钻井倾斜角及方位角微机测量仪

1、钻井倾斜角及方位角微机测量仪 作者：霍兆权 班级：电气1081班 指导老师：刘丹 单击此处编辑母版标题样式 page 2 目录 作品简要说明 1 总体方案介绍 3 下位机程序设计 5 下位机硬件设计 4 研究背景与意义 2 上位机程序设计 6 样机测试 7 设计总结 8 单击此处编辑母版标题样式 page 3 作品简要说明 n 数字化数据采集和存储可以提高数据的处理效率和可靠性，很多优秀 的数据处理算法也可以比较方便的实现。本文针对传统钻井倾角和方 位角以照相和人工处理繁琐方法加以大大的改进，提出使用数字式三 轴陀螺仪和数字式三轴加速度传感器，实时测量钻井相应深度下的倾 斜角和方位角。考虑到测

2、量过程中采用有线或无线传输数据的困难及 高成本，转而采用大容量的tf卡来离线记录数据，从而大大简化数据 传输及存储的问题。 n 本系统由8位单片机stc12c5608ad为控制核心，采用l3g4200d数 字式3轴陀螺仪，mma7455数字式3轴加速度传感器，以一定的下降 速度，通过设定采集时间的方法，对一定深度的钻井通过定时测量来 测量出整个钻井各个部分的倾斜角和方位角的信息，并采用特殊格式 记录到tf卡，采集完成可以通过串口或读卡器上传数据到电脑上，使 用相应的上位机处理数据。由于单片机只需完成采集和记录数据的功 能，不需要进行对硬件要求很高的各种浮点运算，大大简化下位机的 设计和成本。本

3、设计可以在陆上或海上复杂电磁环境的钻井平台上。 单击此处编辑母版标题样式 page 4 研究背景与意义 n 国内外对井斜测量的研究成果很多。从70年代开始随钻测井技术逐渐 受到了人们的充分关注和发展，在三十多年间的发展，随钻测量技术 日趋完善，其研制并在现场使用的仪器已达到了系列化。 n 本设计的意义在于：从20世纪20年代开始，经历了氢氟酸加浮动磁针、 机械照相、陀螺仪式测斜仪，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、抗扰动性能差等缺点，目前一种以磁通门传 感器与重力加速度传感器为主的新一代钻井测斜仪出现。然而其结构 复杂，安装困难，很难保证安装误差控制在要求的范围内3。通

4、过采 用3轴加速度传感器，陀螺仪，地磁场传感器，可以通过卡尔曼滤波 等滤波算法可以得到高精度的倾斜角和方位角数据。但由于钻井地质 结构复杂，电磁场干扰极大，地磁场传感器测量数据不能用作对陀螺 仪的测量结果进行修正，所以只能采用对陀螺仪的数据滤波，重力传 感器修正的方法提高动静态特性。本设计的研究对钻井测量系统的效 率和精度的提高有十分重要的意义。 单击此处编辑母版标题样式 page 5 总体方案介绍 n 设计思路采用先对各模块采用开发 板实现底层驱动，选择合适精度的 器件或者芯片，然后把各模块组合 在一起，画电路图，做实物，以串 口为调试和通信的接口，完成下位 机特定的协议，把该下位机当做一

5、个测量的器件，在vb的编程里可 以看做一个对象，然后以vb的编 程思想编写上位机处理程序。 单击此处编辑母版标题样式 page 6 传感器选择一：陀螺仪 n 采用三轴陀螺仪的三维角速度积分模型 绕x轴到zox面绕y轴到z轴整个旋转轴变换效果 三轴角速度型陀螺仪利 用克里奥利力原理，获 得的是三轴上的角速度 单击此处编辑母版标题样式 page 7 传感器选择一：陀螺仪 n 由于变换过程中涉及很多矩阵变 换，这里不加证明给出三维某一 向量（点）下以某一过原点的向 量旋转的坐标变换。 n 为待变换的三维点, 为变换后的 三维点。 n 那么就可以采用在空间积分的方 法，根据现有的三个单位长度旋 转轴

6、n 分别对它们进行在3个旋转坐标 轴上进行变换，得到 即为陀螺仪 新的空间位置。 n 图中实线为x坐标轴，虚线为x 坐标轴 1,1,1,1,1,1,1,1,1 zyxzyxzyx zzzzyyyyxxxx 2,2,2,2,2,2,2,2,2 zyxzyxzyx zzzzyyyyxxxx y x z x x 单击此处编辑母版标题样式 page 8 传感器选择一：陀螺仪 n 方位角计算 假设以绝对坐标的x轴为正北方向， 某时刻相对坐标系的x1轴如图2-3 所示。根据三维代数几何知识，方 位角计算公式为 z x y ) 1/1y( 1 xtan 其中x1,y1为相对坐标z轴上的单位长 度向量在绝对坐

7、标的坐标值。 单击此处编辑母版标题样式 page 9 传感器选择二：加速度传感器 n 采用三轴加速度传感器基于重力为 参考系的倾斜角计算 我们只需要x轴与重力的夹角，也就 是我们期望的倾斜角。根据牛顿的 力学原理，可以把重力在三维坐标 上正交分解 2 22 2 )()()()(mgmgmgmg zyx 化简得： 2 222 gggg zyx 所以在 和 形成的三角形上，其中 的一条直角边就是 倾斜角 22 zy gg )( 22 1 zy x gg g tan 单击此处编辑母版标题样式 page 10 硬件设计总体方案 n 本设计目的是将测量的数据送给电脑的上位机程序进行处理，所以下位机硬件

