（检测技术与自动化装置专业论文）多功能测井仪器维修平台的研制.pdf

鱼i 近运厶堂鳢：匕堂位i 金窑趱璺 摘要 随着计算机技术、测试测量技术的飞速发展，虚拟仪器技术正被广泛的应 用于很多领域，是未来测试测量仪器的发展方向，应用虚拟仪器技术使得仪器的 体积越来越小、精度越来越高、功能越来越强、仪器开发与升级的成本越来越低 本文在分析大庆测井公司仪器检修设备现状、测试测量技术发展情况的基础 上，结合虚拟仪器技术与传统的测试测量技术，以现场使用需求为出发点，开发 研制一套多功能测井仪器校验维修平台，用计算机软件代替传统硬件，实现测井 仪器校验和数据分析与显示功能，改变测井仪器校验设备功能单一、种类多、精 度差、不能升级的缺点，对测井仪器校验设备的升级换代具有一定的意义 本文在硬件上，设计了维修平台的通用采集箱体电源转换、仪器刻度换档 等通用硬件模块及快速校验仪器的简易模块，软件部分应用l a b v i e w 图形化编 程语言，设计了专用测井仪器校验模块和通用测试模块( 包括虚拟示波器，虚拟 信号发生器、频谱分析仪、相位差检测仪等) 该平台系统功能全面、操作简单、精度高、易于操作、易于升级测试结 果表明，本平台能够完成多种测井仪器校验和信号分析的功能，具有一定的实用 价值。 关键词：测井仪器，虚拟仪器，l a b v i e w 鱼浙江本堂亟土堂位论塞旦墨盟i a b s t r a c t a st h ef a s td e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g ya n dt e s t i n gt e c h n o l o g yv i r t u a l i n s t r u m e n tt e c h n o l o g yi sb e i n ga p p l i e di nm u c hf i e l d i ti st h ed e v e l o p m e n tt r e n do f t e s t i n gi n s t r u m e n t s i nt h ef u t u r e a p p l y i n gv i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g yc a n d e c r e a s e st h e s i z e , i m p r o v e s t h e p r e c i s i o n ，s t r e n g t h e n st h e f u n c t i o no ft h e i n s t r u m e n t s i tc a nd e c r e a s et h ep r i c eo fd e v e l o p m e n ta n du p g r a d eo ft h ei n s t r u m e n t s t h i sp a p e ra n a l y z e dt h es t a t u so ft h et e s t i n ga n dm a i n t e n a n c ee q u i p m e n ti nw e l l l o g g i n gc c o m p a n ya n dt h ed e v e l o p m e n to ft e s t i n gt e c h n o l o g y i n t e g r a t i n gt h ev i r t u a l t e c h n o l o g ya n dt r a d i t i o n a lt e s t i n gt e c h n o l o g y ，as e to fm u l f i f u n c t i o n a lw e l l l o g g i n g t o o l sm a i n t a i nw o r k b e n c hs t a r t i n gf r o mt h ed e m a n do fo i lf i e l di sd e v e l o p e d i t r e a l i z e st e s t i n gw e l ll o g g i n gt o o l sa n da n a l y s i s i n ga n dd i s p l a y i n gf u n c t i o nw i t ht h e s u b s t i t u t i o no fc o m p u t e rs o , w a r ef o rt r a d i t i o n a lh a r d w a r e i tc h a n g e st h es h o r t a g eo f s i m p l ef u n c t i o n ，m a n yk i n d s ，l o wp r e c i s i o n ，n ou p g r a d eo fw e l ll o g g i n gt o o l st e s t i n g i n s t r u m e n t s i th a sm u c hs i g n i f i