基于单片机的高精度随钻测斜仪系统开发优秀毕业论文 可复制黏贴.pdf

分类号：t n 9 1 u d c ：6 2 1 3 9 。雌0 4 9 1 8 7 单位代码：1 0 2 2 0 学号：s 0 4 0 6 2 2 8 大庆石油学院 硕士研究生学位论文 论文题目基壬单战机艘高精庭随铺酒斜像系统珏发 硕士 生：闷玲玲一一 指导教师一赢西抽教授 申请学位级别一王一学厕t 学科、专业：道信与信息系缱 提交论文时间： ；独q z 年3 月_ 1 曼月一 答辩日期：2 9 q z 生量月一2 曼月一 授予学位日期_ 2 0 0 7 年3 月15 日 摘要 随着经济的发展，能源供应变得紧张，石油需求日渐增长，迫切需要改进随钻测量技术，它是 石油工业关键技术之一微电子技术、计算机技术和通信技术的发展，使高精度随钻测斜仪系统的 研发成为可能。本文开发了基于单片机的高精度随钻测斜仪系统，系统开发采用先进的在系统编程 技术，从而缩短系统开发时间，简化系统升级，节省系统开发成本整个系统由硬件和软件两部分组 成在硬件方面，对硬件的各个环节都进行了仔细的分析、选取和设计，系统以a t m e l 公司生产 的单片机a t 8 9 c 5 l e d 2 为控制核心，采用高精度的a d 转换模块a d 9 7 4 对7 路传感器信号进行数 据采集，利用l c d 液晶显示模块进行相关数据显示，并且单片机可通过r s 2 3 2 接口与计算机通信， 进行数据传输与控制在软件方面，分为下位机软件与上位机软件两部分，下位机软件采用了c 5 1 高级语言进行程序设计，实现软件编程的模块化和独立性，具有良好的可测试性、可靠性和可维护 性上位机软件采用v c + + 6 0 作为开发环境，实现与下位机通信、数据处理与显示等功能，其界面 友好，操作简单。经实验测试，整个系统达到了高精度和稳定性要求，系统的主要参数井斜角的最 大误差为0 1 ，方位角的最大误差为1 。，能够满足定向钻井要求，具有一定的实用价值。 关键词：随钻测量；测斜仪；单片机；在系统编程；数据采集 a b s t r a c t w i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to fe c o n o m y , e n e r g ys u p p l yi sb e c o m i n gt e n s e ra n do n d e m a n dg r o w sd a y b yd a y i no r d e rt oi n c r e a s eo i lp r o d u c i i o n ，i ti sn e c e s s a r yt oi m p r o v et h ep r e c i s i o no fm w d ( m e a s u r e m e n t w h i l ed r i l l i n g ) w h i c hi so u eo fk e yt e c h n o l o g i e si nt h ep e t r o l e u mi n d u s t r y t h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t o fah i g hp r e c i s i o nm 3 9 r ds y s t e mi sp o s s i b l eb e c a u s et h ed e v e l o p m e n to fm i c r c e l e c t r o n i c ，c o m p u t e ra n d c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y t h i sp a p e rp r o p o s e st o d e v e l o pah i g l lp r e c i s i o nm w ds y s t e mb a s e do n m i c r o c o n t r o l l e r t h ea d v a n c e di s p ( i ns y s t e mp r o g r a m m i n g ) t e c h n o l o g yi sa p p l i e dt od e v e l o pt h es y s t e m , w h i c hs h o r t e n ss y s t e md e v e l o p i n gt i m e ，s i m p l i f i e ss y s t e mu p g r a d e ，a n dd e c l i n e st h ec o s ti ns y s t e m d e v e l o p m e n t t h es y s t e mi sc o m p o s e do fh a r d w a r ea n ds o f t w a r e i nh a r d w a r e ，e v e r yp a r ti sc a r e f u l l y a n a l y z e d ， s e