性能。 本文所选用的方案是删9 系列的处理器因此在这里简单介绍下它的特点。 删9 是1 1 m i p s 巾订h z 的哈佛结构处理器，具有5 级整数流水线，这使得 它的指令执行效率更高。 支持3 2 位a r m 指令集和1 6 位1 1 1 啪b 指令集和3 2 位的高速a m b a 总 线接口。 还支持数据c a c h e 和指令c a c h e ，因此具有更高的指令和数据处理能力。 最重要的是它全性能的m m u 还支持多种实时的嵌入式操作系统以适用 于不同的应用场合。 删处理器共有3 7 个寄存器，3 1 个通用寄存器，包括程序计数器( p c 指 针) ，均为3 2 位的寄存器，还有6 个状态寄存器，用以标识c p u 的工作状态及程 序的运行状态，也全为3 2 位，它们被分为若干个组( b a n k ) ，目前6 个状态寄 存器中只使用了其中的一部分。同时，a r m 处理器又有7 种不同的处理器模式， 在每一种处理器模式下均有一组相应的寄存器与之对应。即在任意一种处理器模 式下，可访问的寄存器包括1 5 个通用寄存器( r o r 1 4 ) 、一至二个状态寄存器 和程序计数器。在所有的寄存器中，有些是在7 种处理器模式下共用的同一个物 理寄存器，而有些寄存器则是在不同的处理器模式下对应不同的物理寄存器。除 a r m 微处理器核以外，几乎所有的a i t m 芯片均根据各自不同的应用领域，扩展 了相关功能模块，并集成在芯片之中，我们称之为片内外围电路，如u s b 接口、 i i s 接口、l c d 控制器、键盘接口、r t c 、a d c 和d a c 、d s p 协处理器等，设计 者应分析系统的需求，尽可能采用片内外围电路完成所需的功能，这样既可简化 系统的设计，同时又提高了系统的可靠性【6 1 哪。 本设计是基于嵌入式系统的设计和开发。将嵌入式技术融入到本设计当中可 以极大的提高系统的集成性。嵌入式系统的硬件是以嵌入式处理器为核心，配以 必要的外围接口部件。嵌入式处理器的选择在嵌入式系统设计中处于核心位置， 应尽可能的选择适合于系统功能的处理器芯片，以最小的外围部件构成一个应用 系统。 第三章系统硬件设计 在本设计系统中，处理器需要做的工作不仅仅是控制整个系统的工作，它同 时还要肩负对于各个通路的信号处理的工作。这样就涉及到运算量较大的数字信 号处理的工作。所以在我们的系统中，如果单独使用一片a r m 芯片进行控制和 数据处理，则势必会影响到整个系统的实时性；如果在a r m 芯片主控的基础上 加上一片专用d s p 芯片，可以解决上述的问题，但是d s p 上运行的数据处理程 序和删上运行的程序必须分开编写和调试，这样一来会使系统的复杂度和成 本大幅度升高。 基于对以上因素的考虑，如果能在一个片上兼顾二者功能的芯片将会是非常 理想的选择。凌云逻辑( c i r r i l sl o 画c ) 公司的e p 9 3 1 2 在这一点上恰好满足了我 们的需求。它是一款以a r m 9 2 0 t 为内核的、工作主频为2 0 0 m h z 的高性能嵌入 式微处理器，它内部集成了一个m a v e r i c kc r i l i l c h 数学协处理器，当对数字音频 进行编码解码、执行工业控制运算以及其他运算密集型计算何数据处理时，可以 显著的提高处理器性能，十分符合在本设计中的应用需求。 3 2 2e p 9 31 2 处理器简介 凌云逻辑( c i n l l sl o g i c ) 公司的e p 9 3 x x 系列处理器以其最优化的片上性能 和极具有吸引力的价格定位，正在快速的占领日扩大的消费类、商用和工业产品 等嵌入式微处理器市场1 2 1 。 e p 9 3 1 2 【5 1 作为e p 9 3 x x 系列的集成度最高的s o c ( 片上系统) 处理器，具有 高速的内核频率以及包括i d e 接口的丰富的外围电路。 它的主要特性如下： 2 0 0 m h z 的a r m 9 2 0 t 内核的处理器： 1 6 k b 指令c a c h e 和1 6 k b 的数据c a c h c 。 内嵌m m u ( 内存管理单元) ，支持l i n l l ) 【w n d o w sc e 等嵌入式操 作系统。 具有1 0 0 m h z 的高速的系统总线频率。 m a v e r i c kc n l i l c h 数学协处理器，支持浮点、整型和信号处理指令。 集成了多种外围接口 多达4 组的3 2 位s d r a m 接口。 3 2 1 6 8 位的s r a m 佰l a s h 瓜0 m 接口。 1 1 0 1 0 0 m b d s 的以太网控制器。 