c a n tt ot h eu p d a t ew e l ll o g g i n gt o o l st e s t i n g i n s t r u m e n t s o nt h eh a r d w a r ed e s i g nt h ep a p e rd e s i g n sc 0 1 d a ：1 1 0 na c q u i s i t i o nb o x ，p o w e rc h a n g e m o d u l e ，c a l i b r a t i o nm o d u l eo ft o o l sa n ds i m p l ym o d u l ef o rt e s t i n gw e l ll o g g i n gt o o l s f a s ti nt h ef i e l d o nt h es o f t w a r ed e s i g n ，t h es p e c i a lw e l ll o g g i n gt o o l st e s t i n g m o d u l ea n dc o m m o nt e s t i n gm o d u l es u c ha sv i r t u a l o s c i l l o g r a p h , v i r t u a ls i g n a l g e n e r a t o r ，f i e q u e n c ya n a l y z e rc o r r e l a t i o na n a l y s i s ，p h a s ed i f f e r e n c et e s t i n gi n s t r u m e n t a r ed e s i g n e d t h ew o r k b e n c hs y s t e mi so fm o r cf u n c t i o n i ti se a s yt oo p e r a t ew i t hl l i 曲 p r e c i s i o n ，a n di ti se a s yt ou p g r a d e t h ee x p e r i m e n tr e s u l ts h o w st h a ti tc a nc o m p l e t e m a n y w e l ll o g g i n gt o o l st e s t i n ga n ds i g n a la n a l y s i sf u n c t i o na n di so fp r a c t i c a b l e v a u l e k e yw o r d s ：w e l l l o g g i n gt o o l s ，v i r t u a li n s t r u m e n t ，l a b v i e w 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得浙逛太堂或其他教育机构的学位或 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 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：签字日期：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浙望太堂 有权保留并向国家有关部门或机 构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权浙婆太堂 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 导师签名： 签字日期：年月日 签字日期：年月日 鱼逝江厶堂殛土堂位i 金空塾进 致谢 本文是在导师徐巍华副教授的精细指导下完成的。徐副教授一丝不苟、严谨 治学的工作作风使我深感钦佩，其渊博的专业知识和高深学术造诣更使我受益匪 浅。在此论文完成之际，谨向徐副教授致以衷心的感谢和崇高的敬意 同时非常感谢在攻读硕士研究生期间曾经关心、帮助过我的各位老师，以及 一起工作的同志们、一起攻读硕士研究生的同学们，正是由于他们的帮助，我才。 得以顺利完成硕士学位论文 张秋梅 2 0 0 9 年9 月 鱼浙江太堂硒堂位沦塞笙l 童结论 第1 章绪论 1 - 1 项目背景及研究意义 1 1 1 项目背景 大庆测井公司现有测井仪器几十种，每种仪器性能的好坏通常是用传统的校 验面板来检验，每种仪器对应一种校验面板，这些面板功能单一、通用性差、精 度低、操作复杂，目前公司使用的仪器校验面板多达几十种，非常不便于保管和 维护随着我国测井技术的飞速发展，测井仪器的更新换代非常快而原有的 校验设备不具备升级功能，每更新一种测井仪器，原有的仪器检修设备就将被淘 汰掉而购置新的设备，经济上造成很大的浪费而且随着油田市场的不断开放， 外埠测井基地的数量不断增加，每增加一个外埠测井基地，就需要增加1 2 套 共几十种仪器校验及维修设备，不仅在经济上增加了很大的成本，而且在运输及 基地设备的保管维护上带来了很多问题随着测井仪器的升级，对通用测试设备 如示波器、信号发生器等精度的要求越来越高，因此，不论是传统测井仪器校验 面板的购置，还是通用测试测量设备的升级，都在经济上给测井公司造成更大的 压力。