l e c t e da n dd e s i g n e d t h ec o n t r o lc o r ec o m p o n e n to ft h e s y s t e m i sm i c r o c o n t r o l l e r a t 8 9 c 5 1 e d 2o fa t m e l c o m p a n y , a dc o n v e r s i o nm o d u l ea d 9 7 4w i t hh i g hp r e c i s i o ni su s e df o rd a t a a c q u i s i t i o no f7c h a n n e ls e n s o rs i g n a l s t h er e l a t e dd a t ai sd i s p l a y e db yl c dm o d u l e t h em l c r o c o n t r o l l e r c o m m u n i c a t e sw i t ht h ec o m p u t e rt h r o u g ht h er s 2 3 2i n t e r f a c ef o rd a t at r a n s m i s s i o na n dc o n t r 0 1 i n s o f t w a r e t h e r ea r em i c r o c o n t r o l l e rs o f t w a r ea n dp cs o f t w a r e t h em i c r o c o n t r o l l e rs o f t w a r eu 螂c 5 1 a d v a n c e dc o m p u t e rl a n g u a g e ，w h i c hr e a l i z e sm o d u l ea n di n d e p e n d e n tp r o g r a m , h a sg o o dm e a s u r a b i l i t y , r e f i a b i l i t ya n dm a i n t a i n a b i l i t y t h ep cs o f t w a r eu s e sv c + + 6 0a sd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t w h i c h r e a l i z e sc o m m u n i c a t i o nw i t hm i c r o c o n t r o i l e r , d a t ap r o c e s sa n dd i s p l a y , h a sf r i e n d l yu s e ri n t e r f a c ea n d s i m p l eo p e r a t i o n a f t e rt e s t i n g ，t h es y s t e mh a sh i g hp r e c i s i o na n d9 0 0 ds t a b i l i t y , t h em a x i m u m e r r o ro f i n c l i n a t i o ni s 0 1 。，a n da z i m u t hi s l 。，w h i c hr e s p o n d st ot h en e e df o rd i r e c t i o n a ld r i l l i n go p e r a t i o n s ，h a s c o n s i d e r a b l ep r a c t i c a lv a l u e k e yw o r d s ：m w d ；i n c l i n o m e t e r ；m i c r o c o n t r o l l e r ；i s p ；d a t aa c q u i s i t i o n i l l 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的研究成 果据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已经发表或撰 写过的研究成果对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说 明并表示谢意 学位论文使用授权声明 本人完全了解大庆石油学院有关保留，使用学位论文的规定，学校有权保留学位 论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版有权将学位论文用 于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅有权将学位论文的内容 编入有关数据库进行检索有权将学位论文的标题和摘要汇编出版保密的学位论文 在解密后适用本规定 学位论文作者签名：张圉7 莎导师签名： 日期：m 7 罗， 日期： 创新点摘要 随着钻探技术服务领域的拓宽，许多j = 程项目对钻孔轨迹在地下空间的位置及定位精度要求越 来越高，本文针对大港油田现有测斜仪存在的问题，进行了基于单片机的随钻测斜仪系统开发。 