带a d c 的触摸屏接口。 片内b o o t r o m 。 多个定时器。 基于嵌入式的石油测井仪器的研究 可由软件调节的r t c 。 支持i r q 和f i q 。 图3 5 e p 9 3 1 2 的内部结构 3 3 3删处理器部分电路的构成 本节介绍在本系统中a r m 相关的硬件电路设计。 嵌入式系统是基于特定应用的专用计算机系统，这就决定了嵌入式系统最大 的特点是差异性和专用性，即应用于不同领域的嵌入式设备和产品，无论是从外 观、功能、成本和体积上看，都有着很大的差别，同时，嵌入式设备和产品在功 能上绝不追求大而全，相反，由于受到成本、功耗、体积等因素的制约，绝大多 数嵌入式设备和产品是“够用就好”。 根据本设计的需要，a i t m 处理器硬件结构设计如图3 6 所示： 第三章系统硬件设计 e p 9 3 1 2 1 9 图3 6a i t m 部分硬件结构框图 各部分基本功能描述如下： j t a g 调试接口可对芯片内部的所有部件进行访问，通过该接口可对系统 进行软、硬件调试和编成等。 s d r a m 存储器为系统程序的运行空间，系统及用户数据、堆栈均位于 s d r a m 存储器中。 f l a s h 存储器可用于存放用户应用程序、嵌入式操作系统以及其他在系 统掉电后需要保存的用户数据等。 主晶振为系统提供工作时钟，通过片内p l l 电路倍频为微处理器核和其 他功能部件的工作时钟。 r t c 晶振专为片内的r t c ( 实时时钟) 电路提供工作时钟。 启动配置电路可以使e p 9 3 1 2 处理器完成灵活的系统启动功能。 电源电路为5 v 3 3 v 和5 v 乙1 8 v 的转换器，用于给芯片的内核以及外围 电路的供电。 系统状态指示电路由芯片引脚外接的两个l e d 组成，由于指示系统的工 作状态。 复位电路可以完成系统上电复位和在系统工作时用户按键复位。 在此，对本系统所选用的一些器件和电路的设计作一定的介绍。 系统的电源电路，采用7 8 0 5 进行d c1 2 v 到d c5 v 的转换，分别采用 l m l l 7 1 8 v 和l m l l 7 3 3 v 芯片完成系统的d c5 v 到d c1 8 v 和d c3 3 v 的转 换。 基于嵌入式的石油测井仪器的研究 如上所述，系统中需要两个无源晶振作为系统的工作时钟，其中主晶振频率 为1 4 7 4 5 6 m h z ，经过a r m 芯片内部的p l l 电路倍频放大后作为c p u 及总线的 工作时钟和片内功能模块的工作时钟。由于片内的p l l 电路兼有频率放大和信号 提纯的功能，因此，系统可以以较低的外部时钟信号获得较高的工作频率，这样 一来，可以降低因高速开关时钟所造成的高频噪声，这种方法在目前的a r m 微 处理器系统中也经常被采用。另外由3 2 7 6 8 k h z 的晶振为片内的r t c 时钟提供工 作时钟。 e p 9 3 1 2 有上电复位和用户复位两个中复位方式，分别对应芯片的p r s t n 引 脚和r s t n 引脚。二者都是低电平有效，本设计中选择m a x 7 0 8 作为系统的复位 控制。 本系统中选用的f l a s h 存储器为i n t e l 生产的e 2 8 f 1 2 8 j 3 ，其基本特性如下： 他是基于n o r f l a s h 技术的3 vs t m t e f l a s h 高密度f l a s h 存储器系列中的一 款，支持8 1 6 位操作模式，单片容量为1 6 m b ，按1 2 8 个可擦除的存储块组织， 每块容量1 2 8 k b 。本设计中e 2 8 f 1 2 8 j 3 工作在1 6 位模式，选用了两片e 2 8 f 1 2 8 j 3 进行位扩展成为3 2 位供a r m 处理器使用。 我们选用s 舢s l 丌、i g 公司的k 4 s 5 6 1 6 3 2 作为系统的s d r a m 芯片，它是4 m 1 6 位4 组方式组织，单片存储容量为3 2 m b ，工作电压为3 3 v 。本设计同 样使用两片进行位扩展成为3 2 位的s d r a m 存储器。 3 3前端多路选通模块设计 如前所示，本系统利用了多路选通开关，将多路信号的采集复用到一个通路 上来，这样一来可以大大的减小了系统的电路尺寸。 在本设计中将多路的模拟信号和高速的编码信号时分复用的送入高速a d 中 去进行采样。 设计思想如下： 将八路的模拟信号送入多路复用器a d g 4 2 8 的输入，由删控制其轮流选 通，每次由a d g 4 2 8 选通一路模拟信号输入到下一级的二选一的多路复用器 a d g 4 1