目前公司面临测井仪器校验及信号分析设备不足、精度低、种类繁杂等诸 多问题。 随着计算机技术、测试测量技术的飞速发展，虚拟仪器技术正被广泛的应用 于很多领域，是未来测试测量仪器的发展方向n 1 应用虚拟仪器技术可以使仪器 的体积越来越小、精度越来越高、功能越来越强、仪器开发与升级的成本越来越 低。 1 1 2 研究意义 本文应用虚拟仪器技术与传统测试技术相结合，研制了一套集成通用测试测 量设备与专用测井仪器校验设备于一体的多功能维修平台，满足了实际维修工作 的需要该平台的成功研制，改变了仪器维修中需使用多种校验面板，而且精度 不高的现状，不仅解决了测井公司急需测井仪器校验及信号分析设备的问题，还 为公司节省了大量购置仪器校验及维修设备的资金该平台精度高，操作方便， 有利于提高仪器维修质量。同时，该平台的成功研制，是虚拟仪器技术在测井仪 器测试系统方面的成功应用，对测井仪器校验设备的升级换代具有一定的意义 鱼逝江厶堂亟上堂位论空整! 童绪论 1 2 研究目的和研究内容 本文的目的是研制一套多功能测井仪器维修平台，集专用测井仪器的校验与 通用测试设备的功能于一体，达到高度集成、高精度、操作简单、易于升级的目 的。 本文通过分析大庆测井公司仪器校验设备及信号分析设备现状及测试技术 的发展趋势，应用虚拟仪器技术完成软件部分，实现了软件就是仪器的思想本 文主要研究内容： 在硬件设计上，设计了维修平台的通用采集箱体、信号接入和调理电路，电 源转换，仪器刻度换档等通用硬件模块及快速校验仪器的简易模块 软件部分应用图形化编程语言l a b v i e w ，设计了专用测井仪器校验模块和 通用测试模块( 包括虚拟示波器、虚拟信号发生器、频谱分析仪、相位差检测仪 等) 模块 各部分功能实现、数据测试及结论 1 3 设计总体方案 整个系统包括采集箱体和电脑两部分。在采集箱体中集成了硬件电路部分， 完成供电电源转换、刻度换挡电路、信号接入与调理等通用电路，软件部分采用 虚拟仪器技术，完成专用测井仪器校验模块的设计、通用测试测量模块的设计， 这部分用l a b v i e w 完成总体结构如图1 1 - 供 刻 采样垄 ! 制 电变 广一一 l 跨转 i 决换 i v 仪器信号l - _ l “”信 信 i 信号采集f 测试信号 号 - _ 号 、 卜 接 调 - 及处理i l 理 - ， 入 模块化硬件 2 图1 1 总体结构 软件部分应用模块 啪 兰i 型麴逢厶堂硒：堂位论塞 釜l 重缝j 金 采集箱体是交( 直) 流供电、刻度转换电路、信号接入、信号调理、通信接 口的载体。在箱体设计上，考虑测井仪器连接接口上的通用性，采用测井仪器通 用接口，满足电法、声法、放射性三大类仪器的快速连接。为实现现场快速校验 测井仪器的功能，设计了基本的模拟仪器校验的功能，不连接计算机就能对5 2 1 系列测井仪器及其它一些常用仪器进行快速校验，初步判断仪器的使用状态。通 信接口设计上，考虑到目前采集设备的现状及发展方向，设计了u s b 接口 硬件部分集成在测井仪器维修平台箱体内完成，包括供电选择转换、换档刻 度转换、信号采集、信号调理等为便于在野外现场应用及快速校验仪器，设计 了手动和计算机采集两种方式，在不与计算机连接的情况下，可以替代目前使用 的5 2 1 系列所有仪器的校验面板及所有放射性系列仪器校验面板的部分功能。能 快速对测井仪器进行校验 硬件电路设计方案原理图如图1 2 所示： 图1 2 硬件原理图 信号接入分两大部分，一是直接从测井仪器传上来的需校验的信号，二是在 检测时输入的测试信号。而根据仪器维修的实际需要，把需要校验的模拟信号分 成两大类：( 1 ) 模拟电压信号：如模拟信号的5 2 1 双感应球形聚焦测井仪器，5 2 1 微球测井仪等模拟仪器传出的信号这类信号我们知道其频率信息、幅度信息、 组成成分等因此，这类信号可以通过a d 来完成采集。( 2 ) 脉冲信号：其脉冲 数量已知的信号这类信号可以通过“定时计数器”来处理，如5 2 1 补偿中子、 5 2 1 补偿密度、5 2 1 伽马仪器等测井仪器的输出信号硬件部分在采集软件的控 制下，完成对信号的采集和处理。 兰i 型逝延厶堂亟；i ：堂位i 金塞 簋l 童绪论 软件部分是维修平台的核心部分。利用虚拟仪器技术完成各功能模块首先 通过采集控制软件对采集过程进行控制，为保证采集到真实的信号，本文采用自 动采样频率控制技术、动态采样精度控制技术和队列采样过程控制技术控制硬件 系统对信号的采集和处理通过软件来实现参数计算、专用测井仪器校验及各种 分析、显示、存储和打印等各种功能。通用测试模块部分设计了虚拟示波器、虚 拟信号发生器等。软件开发环境利用了l a b v i e w 图形化开发环境。 1 4 虚拟仪器技术介绍 测试测量仪器的发展经历了模拟仪器、分立元件式仪器、数字化仪器、智能 仪器和虚拟仪器四个阶段与传统仪器相比较，虚拟仪器的突出优点在于软件， 也就是软件是虚拟仪器的核心，印。