1 以软硬件协同设计的思想对系统进行整体设计，采用先进的在系统编程i s p 技术，可大大减 少硬件设计风险，缩短嵌入式软件的开发调试时间，同时在协同验证环境中能够及时发现软硬件中 存在的致命问题，避免在最后集成测试阶段重新进行软硬件的调整。 2 整个系统的主要参数井斜角的最大误差为- - - + 0 1 。，方位角的最大误差为1 。，比大港油田现有 测斜仪的精度有了提高，达到了高精度的要求。 大庆石油学院硕士研究生学位论文 引言 一、课题研究背景与意义 在油田钻井过程中，因受油层上方的公路、建筑物、湖泊及山脉等影响，不能采用 垂直钻井的方法，所以要使用定向钻井技术l 尤其在海上油田，如果一个中心平台能 够钻多口定向井就可以减少钻井平台数，因此采用定向智能钻井技术是降低产油成本的 关键。 智能钻井系统包括地面和井下两个组成部分。井下智能钻井系统一般由井下执行机 构、测量系统及控制系统组成【2 i 。在钻进过程中，井下执行机构的动作应根据控制系统 的指令来完成，而控制系统所发出的指令则应根据设计井的要求及实钻测量反馈信号来 确定。井下智能钻井系统的未来发展必将以井下执行机构( 底部钻具组合) 的不断更新、 测量系统的不断完善及自动化控制程度的不断提高为基本特征。井下智能钻井系统的最 终发展目标是“地下钻掘机器人”【3 l ，井下执行机构好比是机器人的手，控制系统好比 是机器人的大脑，而测量系统则好比是机器人的眼睛和其他的感觉器官。这种地下钻掘 机器人不同于一般的工业机器人，它必须能够在地下极其复杂的地质环境及非常恶劣的 情况下进行有效的工作，必须能够精确探测前方和周围的地质环境及本身的状态，进而 作出正确的分析和决策，并且能够自动适应所处的工作环境，沿着预定的路线或要求到 达地下终极目标，胜利完成人类赋予它实地探察地下资源并加以开采的神圣任务。这种 地下钻掘机器人，是自动化钻井的核心，将是多种高新技术和产品的进一步研发及其微 型化集成的结果，代表着未来钻井与掘进技术的发展趋势，可望在2 1 世纪前半叶实现， 可见，测量系统是实现此目标的关键技术。 测斜仪在测井、钻井过程中应用相当广泛，主要用于检测井斜、方位等信息【4 i 。其 基本原理是：利用加速度计传感器、方位传感器( 如磁通门、陀螺等) 将反映井斜和方 位等信息的物理量转换成电压或电流信号，这些信号经编码调制后送回到地面计算机设 备，计算机根据相应的数学模型计算出井斜角和方位角。从井下、井上信号的传输途径 看，测斜仪可分为有线、无线两种：从测斜仪的使用方式看，可分为测井用仪器和钻井 用仪器。 按给定参数钻定向井，在钻井过程中需要及时准确地测量出钻具所处井眼方向参 数，也要了解已完钻的井眼轨迹。若发现井眼偏离设计轨迹则需要调整弯接头方向，即 调整工具面角的大小来改变钻井方向。钻井测斜仪主要作用就是完成井斜角、方位角、 工具面角等参数的精确测型卯。定向井的精确测量和准确定位是定向钻井成功与否的重 要因素之一。因此，要钻成高难度的油井，测斜仪是必不可缺的仪器【6 l 。 引言 二、国内外发展现状 ( 1 ) 国外发展现状 先进国家在设计钻孔测斜仪时早已不采用偏重块和罗盘磁针，而是普遍采用灵敏度 和精度很高的加速度计以及防振性能好的磁通t , - j r n 。国外采用加速度计和磁通门研制成 功的钻孔测斜仪产品极为广泛普遍。 美国和瑞典等国研制成功存储器式的钻孔测斜仪，用钢绳或钻杆直接把测斜仪送进 或提离所测钻孔。先将加速度计和磁通门等传感器信号采集到地面后用专用接口接到计 算机进行处理，即可显示所测钻孔孔斜参数。如瑞典r e f i f _ , xe m s 多点电子测量棒就 是采用这种技术方法研制成功的钻孔测斜仪系统，该系统还可进行自动化测量1 8 i 在采用新型陀螺发展钻孔测斜技术方面，美国采用了双轴加速度计的电动调谐的双 轴速率陀螺和挠性陀螺，提高了陀螺测斜仪的性能【卿。这些新型陀螺具有可以减少漂移、 提高精度、不需要地面对准等技术优点。美国在石油深井采用单心铠装电缆将陀螺变化 的机械量转变为电信号传输的钻孔测斜仪，如b o s s 电陀螺测斜仪，可多点、快速、连 续测量。俄罗斯采用了磁悬浮陀螺取代原传统两框架机械陀螺，研制成功磁悬浮高精度 陀螺测斜仪，该仪器主要特点是抗振性好，陀螺寿命长达5 0 0 0 0h ，比激光陀螺( 2 0 0 0 0 h ) 和挠性陀螺( 5 0 0 0h ) 寿命都长。该仪器外径6 0m i l l ，抗水压6 0m p a ，使用最高温 度1 2 0 ，是一种理想的高精度陀螺测斜仪。 采用加速度计和陀螺研制的钻孔测斜仪产品，虽然技术先进但成本高，1 9 9 8 年瑞 典人c l a e se r i c s s o n 研制成功r e f l e xm a x i b o r 钻孔测斜系统，该系统采用c c d 摄 像传感器通过一个圆形水准器，摄入两个反光圈的光学装置的测量棒，只要测知初始位 置后，就可以在有磁干扰的倾斜和水平钻孔中测量钻孔项角和方位角。这是解决磁干扰 地区测斜的一种低成本测斜技术方法。 