8、设计只需包含信号采集，数据存储，数据传输，还有基本状态显示功能。对下 位机的设置由串口及内部数据rom配合使用。 单击此处编辑母版标题样式 page 11 硬件设计各部分介绍 单击此处编辑母版标题样式 page 12 硬件主要芯片特性介绍 n 控制芯片stc12c5608ad 程序rom:8k，数据rom:4k 数据ram:256b 数据xdata:512b ad:8个10位，pwm:4个 定时器：3个，外部中断：2个 spi,串口，看门狗 n 三轴加速度传感器 2/4/8g量程，8位有符号数 可编程校正，温度补偿，-40+85 iic或spi通信 c 单击此处编辑母版标题样式 page 13

9、 硬件主要芯片特性介绍 n 三轴陀螺仪l3g4200d 量程：250/500/200 dps 十六位有符号数 高通滤波，温度测量与补偿 可编程零点校正 iic或spi通信方式 n t-flash卡 sandisk 256mb spi或sd通信方式 单击此处编辑母版标题样式 page 14 下位机程序设计主函数 n 下位机程序组织形式 下位机主要通过通过定时器中断和串口中断来分别实现对数据的定时采集和与 上位机的通信。这节来介绍主函数的任务 干电池电源按钮（p2.1） 用于确定进行定时采集还 是与上位机通信（开定时 器还是串口） 单击此处编辑母版标题样式 page 15 下位机程序设计定时采集

10、n 定时采集模块的主要任务 1、数据采集 2、数据记录到sd卡 3、限定定时时间 4、记录数据记录的个数 5、提示数据采集完成 n 定时器0的设置 普通的8位定时器模式（定时器0时 钟为机器周期的12分频，auxr的 t0 x12=0），采用方式1手动载入 16位定时值，值设为10000，采用 11,.0592m晶振采集时间间隔 =1/11.0592m*10000 单击此处编辑母版标题样式 page 16 下位机程序设计数据格式 n 数据记录格式 先来看自定义单个记录格式： x x轴角速度轴角速度y y轴角速度轴角速度z z轴角速度轴角速度x x加速度加速度y y加速度加速度z z加速度加速度

11、 高高8位位低低8位位高高8位位低低8位位高高8位位低低8位位8 8位位8 8位位8 8位位 从图表可以看出，单个记录占用9个字节，由于sd卡单个数据块最小为512 字节，512%9=1，不能如果硬是把sd卡的每个字节都利用到，程序上会比较复 杂。考虑到内存卡本身容量很大，我们先来估算一下如果钻井深度为6000米， 采集周期为10ms，下降速度为3m/s，估算占用的字节数。 总字节数=6000/3*(1000/10)*9= 1800000(b)=1.71m，用普通256m的内存卡就 能简单胜任。所以没512字节会有8字节的无效字节，不影响下位机的性能，反 而大大简化下位机对t-flash卡读写

12、程序，提高工作效率和稳定性。 单击此处编辑母版标题样式 page 17 下位机程序设计通信协议 n 基于串口的自定义通信协议 上位机指令格式：接收部分以2字节为接收基本单位，他可以代表上位机对下 位机的命令或数据。实现以2个字节位基本接收单位的方法为设置一个有两个 字节的数组和数组指针，都是全局变量。当数组指针记录接收了两个字节， 则响应判断程序，是不是对应命令字节，而对应命令字节则执行相应发送或 者写操作。 由于采用了这种办法，在上位机看来，设置格式只需满足设置命令0 x2222 （设置时间）+0 xxxxx（时间数据）的格式即可设置采集时间，当发送 0 x1111(发送数据命令)即以9个字

13、节为发送单位发送数据。采用该模式下串口 已变成输入单位为2字节，发送单位为9字节的外设。 指令指令数据数据 22h22h时间低8位时间高8位 指令指令 11h11h 时间设置指令格式 发送指令格式 单击此处编辑母版标题样式 page 18 下位机程序设计串口中断 n 串口中断流程图 单击此处编辑母版标题样式 page 19 上位机程序设计总体方案 n 上位机的功能 上位机要完成的任务包括数据标度变换、存储、滤波、处理和可视化。本设计 使用vb6.0作为上位机开发软件环境，采用事件驱动的编程方法，组织各部分 功能。把控件与功能组织一起的程序运行逻辑和数据流向如图所示 单击此处编辑母版标题样式 p

14、age 20 样机测试 n 样机测试方案 对于本设计包括上位机和下位机的 测量系统，联合调试十分重要。首 先要明确调试的目的和主要手段。 调试目的：1、上位机能否设置下 位机参数，数据能否得到正确的处 理，软件出错处理；2、下位机能 否成功采集数据，发送数据和出错 提示。 调试主路线为：设置采集时间 开始采集采集完成上传数 据数据处理可视化显示。 单击此处编辑母版标题样式 page 21 设计总结 n 设计总结 本文针对传统的采用照相方法测量钻井倾斜角及方位角的不足，提出 使用微机测量的测量仪，并通过与电脑上位机连接，提高数据的处理 能力和使用的方便性。本设计涉及了单片机，传感器，运动学，数学 建模，可视化编程等等方面的内容，是一个较为复杂的测量仪器。通 过采用上位机和下位机的方法，把采集和存储，处理和显示分离