软件就是仪器”虚拟仪器用户可以根据自 己的需要灵活地定义仪器的功能，通过不同功能模块的组合可构成多种仪器，而 不必受限于仪器厂商提供的特定功能d 1 仪器性能的改进和功能扩展只需相关软 件更新，而不需要购买新的仪器，虚拟仪器通过软件功能来实现数据采集与控制、 数据处理与分析及数据的显示这3 部分的物理功能其充分利用计算机系统强大 的数据处理能力，在基本硬件的支持下，利用软件完成数据的采集、控制、数据 分析和处理以及测试结果的显示等，通过软，硬件的配合来实现传统仪器的各种 功能。利用虚拟仪器技术开发的仪器升级比较容易 虚拟仪器具有传统仪器的功能，又有别于传统仪器h 1 它的特点体现在其灵 活性上，它能够充分利用和发挥现有计算机先进技术，使仪器的测试和测量及自 动化工业的系统测试和监控变得异常方便和快捷 虚拟仪器与传统仪器相比较有几个特点： ( 1 ) 传统的电子仪器是自封闭的系统，它具有信号输入、输出的能力，并有 固定的用户界面。它的操作显示面板只有一个，在面板上布置种类繁多的显示与 操作元件而且，操作面板已经确定，用户不能任意更改，如果按照用户的要求 更改功能，价格会很昂贵，周期也会很长与其他仪器设备的连接十分有限而 虚拟仪器则可以通过几个不同的面板的操作来实现比较复杂的功能它的功能可 由用户自己定义，同时，虚拟仪器面板上的显示元件和操作元件的种类与形式不 4 堡蔓越互古茎凰龇j “置苴盈 受标堆件或加工工艺限制，而是由用户通过编程来实现，设计者可以通过用户的 功能要求和操作要求设计和修改面板虚拟仪器是面向应用的系统结构，可以方 便地与外谩网络或其它应用设备连接 ( 2 ) 在通用硬件平台确定后，用软件取代传统仪器中的硬件柬完成仪器的各种 功能仪器的功能完全由用户通过设计软件来定义，而不是像传统仪器那样，由 厂家事先定义。在设计方案的论证过程中对于一种设计要求，可能有各种不同 的实现方法，用基本硬件和基本软件组合的虚拟仪器可方便地实现各种方法，以 比较各个方案的优缺点，而用传统的仪器设计，费用会很高 ( 仪器性能的改进和功能扩展只需相关软件更新，而不需要购买新的仪器 升级比较容易，研制周期较传统仪器大大缩短，成本太大减少 ( 4 ) 虚拟仪器技术更新快，它的发展能够与计算机技术的发展屑步，与阿络设 备互联。 可以看出，与传统仪器相比较，虚拟仪器的关键部分在于软件，也就是软件 是虚拟仪器的核心，即“软件就是仪器” 虚拟仪器在工程中已经显现出突出的优势，也正被很多公司所青睐目前， 虚拟仪器技术已经广泛地应用于通讯产品制造、医疗器械测试以及军工产品开发 测试等领域行业遍及数据采集，信号调理、声音和振动测量、视觉运动、仪 器控制、分布武i o 及c a n 接口等工业领域，具体到航空、铁路、消费电子产品 制造甚至国家安全等多种领域在国内虚拟仪器技术已经逐渐被认可。图1 3 为 虚拟仪墨技术的使用领域的示意图： 黛蚋 z 田13 廑拱便器技术曲使用期域 鱼窆逝运厶堂亟上坐位论塞笙! 童缝论 1 5 虚拟仪器技术在测井行业中的应用 虚拟仪器技术在石油测试设备中应用前景很好1 测井行业是集成矿场地球 物理，软件、信号采集、信号分析、电子技术及机械工程等多种学科的高技术行 业，在数据采集、信号分析、仪器测试、岩石分析等工作中，都大量的会用到对 信号的采集与分析技术。在传统的工作中，如果需要进行某项特殊的测试或测量， 就需要按照使用要求设计制造能够满足某种功能的仪器( 设备) 。例如新的测井 仪器投产，需要设计新的地面采集系统和新的仪器维修校验设备，但是往往只能 是一种地面面板对应一种井下仪器“在设计新的仪器时，需要对仪器的所有电 性特征进行测试，而随着测试理论和要求的提高，往往以前的测试分析设备满足 不了当时的要求，而只能配备新的测试测量设备，无论从资金与技术上来说，都 不是理想的做法；在岩石物理实验方面，也会把相当的一部分精力用到了设计采 集设备上去，而缩减对岩石本身物理信息分析的时间；在通用测试测量设备上， 往往使用的是功能单一且无法升级的传统测试测量设备，这给测井仪器的维修、 检验特别是驻外埠测井基地的使用带来了不小的困难。 在对测井仪器数据的采集方面，测井仪器的信号可以分为两个大的类型 1 ： 一是模拟信号，包括模拟电压信号和模拟脉冲信号。模拟电压信号需要了解其频 率信息、幅度信息、相位信息等，这类信号可通过a d 来完成采集。模拟脉冲 信号需要了解其脉冲数量，这类信号可通过“定时计数器”来求得计数率或计 数值随1 。二是数字信号。指通过4 8 5 串行总线传输的信号或者某种编码方式传输 的信号一1 在对仪器电路测试方面，面对的测试对象是标准的电信号。而在岩石 物理实验方面，激励信号的产生、采集信号的调理与采集，都可以通过模块化的 “模块化硬件”来完成，要做的仅仅是设计所需要的“可重复配置的软件”系统， 来满足目前或者将来的需要。因此，虚拟仪器技术是完全可以应用在有关数据采 集、实验室分析、仪器设计、仪器维修等多个方面。 