国外钻孔测斜技术在9 0 年代发展较快，一些传统结构原理的测斜仪被淘汰，新型 结构原理的钻孔测斜仪不断涌现，商品化速度加快，已商品化的产品增多。世界各地把 新型传感器和计算机技术相结合，发展了多种单、多点和连续测斜仪。由于石油深井定 向钻探技术的发展，m w d l l o l 随钻测量技术发展很快。有的项目经过长期研究现已成为 商业定型产品。目前随钻测斜仪产品仍以有线随钻和无线泥浆压力脉冲测斜仪产品为 主。国外已研制开发出井下记录与实时传输相结合的m w d 系统，既能实现实时检测， 又保证了随钻测量【l l l 资料的高质量。而且，无线电磁波随钻测斜技术近年来有较大发展， 也有商业产品，如法国地质服务公司e m m w d 随钻测量系统，无线随钻测斜技术将是 未来的发展方向。 2 ( 2 ) 国内发展现状 年代中后期，我国大部分油田用罗盘式照相单多点测斜仪钻井【1 2 1 。它是以灌满 大庆石油学院硕卜研究生学位论文 阻尼液的指南针和摆锤做为敏感器件，通过照相底片获取敏感器件的井下指示，并通过 判读其成像来获得方向参数，虽然这种测斜仪存在很多不足之处，当时也只能用它钻难 度不大的井，但与被它淘汰的u 字形测斜器相比，无疑先进了许多。为了钻难度大的 定向井，各油田先后引进了国外s s t 、d o t 、m s 3 、e s i 、s r o 、m w d 6 5 0 ；：f e m w d 、 q d t m w d 等各类仪器，其中有几种使用效果较好，确实解决了油田的燃眉之急，但不 少仪器使用不理想，事实说明国外的测斜仪未必适合我国使用，其也经历着不断完善的 过程。这一情况，客观上刺激了我国测斜仪的研制工作，并起到了借鉴的作用f 1 3 】。 9 0 年代为满足我国石油勘探深井测斜需要，一些石油仪器生产厂家由于有大量引 进国外先进测斜仅的基础，先后研制成功自浮单点照像测斜仪【1 4 】、普通单点照像测斜仪、 电子单多点照像测斜仪等，使我国石油钻井测斜技术得到了很大的发展。这类产品的进 口量也随着国产化的进展而锐减。但是大量生产井在测斜时还是使用国产老式电子单点 测斜仪。这种电子单点测斜仪，由电池筒、定时控制单元、照相单元与角度单元组成， 采用分立元件制作的定时器，使用时精度低，可靠性差，功耗大，故障较多1 1 5 】。 随着世界石油资源的日益紧张，2 l 世纪石油能源勘探还要继续发展，石油油井井 眼轨迹的精确测量越来越显示出其重要性1 1 6 l ，显然，国内现有的测斜技术及规范己较难 满足要求。这就需要我国自主研发高精度的钻井测斜仪器。 大港油田主要靠各种单、多点和连续测斜仪来测量井眼轨迹，及时改变钻具组合及 钻井参数来保证井身质量【1 7 】。由于这些仪器都需要在停钻情况下进行测量，使得井队配 置过多，成本过大，且操作不方便。因此在引进国外测斜仪的基础上，发展了采用加速 度计和磁通门组合的有线随钻测斜仪，目前有线随钻测斜仪的井斜角误差0 2 。， 方位角误差1 5 。，虽然其相对于各种单、多点测斜仪有了很大的进步，但随着钻 探技术服务领域的拓宽，许多工程项目对钻孔轨迹在地下空间的位置及定位精度和系统 稳定性的要求将越来越高，现有的精度已无法满足要求。这是由于我国研究和改进测斜 技术大多数只注意到改进和发展局部结构形式，外径系列及地面记录方式或者单纯仿 制。很少注意采用新技术、新方法的研制来提高测斜仪的质量。本文在大港油田现有测 斜仪技术的基础上，以单片机为核心，进行嵌入式开发，实现由分立元件制作测斜仪向 采用微机控制的测斜仪方向转变。从“硬件”和“软件”两个方面入手进行协同设计， 借鉴国内外现有测斜仪系统及技术的经验，研发了基于单片机的高精度随钻测斜仪系 统。可以随时提供井眼轨迹参数，并对钻井过程进行高精度、高稳定性的实时控制，以 提高钻井质量，缩短钻井周期，减少钻井开支，具有一定的经济效益，对大港油田定向 钻井技术的发展起着一定的促进作用。 三、本文研究的主要内容 ( 1 ) 在阅读国内外大量相关资料的前提下，深入了解测斜仪系统开发的国内外研 究现状，分析国内现有测斜仪存在的问题，阐述了本设计基于单片机的高精度随钻测斜 引言 仪系统的意义。 ( 2 ) 对整个系统进行整体方案设计，分析系统的数学模型，给出系统硬件及软件 的总体结构。 ( 3 ) 分别对系统硬件、软件进行设计，并对在系统编程i s p 技术的应用进行了阐 述。 ( 4 ) 对系统性能进行测试。 4 大庆石油学院硕士研究生学位论文 1 高精度随钻测斜仪系统的整体方案设计 1 1 引言 随着石油勘探开发的不断深入，地层结构越来越复杂，深井、超深井和高温、高压 井等特殊复杂井变得越来越多【1 8 1 。不论是在直井还是在定向井的钻井过程中，都需要测 定地面以下井眼的位置。这就需要使用能够沿井身不同深度测量井斜角和方位角的测量 仪器1 1 9 1 。井眼相对地面的位置可以从累计的测量结果中计算出来。由于早期的测斜仪， 存在着精度低、只能单点测量、测量周期长、数据管理不便等缺点，随着定向钻井的发 展，对于更加可靠的测量工具的需求愈加明显，因而本文研发一种基于单片机的随钻测 斜仪系统，利用单片机具有数据补偿能力及数据存储能力的优势，可使测量精度及应用 范围得到进一步提高，它不但可进行单点与多点测量，而且在增加不同的数据传输模块 后还可进行在线测量，为钻井提供所需的高精度数据。 1 2 系统待测参数定义及数学模型 定向钻井过程中，为了能有效控制井眼轨迹，必须对井斜、方位、工具面等参数有 精确的测量【2 0 1 在无磁环境中，这些参数通常由随钻测斜仪完成测量。随钻测斜仪输出 数据要转化为钻井工程技术人员需要的角度参数必须经过坐标变换，变换后的参数形式 才为井斜、方位、重力工具面和磁性工具面。具体定义如下： 东 兮上a 7 、 ， ， ， l ， ， ， 弋一 磁北 图1 1 参数定义图 ( 1 ) 井斜角，井眼中心线与垂线之间的夹角1 2 1 i ，如图1 1 所示，垂直方向井斜 角是0 。，水平方向井斜角是9 0 。井斜角从o 。变化到9 0 。，乃至1 8 0 。，它的范围在 0 。= f l = 1 8 0 。之间。 ( 2 ) 方位角a ，地球磁北方向和井眼水平投影方向的夹角【趋l ，如图1 1 所示。磁 北方向和真北方向不同，并且各地区的磁偏角也不是一样。方位角在0 。到3 6 0 。之间变 5 1 高精度随钻测斜仪系统的整体方案设计 化。当井斜是0 。时，方位角也就无法确定。 ( 3 ) 重力工具面也叫高边工具面( g t f ) y ，是俯视井眼方向仪器斜口朝向相对于 井眼高边顺时针方向旋转的角度i 矧，如图1 2 所示。高边工具面角( g t f ) 在0 。到3 6 0 。 之间变化，当井斜为o 。时，高边工具面角不确定。 图1 3 磁性工具面( m r f ) 在随钻测斜仪系统中用到加速度计和磁通门。加速度计测量地球重力场的分量，磁 通门测量地球磁场的分量l 期。因为重力工具面角是用重力测量，也就是说用重力加速度 计测量，在井斜角小于5 。时有较大误差。而磁性工具面角由磁通门来测量，也就不受 井斜的影响，因此在井斜小于5 。时，定向钻井用磁性工具面来监测和控制。 下面建立随钻测斜仪的数学模型。首先用北、东和重力加速度方向建立一个地理坐 标系x y z ，在以3 个加速度计( 磁通门) 的敏感轴建立一个探管测量坐标系局乙( 刁 与探管中心轴线一致) ，如图1 4 所示。 按照刚体力学中的欧拉定理，可把局乙坐标系看成是圈陀坐标系经三次转动形 6 大庆石油学院硕卜研究生学位论文 成的。第一次转动：x y z 坐标系绕o z 轴转动0 角，形成x y z 坐标系；第二次转动：x y z 坐标系绕d y 轴转动丑角，形成以，z p 坐标系；第三次转动：y 乙坐标系绕d 乙轴转 动厂角，形成耳乙坐标系。刚体力学中把0 ，工和，分别称为进动角、章动角和自转 角陋i 。实际上，0 就是方位角4 ，五就是井斜角p ，就是工具面角y 。 澍 t 耳 y 设两坐标系之间的方向余弦阵为g ，则重力加速度g 在两坐标系的投影有如下关 薹i = c ， 量 = c ， ； = 【一c s o 善so 矿c s i 。l ；o 妒0 ：1 l c 矗o ? s ：；- 。, ：缸丑q j 【一o o 吉, o 曰专：司 ! 1 - 1 ) 式中：g _ 甲，g p 和g ；为重力加速度在探管测量坐标系的投影； g 一g s i n b s i n a 由以上三式可知g ”g p 一- t a nq o ，得 庐= y = a r c t a n ( 一g g 口) ( 1 - 2 ) 嘭+ g 2 一( - g c o s s i n a ) 2 + ( gs i n 矿s i n a ) 2 一g 2s i n 2 a 7 1 高精度随钻测斜仪系统的整体方案设计 从而有s i n a 一g ；+ g 刍g ，由于+ g 二+ g ；g 则井斜角可表示为 a i 声昌a r c t a n ( g 叩2 + g 2 g ：p ) ( 1 - 3 ) 阱c 倒一c ，圈 m 4 ， 其中：飓p ，q p 和月为地磁场强度在探管测量坐标系的投影；飓，马和日z 为地磁场 强度在地理坐标系的投影；日为当地磁场强度大小，为当地磁偏角。 由式( 1 4 ) 和式( 1 - 1 ) 可得方位角表达式为 一一口一a r c t a n 一i 五= = j ；i i ：i ；：；：；：；i ；了i ：面】 c t - s ， 1 3 误差分析 测量系统的误差主要来源于系统的机械结构，即三向量重力加速度计或磁通门各敏 感轴之间的不正交和敏感轴与测量仪器坐标轴不重合的误差。不正交和不重合的角度实 际都很小，不能通过测试确定。要消除这些误差，应采用软件上的校正方法。选用最优 化技术的无约束条件下多变量函数的寻优方法i 拥，能有效地确定这些角度，进行结构误 差校正。 1 3 1 敏感轴不正交校正 假定以耳轴为基准，令轴与昂轴不正交角为w x y ，乙轴与轴的不正交角为 ，乙轴与昂轴的不正交角为，考虑到惭、惭、慨均为小角度，则可得出不正 至l l = i i 曼，一三，l i 薹 l c ，一6 ， 式中：x 、y 、z 为校正后的仪器测量值； 、z p 分别表示、g 茹、g w 或 8 大庆石油学院硕i ：研究生学位论文 g 一g ；4 - ，2 + g ； ( 1 7 ) h 一；+ h ”2 + 月； ( 1 - 8 ) 得：d i 一x 一2 + 2 + z 一2 ( 研：g ：f 或d f = 珏，i = 1 ，2 ，) ，若传感器敏感轴正 交，则d ，= d ：一一d m 。