本项目是开发一套集成通用测试测量设备与专用测井仪器校验设备于一体 的多功能维修平台，满足测井井下仪器的维修与校验，同时集成更多的信号检测 与分析手段，以提高仪器维修水平功能全面且升级容易模拟信号采集与分析 部分采用虚拟仪器技术目前，开发虚拟仪器的工具有v 卅、v b 、m e a s u r o n e n t s t u d i o 、l a b 、i n d o w s c v i ( 即c 内rv i r t u a li n s t r u m e n t s ) 、l a b v i e w 等，我们使用 6 一r n ! i 型逝江厶堂亟：i ：堂位j 幺奎笙l 要结论 的是l a b v i e w 图形化变成软件”们 1 6l a b v i e w 介绍 l a b v i e w ( l a b o r a t o r y v i r t u a li n s t r u m e n te n g i n e e r i n gw o r k b e n c h ，实验室虚 拟仪器工作平台) 是一个程序开发环境，是美国n l 公司( n a t i o n a li n s t r u m e n t c o m p a n y ) 推出的基于g 语言的虚拟仪器软件开发工具，是一种图形化的编程语 言的开发环境，其编程过程就是通过图形符号描述程序的运行。l a b v i e w 使用 数据流编程模式，它能使用户从基于文本程序语言的循序结构中解脱出来，它的 执行循序是由节点间的数据而不是由文本行的循序决定的并且，l a b v i e w 是 唯一具有编译器的图形化程序环境l a b v i e w 有非常丰富的数据分析处理，数 学计算函数库，它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，视为一个标准 的数据采集和仪器控制软件利用它可以构成任意形式的虚拟仪器，l a b v i e w 分析库大约有2 3 0 多个数据分析和数学计算库函数，包括测量、信号生成、窗口 滤波、统计、信号处理、曲线拟和、线性代数、和数学等。因此，l a b v i e w 具 有强大的数据采集、数据分析和计算功能，加上与之配套的一系列工具软件，基 本上可以构成任何复杂的虚拟仪器。l a b v i e w 集成了与满足g p i b ( 通用接口总 线) 、v x i ( 系统控制接口) 、r s - 2 3 2 和r s - 4 8 5 协议的硬件及数据采集卡通讯的 全部功能。它还内置了便于应用t c p i p 、a c t i v e x 等软件标准的库函数。这是一 个功能强大且灵活的软件由于在这个环境下开发测试测量仪器只需数据采集卡 或数据采集设备，而仪器的所有功能都由软件来实现，因而有着很高的效率和很 低的成本。正因为如此，目前航空、通讯、军事、天文及测控领域得到了广泛的 应用。利用它可以方便地建立自己的虚拟仪器，其图形化的界面使得编程及使用 过程都生动有趣。l a b v i e w 具有开放的环境，能和第三方软件轻松连接，通过 l a b v i e w ，用户可以在l a b v i e w 中创建能在其软件环境中调用的独立执行程序 或动态连接库。在设计集成系统中，特别是做硬件数据采集，仪器控制等，有一 套快速开发组件，从而大大缩短了系统的开发周期，这是其它开发平台所没法比 较的t i t - t 4 l a b v i e w 类似于c 、b a s i c 但l a b v i e w 的特点在于，它使用图形化编程 语言g 在流程图中创建源程序，而非使用基于文本的语言来产生源程序代码 虽然l a b v i e w 是一个通用编程系统，但是它也包含为数据采集和仪器控制特别 7 n ! i 型堑匹叁堂亟土堂位论塞 筮l 童结i 金 设计的函数库和开发工具l a b v l e w 程序被称为虚拟仪器( v l s ) ，是因为它们 的外观和操作能模仿实际的仪器由于l a b v i e w 所使用的术语、图标和概念都 是技术人员、科学家、工程师所熟悉的，故而即使用户没有多少编程经验，同样 也能利用l a b v i e w 来开发自己的应用程序 该图形化编程环境包含前面板、流程图、图标和连接在软件启动时，系统 会建立一个缺省名为u n t i t l e d 1 的文件( v i ) 。该文件包含两个窗口，一个用以编 辑前面板，另一个用作编辑流程图。创建虚拟仪器的过程共分三步：( 1 ) 前面板 设计( 2 ) 流程图设计( 3 ) 图标连接器。 虚拟仪器的交互式用户接口被称为前面板，尤如实际仪器的面板前面板基 本上是控制和显示对象的集合。用以控制模拟仪器输入设备，为虚拟仪器的流程 图提供数据显示模拟仪器的输出设备及流程图中获得或产生的数据程序前面 板用于设置输入数值和观察输出量，用于模拟真实仪表的前面板可在计算机屏 幕上观看结果。在前面板上，输入量被称为控制( c o n t r o l s ) ，输出量被称为显示 ( i n d i c a t o r s ) 控制和显示是以各种图标形式出现在前面板上，如旋钮、开关、 按钮、图表、图形等，这使这得前面板直观易懂。 虚拟仪器从流程图中接收命令。每一个程序前面板都对应着一段框图程序， 流程图是一个编程问题的图形化解决方案。流程图也是虚拟仪器的源代码框图 程序由端口、节点、图框和连线构成。其中端口被用来同程序前面板的控制和显 示传递数据，节点被用来实现函数和功能调用，图框被用来实现结构化程序控制 命令，而连线代表程序执行过程中的数据流，定义了框图内的数据流动方向。