由于不正交使d f 不相等，按( 1 6 ) 式进行不正交校正，使 q - x 一2 + l ，一2 + z 一2 ( f = 1 ，2 ，) 均相等。取d p 。d j 2 n 建立目标函数： q 。k ，吆) ；( d ，一d p ) 2 n ( 1 - 9 ) 通过多变量函数寻优方法变量轮换法优选出w r y 、w y z 、w x z 使q 1 最小。 1 3 2 敏感轴与仪器牮标轴不重合校乖 如果设敏感轴与理想的仪器坐标系不重合角为a 、户、y ，由于a 、户、y 为小角度， 卧 难i m 聊 q ：仁，卢，r ) ；一a 。) 2 n( 1 1 1 ) 用多变量函数寻优方法单纯形加速法，使q 2 最小，确定4 、少、y 。 求得w r y 、w y z 、k 、a 、户、y 后，a p 可由( 1 6 ) 、( 1 1 0 ) 式实现不正交和不重合误差 1 4 系统的组成 随钻测斜仪系统将以单片机为控制核心，以相应的传感器为测试手段，以a d 转 换器作为模数转换的工具，以高品质的显示器件进行相关参数显示，以相应的通信手段 搭建起单片机与计算机的桥梁，最终实现基于单片机的高精度随钻测斜仪系统。其控制 核心单片机主要是控制a d 的工作状态，完成对所测数据的分析、处理以及控制外围 电路对相应数据进行实时显示，并负责与计算机通信，进行数掘传输等功能。 1 高精度随钻测斜仪系统的整体方案设计 1 4 1 系统硬件的总体结构 根据随钻测斜仪的数学模型及测试功能，整个系统可以划分为四部分：a d 数据采 集，单片机控制，液晶显示和计算机，如图1 5 所示。除此之外，还有相应的外围电路。 图1 5 系统硬件结构框图 a d 部分实现对七路传感器模拟信号的采集与数字转换。 单片机部分为整个系统的核心，控制a d 进行数据采集，对采集信号补偿，控制 液晶显示，并与计算机通信。 液晶显示部分显示相关数据。 计算机部分负责与单片机通信控制，并实现数据处理与显示功能。 1 0 图1 6 系统软件流程图 大庆石油学院硕士研究生学位论文 1 4 2 系统软件的总体结构 随钻测斜仪系统软件的功能主要有：控制数据采集模块完成对被测传感器模拟信号 的采集；对采集到的数据进行补偿处理；驱动外围器件完成显示i 控制单片机与计算机 通信等功能。本系统的上位机软件采用v c + + 编制界面与通信程序，下位机软件采用 c _ 5 1 控制数据采集及与上位机进行通信。在整个软件开发中，各路信号的数据采集和显 示是关键点，同时兼顾随钻测斜仪系统性能的其它要求，使软件部分的功能尽量完善。 本系统软件的总体结构、流程如图1 6 所示。 1 5 本章小结 本章描述了基于单片机的高精度随钻测斜仪系统的总体功能，确定了系统的待测参 数，同时对整个系统的数学模型及误差进行了探讨，并对系统硬件的总体结构和软件流 程进行了简单的介绍。 1 1 2 高精度随钻测斜仪系统的硬件设计 2 高精度随钻测斜仪系统的硬件设计 2 1 引言 硬件是随钻测斜仪系统实现高精度测量及实时控制的物质基础t 2 9 1 ，可以说相当于人 的四肢及五脏六腑。它利用微处理器、a d 转换器、计算机、显示器件，在软件系统的 协调下运行，实现自动化测量与实时控制显示，从而完成对被控对象有效而精确的工程 任务。系统必须具备精密、正确有效的硬件配置，才能进行高精度的运行p o l ，所以随钻 测斜仪系统的硬件设计是十分关键的，其中硬件设计所涉及到的误差与干扰也应该考虑 十分周到，并且采取严格与紧密的措施减小误差与抗干扰。本设计的硬件设计从控制核 心a t 8 9 c 5 1 e d 2 入手，分别进行了a d 转换模块的选择及其电路设计、显示器件的选 择与l c d 液晶显示模块的电路设计，上位机与下位机通信电路的设计。 2 2 控制核心a t 8 9 c 5 1e d 2 c p u 是整个系统测量、控制、通信的核心。针对随钻测斜仪系统的特点，兼顾设 计成本和开发周期，通常c p u 的选型可从两种方案来考虑1 3 。第一，选择成品工控设 备，如类似于1 1 2 1 0 4 板，开发周期短，但灵活性差，仪器体积大，成本高。第二，选 择单片机或数字信号处理器d s p ，体积小、成本低、设计灵活。由于本系统为嵌入式开 发，因此选用第二种方案，其中d s p 为专用芯片，价格高，适合高速运算，开发难度 大，而单片机的性能日益提高、价格不断降低，使其性价比的优势非常明显。由于本系 统不需要高速的运算，从性价比高与开发周期短的角度选用了单片机作为控制核心 单片机以体积小、重量轻、灵活性强、价格低等优点，被广泛应用于智能仪表、电 器设备、家用电器等的研制开发，其中又以8 位机更为普遍1 3 2 j 。在踯年代中期，i n t e l 公司将8 0 5 1 内核使用权以专利互换或出售形式转给世界许多著名的l c 制造厂商( 如： p h i l p s 、西门子、a m d 、o k i 、n e c 、a t m e l 等公司) ，使得8 0 5 1 成为具有众多厂商 支持的、发展出上百个品种的大家族，i n t e l 公司推出的8 0 c 2 5 1 也是与8 0 5 1 在机器代 码级兼容的，保证了5 1 系列用户在2 1 世纪的技术领先性。