流 程图窗口用以编辑虚拟仪器的图形化源代码。通过连线将输出、接收数据的对象 连接起来创建流程图，就能实现特定的功能，控制执行的流程。需特别指明的是： l a b v i e w 运行是数据流驱动的。简单地说，就是只有当所有的输入数据都准备 好的时候，一个节点才能执行其功能，当节点执行完后，它所有的输出端i = i 都会 产生一个数据值数据都是从源端流到目的端数据流不同于执行一个传统程序 的控制流方法( 通过执行一系列的指令来实现的) 控制流执行是指令驱动而 数据流执行是数据流驱动或依赖数据的这里提到的节点是程序执行的元素它 们类似于传统编程语言中的状态、操作、函数和子程式l a b v l e w 包含广泛用 于数学计算、比较、转换，输入输出的函数库另一类节点类型是结构结构 墅塑逝江厶堂鲤! ：堂位i 金塞筮l 童绪淦 就是传统编程语言的循环、条件描述的图形表示，不断的重复和执行代码 l a b v i e w 也提供了用于连到外部基于文本的代码和用于计算基于文本的公式的 特殊节点 一个虚拟仪器的图标和连接器就象一个图形( 表示某一虚拟仪器) 的参数列 表。图标连接器是子v l 被其它调用的接口，其它的虚拟仪器才能将数据传 输给一个子仪器。图标是子v i 在其他程序框图中被调用的节点表现形式；而连 接器则表示节点数据的输入输出口，就象函数的参数。用户必须指定连接器端 口与前面板的控制和显示一一对应图标和连接允许将此仪器作为最高级的程 序，也可以作为其它程序或子程序中的子程序( 子仪器) 。当一个虚拟仪器的图 标被放置在另一个虚拟仪器的流程图中时，它就是一个子仪器或说是l a b v i e w 的一个子程序子仪器的控制和显示对象从调用它的仪器流程中获得数据，然后 将处理后的数据返回给它。连接是对应于子仪器控制和显示对象的一系列连线端 子图标既包含虚拟仪器用途的图形化描述，也包含仪器连线端子的文字说明。 连接更象是功能调用的参数列表。连线端子就是类似于参数。每个终端都对应于 前面板的一个特别的控制和显示对象。连接从它的输入连线端子接收数据，然后 通过子仪器的控制对象将数据传输给子仪器的代码。每个虚拟仪器都有一个缺省 的图标，位于两个窗口的右上角当然，图标可根据用户的需要进行修改。每个 虚拟仪器都有一个连接。在前面板的仪器图标上右击鼠标，选择s h o wc o n n e c t o r ， 即可看到该仪器的具体连接。第一次显示时，会有缺省的模式若用户想修改， 则可选择p a t t e r n 或u s e r e m o v et e r m i n a l 来进行新的模式设置。 l a b v i e w 提供了三个模板来编辑虚拟仪器：工具模板( t o o l sp a l e t t e s ) 、控 制模板( c o n t r o l sp a l e t t e s ) 、功能模板( f u n c t i o n sp a l e t t e s ) 。工具模板提供用于图 形操作的各种工具，诸如移动，选取，设置卷标、断点，文字输入等等。控制模 板则提供所有用于前面板编辑的控制和显示对象的图标以及一些特殊的图形。包 含许多不同的控制或功能子模板。通过这些控制或功能子模板可以找到创建程序 所需的面板对象和框图对象。功能模板包含一些基本的功能函数，也包含一些已 做好的子程序这些子程序能实现一些基本的信号处理功能，具有普遍性其中 控制、功能模板都有预留端，用户可将自己制做的子程序图标放入其中，便于日 后调用“卜1 引 9 鱼逝江厶堂亟上坐位硷奎筮l 童绪i 佥 1 7 本章小结 本章介绍了多功能测井仪器维修平台的项目背景，项目的研究意义以及研究 内容。提出了总体设计方案在本项目中使用虚拟仪器技术，用图形化编程语言 l a b v i e w 设计软件本章对虚拟仪器技术及其在测井行业的使用情况及 l a b v i e w 图形编程软件进行了详细的介绍。 l o 鱼逝婆厶堂亟：! ：堂丝i 金塞 笙2 童通用熊性鳆邀让 第2 章通用硬件的设计 2 1 采集卡的选取 随着虚拟仪器的发展，根据接口总线的不同开发了多种采集卡，常见的接口 方式有p c 总线接口、g p i b 总线方式、并行口，v x i 总线方式、p x i 总线方式、 u s b 总线接口方式【1 9 1 根据总线接口方式的不同，虚拟仪器可以分为以下几类： ( 1 ) p c d a q 系统 p c d a q 系统是以数据采集板、信号调理电路及计算机为仪器硬件平台组成 的插卡式虚拟仪器系统，这种系统采用p c i 或计算机本身的i s a 总线，它充分 利用计算机的总线，机箱、电源和软件的便利，将数据采集卡( d a q ) 插入计 算机的空槽中即可这类仪器受p c 机箱和总线的限制，机箱内部噪声电平较高， 插槽数目不多，插槽尺寸较小等缺点。但是这类采集卡价格便宜，用途也很广泛， 在很多场合一般都能胜任工作。是虚拟仪器中的比较廉价的方式。 ( 2 ) g p i b 系统 g p i b 系统是以g p i b 标准总线仪器与计算机为仪器硬件平台组成的虚拟仪器 系统。g p i b ( g e n e r a lp u r p o s ei n t e r f a c eb u s ) 接口是为了将一系列仪器设备和计算 机连成整体而设计的接口系统，通过g p i b 接口可以将若干台基本仪器和计算机 搭成积木式的测试系统，在计算机的控制下完成复杂的测量。g p i b 技术是i e e 4 8 8 标准的虚拟仪器早期的发展阶段典型的g p i b 系统由一台p c 机、一块g p i b 接 口卡和若干台g p i b 形式的仪器通过g p i b 电缆连接而成。在标准情况下，一块 g p i b 接口卡可带多达1 4 台仪器，电缆长度可达2 0 米。g p i b 技术可用计算机实 现对仪器的操作和控制代替传统的人工操作方式，可以很方便地把多台仪器组合 起来，形成大型自动测量系统g p i b 测量系统的结构和操作命令简单，造价较 低，主要在台式仪器市场，适合在要求高精度，但不要求对计算机高速传输的状 况下使用 ( 3 ) 并行口结构 并行口结构系统连接到计算机并行口，这类采集卡通常集成在一个采集盒里 鱼逝江太堂硒堂僮论塞筮2 童通用熊往鳆遨让 或者一个探头上软件装在计算机上，通常可以完成各种虚拟仪器的功能典型 产品有c o i n v 的i n v 3 0 6 系列和l i n k 公司的d s o 2 1x x 系列数字示波器。其 优点在于可以与笔记本计算机连接，方便野外作业，又可与台式计算机相连，实 现台式和便携式两用 ( 4 ) v x i 系统 是以v x i 标准总线仪器模块与计算机为仪器硬件平台组成的虚拟仪器测试 系统。v x i 是一种高速计算机总线一v m e 总线在仪器领域的扩展( v m e b u s e x t e n s i o nf o ri n s t r u m e n t a t i o n ) ，它具有稳定的电源，强有力的冷却能力。由 于它具有标准开放，结构紧凑，数据吞吐能力强，定时和同步精确，模块可重复 利用，众多仪器厂家支持等优点，很快得到广泛的应用，是公认的2 1 世纪仪器 总线系统和自动测试系统的优秀平台由于v x i 总线为平台的虚拟仪器软件和 硬件都具有开放性、模块化、可重复使用和互换性等特点，v x i 系统的发展更为 迅速，被国内外专家誉为“跨世纪的仪器总线”自1 9 9 3 年有多家公司组成v p p 系统联盟，致力于来自各厂商的v x i 模块的规范化工作以来，v x i 系统已经在 世界范围内得到越来越广泛的应用。其优势在组建大、中规模自动测试系统以及 对速度、精度要求较高的场合但是组建v x i 总线要求有机箱、零槽管理器及 嵌入式控制器，造价比较高。 ( 5 ) p x i 系统 p x i 系统是以p x i 标准总线仪器模块与计算机硬件平台组成的虚拟仪器测试 系统。p x i 是p c i 在仪器领域的扩展( p c ie x t e n s i o n sf o ri n s t r u m e n t a t i o n ) ，它将 c o m p a c t p c i 规范定义的p c i 总线技术发展成适合于试验，测量与数据采集场合 应用的机械、电气和软件规范，从而形成了新的虚拟仪器体系结构。p x i 规范定 义了保证多厂商产品的硬件接口标准，它在电气要求的基础上还增加了相应的软 件要求，这些软件要求就形成了p x i 的系统级接口标准。p x i 这种新型模块化仪 器系统是在p c i 总线内核技术上增加了成熟的技术规范和要求形成的。它通过增 加用于多板同步的触发总线和参考时钟、用于进行精确定时的星形触发总线、以 及用于相邻模块问高速通讯的局部总线来满足试验和测量用户的要求 ( 6 ) 串口系统 1 2 行o 型堑婆厶堂硒土堂僮j 金塞笙2 望重厦鲤住酸遮让 串口系统是以s e r i a l 标准总线仪器与计算机为仪器平台组成的虚拟仪器测试系 统。r s 2 3 2 总线是早期采用的通用串行总线，最初多用于数据通信上，随着工 业测控行业的发展，许多测量仪器都带有r s 2 3 2 串1 2 总线接i ：1 通过r s 2 3 2 串1 2 与p c 组成虚拟仪器系统，适用于速度较低的测试系统。与其他方式相比， 它接口简单，使用方便。 现在，p c 机已更多地采用了u s b 总线u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) 通用串行总 线是由i n t e l 、m i c r o s o f t 、c o m p a q 、i b m 、n e c 、n o r t h e r nt e l c o m 等几家大厂商 发起的新型外设接1 2 标准u s b l 1 总线标准的最高传输速率可达1 2 m ，最新 u s b 2 0 可达4 8 0 m b p s ；u s b 总线具有轻巧简便、价格便宜、连接方便快捷的特 点，支持即插即用和热插拨。u s b 通过串联方式最多可串接1 2 7 个设备2 3 1 随着虚拟仪器测试系统应用的不断推广，为了满足不同的领域和测试要求， 虚拟仪器系统的集成沿着两条主线向前发展：g p i b v x i p x i 总线方式，适合 大型高精度集成系统；p c 插卡式一并行1 ：1 式一串1 2u s b 方式，适合于普及型的 廉价系统，以其体积小、携带方便，即插即用等特点有着广阔的应用发展前景 通过前面几种虚拟仪器总线接1 2 结构的比较，根据本项目研制的平台体积 小，轻便快捷的特点及虚拟仪器的发展趋势，本文选用n i 公司的u s b 6 0 1 6 数据 采集卡。