另外，很多厂商为8 0 5 1 开 发了大量的配套接口芯片，极大地方便了用户。因此，尽管1 6 位机开始流行，但5 l 系 列的8 位机在将来很长一段时间内还是研发控制设备的主流机。 a t 8 9 c s l e d 2 是由美国a t m e l 公司生产的8 位单片机，是一种低功耗高性能的内 部集成有f l a s h ( 又称闪存) 的8 位c m o s 单片机，6 4 k 字节f l a s h 存储器用于代码和 数据存储。6 4 k 字节f l a s h 存储器可用并行或串行模式进行i s p ( i ns y s t e m p r o g r a m m i n g ) ，也可用软件实现。编程电压通过标准v 。管脚由内部产生。 大庆石油学院颈士研究生学位论文 a t 8 9 c 5 l e d 2 保留了a n 伍l c 5 2 的所有特性，2 5 6 字节内部r a m ，9 个中断源 4 级中断控制器和3 个计时器，计数器。a t 8 9 c 5 1 e d 2 提供2 0 4 8 字节e e p r o m 非易失性 数据存储。 此外，问瑚c 5 l e d 2 包括可编程技术器阵列，1 7 9 2 字节x r a m ，硬件看门狗计时 器，s p i 接口，键盘，通用串行通道用来实现多处理器通信，速度改进装置( x 2 模式) 。 a t 8 9 c s l e d 2 的全静态设计允许通过把时钟频率降到任意值来降低系统电源消耗， 包括d c ，无数据损失。 a t 8 9 c 5 1 e d 2 含有两种软件可选模式来降低消耗，8 位时钟预分频器用于进一步降 低电源消耗在闲置模式下，c p u 冻结而外围设备和中断系统仍然运行。在掉电模式 下，保存r a m 而其他功能均不起作用。 新增的特性使a t 8 9 c 5 1 e d 2 在需要脉宽调制，高速耜计数应用上功能更加强大， 如报警，电机控制、有线电话和智能卡阅读器。能够在嵌入式控制应用领域中提供较高 的灵活性和较高性能价格比的解决方案。其主要功能特性如下p 封： 与8 0 ( 3 5 2 兼容 与m c s 5 1 指令系统兼容 - 4 个8 位f o 口 3 个1 6 位可编程定时，计数器 2 5 6 字节高速暂存存储器 9 个中断源4 个优先级 集成电源监视器监视内部电源供电。 娼p ( i n s y s t e mp r o g r a m m i n g ) 在系统可编程使用标准v 。电源 2 0 4 8 字节b o o tr o m 包括h a s h 底层予程序和一个默认串行装载程序 高速结构 标准模式： 4 0 m h z ( v 。2 7 v 一5 5 v ，内外码执行) 6 0 m h z ( v 。4 5 v 一5 5 v ，只有内码执行) x 2 模式： 2 0 m h z ( v 。2 7 v 巧5 v ，内外码执行) 3 0 m h z ( v 。4 5 v 5 5 v ，只有内码执行) 6 4 k 字节片内h a s h 程序数据存储器 字节和页( 1 2 8 字节) 擦写 1 0 0 k 写周期 1 7 9 2 字节片内扩展数据存储器( ) a 队m ) 软件大小可选( o ，2 5 6 ，5 1 2 ，7 6 8 ，1 0 2 4 ，1 7 9 2 字节) 重置片内定为7 6 8 字节，以便与t 8 9 c s l r d 2 兼容 2 0 4 8 字节片内e e p r o m 用于数据存储 1 3 2 高精度随钻测斜仪系统的硬件设计 1 4 1 0 0 k 写周期 双数据指针 可变m o v x 长度，适应低速r a m # t 围设备 改进x 2 模式独立选择c p u 和每个外围设备 端口1 键盘中断接口 s p i 接口( 主从模式) 8 位时钟预分频 1 6 位可编程计数阵列 高速输出 比较捕捉 脉宽调制器 看门狗定时器 异步端口复位 全双工增强型u a r t 带有专用内部波特率发生器 低e m i ( 抑制a l e ) 硬件看门狗定时器( 一经启用只有复位才能关掉) ，掉电标志 电源控制模式：空闲模式，掉电模式 单电源供电点：2 7 v 一5 5 v 工业温度范围：( - 4 0 ，+ 8 5 ) 封装：p l c c 4 4 ，v q f p 4 4 ，p l c c 6 8 ，v q f 6 4 ，p d i l 4 0 表2 1 具体给出a t 8 9 c s l e d 2p d i i a o 封装的各个引脚的基本功能。 表2 1a t 8 9 c s l e d 2 引脚及其功能 引脚名引脚号类型名称与功能说明 屹 2 0i地：0 v v 4 0i 电源：电源供电有正常、空闲和掉电模式 p 0 o - p o 7 3 2 - 3 9 i o端e 1 0 ：端d o 是一个漏级开路的双向i o il 端口o 浮空，锁 存器为“1 ”，可作为高阻抗输入为避免寄生电流消耗端 口o 必须被拉到v 。