它具有1 6 路模拟输入；3 2 条数字i o 线；2 路模拟输出，2 个计数器 定时器，每道传输速率2 0 0 k g s ，内置信号连接，与l a b v i e w 、l a b w i n d o w s c v i 和m e a s u r e m e n ts t u d i of o rv i s u a ls t u d i o n e t 紧密集成 2 2 信号接入和调理 信号接入与调理主要解决各种井下仪器的测量信号的接入问题，以保证信号 无损，系统安全。信号接入与调理是分析与信号处理的基础由于携带模拟量的 输入信号( a s i g ) 通常幅度较小，容易受到噪声影响，而有些可能存在较高的 尖峰值，因此在将它们转换为数字量之前需要先进行信号调理。一般情况下，信 号调理有放大、激励、线性化、隔离、滤波等预处理口卜2 5 1 由于本项目所面对的 是井下仪器输出的信号，在仪器中已经处理过，在这里主要考虑隔离部分采用 常用的光电隔离放大器，主要目的是防止尖峰高电压信号对采集板的伤害 堕逝婆太堂亟：量堂位i 金塞 簋2 童翌围鲤性的邀让 对于携带模拟量的输入信号有两种接入方式：差分接入和单端接入差分接 入是一种比较理想的接入方法，能有效抑制导线传输过程中混入的共模干扰，不 仅能抑制接地回路感应误差，而且在一定程度上抑制拾取的环境噪声当信号幅 度为小于l v 的低电平信号或者信号电缆比较长的情况下，选用差分输入单端 输入是把输入信号线接入后，还要把信号的参考点与仪器模拟输入地连接起来， 当信号电平比较高，不容易受到噪声干扰时，选用单端输入对于模拟电压信号 采用差分接入比较好，并在每一对通道上接入偏置电阻，以保证信号的稳定性n ” 而对于模拟脉冲信号选用单端接入比较合适 2 3 刻度换挡转换电路设计 由于该维修平台要实现多种测井井下仪器的校验与维修功能，各种仪器的 供电方式及刻度模式并不是完全相同，各种仪器的缆芯定义都不尽相同表2 1 列出了几种常用的测井仪器的缆芯分配，由于仪器种类太多不能一一列出 表2 1 测井仪器缆芯定义 1 4 仪器种类供电3 1 芯分配定义 4 、6 供电 1 球焦信号输出；换档电压输入 供电电压 2 深感应信号输出 5 2 1 双感应球形a c l 8 0 v 3 中感应信号输出 聚焦测井仪嘶换档电压 5 信号地，换档电压输入 a c l 2 5 v 7 自然电位输出 1 0 换档电压地 供电电压 4 、6 供电 a c l 8 0 v 1 1 1 信号输出；换档电压输入 换档电压 2 状态位信号输出 5 2 1 微球 a c l 2 5 v i o 信号输出 3 测井仪m 1 5 换档电压输入 l o 换档电压地 1 8 信号地 1 、3 推靠电源，l i o v d c ； 鱼浙堑太堂亟：堂僮i 金塞篚2 童通囝熊灶鲢邀盐 续表2 1 仪器种类供电3 1 芯分配定义 4 、6 供电 1 0 换档电压地 供电电压 1 4 i d 信号输出 5 2 1 双侧向a c l 8 0 v 1 5 v d 信号输出 测井仪2 。1换档电压 1 6i s 信号输出 a c l 2 5 v 1 9 v s 信号输出 1 8 信号地 4 一一6 供电 1 7 长道信号 9 短道信号 供电电压 1 8 信号地 5 2 1 补偿密度冽 a c l 8 0 v4 、6 供电 i 4 长道信号 1 5 短道信号 1 8 信号地 l 、3 供电 高分辨率声波 供电电压 2 同步 1 3 1 7 地d c l 8 0 v 1 、3 信号 4 、6 供电 供电电压 自然伽马3 2 1 1 l 信号 a c l 8 0 v 1 8 地 由表2 1 可见，各种测井仪器的缆芯定义和供电模式差别很大，这就需要设 计电源转换电路，实现各种仪器供电选择切换设计了通用的供电( 包括可调节 交流、直流及外引电源) 转换多组电压输出，满足交直流转换要求。 由于有多种仪器需要采集零刻、高刻及测量档的值，刻度时是从电缆缆芯1 、 5 、1 0 输入换档电压，进入测井仪器的刻度单元，实现仪器的刻度，换档电压为 1 5 鱼越延叁堂硒堂僮论塞笙2 空亟围熊仕竣鞋让 a c l 2 5 v ，而缆芯1 、5 同时又是信号输出端，缆芯重复使用由于信号输出和刻 度换挡的缆芯( 1 、5 、1 0 ) 有公共的，如果处理不好，就会使换挡电压( a c l 2 5 v ) 加入到信号输出回路，进入采集板，损坏采集卡，为避免换挡电压( a c l 2 5 v ) 加入到信号输出回路，可靠地完成换档刻度转换，设计了刻度换档转换电路，用 多个继电器实现了缆芯切换的功能。刻度换档转换电路如图2 1 ： 图2 1 刻度换挡转换电路 电路中使用2 4 v 电磁继电器，没有刻度时，k 1 k 4 继电器全部处于断开状 态，y 1 和s 1 接通，y 5 与s 5 接通，进行信号采集过程。当进行零刻时，s l 合上， k 1 ，继电器动作，k 2 ，k 3 不动作，k 4 动作，y 1 和s 1