或v 。在访问外部存储器时，端n o f 乍为 低位地址和数据总线分时复用在这种应用中，当转为高电 平时，它用了强大的内部上拉在外部主模式编程状态下， 端口o 接收代码字节，在外部主模式校验过程中输出代码字 节。在程序校验过程中需要外部上拉。 p 1 0 p 1 71 - 8i o 端口1 ：端口l 是一个带内部上拉电阻的8 位准双向l ，o 口 当端口l 作为输入口用时，向内部锁存器写入。1 ”，端口1 引 脚被内部上拉电阻拉为高电平由于内部上拉电阻被拉为 大庆石油学院硕士研究生学位论文 低的端口1 引脚能向外提供电流在编程和测试时，端口1 也接收低位地址 a t 8 9 c 5 1 ) 2 端口1 的附加功能包括： 1 i op 1 0 ：输入牖出 i ot 2 ( p 1 0 ) 定时器，计数器2 外部计数输入，时钟输出 2 i op 1 1 ：输入，输出 i t 2 e x ：定时器，计数器2 重载捕捉，方向控制 l s s ：s p i 从机选择 i o p 1 2 ：输入 俞出 3i e a ：p c a 岁 部时钟 l ，op 1 3 ：输入输出 4 i oc o ：捕捉，比较外部i o 用于p c a 模块o i op 1 4 ：输入输出 5i oc e x i ：捕捉，比较外部i o 用于p c a 模块1 i op i - s ：输入脯出 6 i oc e x 2 * 捕捉比较外部i o 用于p c a s 块2 i o m i s o ：s p i 主机输入从机输出线 当s p i 为主机模式，m 1 s o 接收从机外围设备的数据。当s p l 为从机模式。h n s o 输出数据到主机控制器 i 0 p 1 6 ：输入 禽出 7i o c e x 3 ：捕捉比较外部i o 用于p c a 模块3 i ，os c k ：s p i 串口时钟 l op 1 7 ：输入 禽出 8 i o( e h ：捕捉比较外部i o 用于p c a 模块4 i om i s o ：s p i 主机输出从机输入线 当s p i 为主机模式，m i s o 输出数据到从机外围设备当s p l 为从机模式，m i s o 接收主机控制器的数据。 x 1 a l l1 9l x t a l l ：输入到转换振荡放大器，输入到内部时钟发生器 电路。 斯：a 1 21 8ox t a l 2 ：转换振荡放大器输出。 p 2 o p z 72 1 2 8i o 端口2 ；端v 2 是一个带内部上拉电阻的8 位准双向i o 端口， 当被作为输入时，向它写。1 ”，p 2 5 j l 脚被内部上拉电阻拉 为高电平作为输入使用时，被内部上拉电阻下拉为低电平 的p 2 会产生电流当从片外程序存储器取数时，端口2 能 提供高位地址，访问外部数据存储器时，用1 6 位寻址( m o v d p t r ) 在此应用中，它利用了功能极强的内部上拉电 阻写1 。当访问外部数据存储器时用8 位寻址( m o v 础) 2 高精度随钻测斜仪系统的硬件设计 端 3 2 为1 2s f r 的内容 p 3 m ”7 端口3 ：端v 1 3 是一个带内部上拉电阻的8 位准双向i o d 端 l o - 1 7i 船 e 1 3 被作为输入时，向它写。1 ”，端n 32 5 1 脚被内部上拉电 阻拉为高电平，作为输入使用时，被外部拉为低，能驱动电 流端e 1 3 也具有8 0 c 5 1 系列的特殊功能，如下： 1 0l r x d ( p 3 0 ) ：串行输入端口 1 1o t x d ( ”1 ) ：串行输出端口 1 2l 矾t o ( p 3 2 ) i 外部中断0 1 3i i n t l ( p 3 3 ) ：外部中断1 1 4it o ( p 3 4 ) ：定时器0 外部输入 1 5 lt 1 ( p 3 5 ) ：定时器1 外部输入 1 6ow r ( ”6 ) ：外部数据存储器写选通 1 7 o r d ( p 3 7 ) ：外部数据存储器读选通 r s t9i复位：振荡器在工作时，此脚如能保持两个机器周期以上的 高电平复位器件外部电容接v c c ，内部扩散电阻接v s s 允 许上电复位当硬件看门狗使系统复位时此管脚为输出 a l e 甲e o g 3 0 o ( 1 )地址锁存使能，编程脉冲：访问外部存储器时输出脉冲锁存 地址低字节。在正常运行时，a l e 发出常频率的脉冲为振荡 频率的1 6 ( x 2 模式为1 3 ) ，可用于外部定时或时钟每接 入外部数据存储器时1 个a 让脉冲被跳过当f l a s h 编程时， 此引脚为编程脉冲输入( p e o g ) 设置s f r 的a i r j 啦， 可禁止a l e 。设置此位，在内部取指时a l e 不激活 p s e n2 90程序存储器允许：外部程序存储器读选通。当从外部程序存 储器执行时，每个机器周期p s e n 两次有效，除了当进入外 部数据存储器时，在每个机器周期都有一个p s e n 信号跳过 当从内部程序存储器执行时，p s 酬不激活 e a 3 1 i 外部访问允许：为了使单片机能从片外程序存储器地址 0 0 0 h 到研咖取指令，e a 必为低如果第一级加密锁编程，