马文中，历程军，马　宁，涂文荣

(大庆钻探工程公司测井公司　黑龙江　大庆　163412)



·开发设计·

随钻测井仪时钟控制模块的设计及实现

马文中，历程军，马宁，涂文荣

(大庆钻探工程公司测井公司黑龙江大庆163412)

摘要：介绍了一种以时钟为核心的井下实时采集存储的随钻控制模块。该模块能够在时钟控制下实现定时唤醒、定时采集、定时处理以及与LWD的传输等功能，满足随钻井下仪器的通用控制采集要求，并可以进行扩展。该模块已经应用于一种随钻声波测井仪器的井下设计，现场试验表明模块工作稳定可靠。

关键词：随钻测井；DSP；时钟；定时唤醒

0引言

随着现代测井技术的快速发展，随钻测井技术也逐步应用于现场服务中。由于系统限制了数据传输速度，随钻测井仪器无法把大量的测井数据实时送至地面系统。因此需要将测井数据先保存在存储器中，以备后续处理。由于井下仪器与地面仪器无法实时双向通讯，井下仪器记录的数据只能以时间为单位进行存储。本文介绍了一种以时钟为引导的井下实时采集存储的随钻控制模块。已经应用于随钻声波测井仪器的井下设计，实现了定时唤醒、定时采集、定时处理[1]以及与LWD系统传输等功能。

1模块硬件设计

如图1所示，井下电路以时钟控制模块为核心，按功能可分为以下几个部分：时钟控制单元、发射单元、采集单元[2]、数据存储单元、LWD通信等。

图1　井下电路框图

井下电路主要完成声波信号的发射、接收采集、存储以及传输功能。地面系统通过CAN总线将命令参数表下发到井下仪器的控制模块，控制模块收到的命令参数表进行保存，后续测井过程将用这些命令参数对其他单元进行控制。命令参数表中一个重要参数就是时钟唤醒时间，时钟将在规定时间唤醒其他单元，启动一轮工作循环。控制模块对发射单元的控制主要是发射的时间间隔控制，同时根据命令参数设置采集单元的采样的时机、采样的长度、采样密度等，数据采集完成之后要将采集到的数据存储到存储器阵列当中，以备测井完成后读取。一个测井循环完成之后，井下电路将进入休眠状态，只有时钟芯片工作，在规定时间到来时，时钟再一次唤醒其他单元，启动新一轮循环。

1.1时钟控制模块总体设计

时钟控制模块主要由主控芯片DSPVC5509、时钟芯片PCF8583、电源、晶振组成，如图2所示。

图2　时钟控制模块电路框图

时钟模块的核心芯片PCF8583是PHILIPS公司推出的带有256×8bit RAM的8引脚日历/时钟芯片。该芯片电压为2.5～6 V；具有I2C两线串行总线接口、串行总线接口,内含完整的振荡、分频、上电复位电路,并具备计时、日历、定时、闹钟和中断输出功能。芯片由扭扣电池供电，工作时钟是32.768 kHz。当设定的时间到来时，PCF8583给DSP和电源管理模块提供一个中断信号启动电源，对电源的控制通过SPI总线完成，时序如图3所示。主控、采集、存储单元上电之后进入工作模式；主控芯片读取参数表，根据参数表控制发射、采集和存储各单元工作，发射单元按照设定的时间间隔发射，采集单元将接收到的信号进行采集。DSPVC5509通过I/O口设定采样长度、采样密度等参数，采集完成之后，DSPVC5509将采集数据存放到存储器中，以备测井完成后读取。一个工作循环完成后，时钟控制模块除时钟芯片PCF8583外都进入休眠模式，时钟芯片PCF8583由电池供电，进入值班模式[3]。

图3　时钟模块对电源控制时序图

1.2时钟控制模块接口设计

1.2.1与LWD接口

在仪器开始测量后，需要通过与LWD的通讯上传少量的实时数据，时钟控制模块与LWD的通讯由LWD发起，LWD给井下仪器发出一个通讯请求中断，时钟控制模块接到中断命令后，把上次采集并计算完毕的数据发送给LWD，LWD把当前数据通过泥浆传输系统送到地面系统中，完成一次当前深度下的数据实时接收。

1.2.2与地面接口

控制模块与地面系统之间数据传输是通过高速485芯片完成的，接口电路除了高速485芯片，还包括电缆驱动器电路及其他附属电路，如图4所示。

图4　与地面接口电路

高速485芯片工作原理与普通485芯片相同，采用差分方式，传输速率和驱动能力都很强，且编程、控制简单实用。主控DSPVC5509通过UART2接口控制其与地面设备通信，其数据传输位速率为5 Mbps。当插入数据通信电缆时，DSPVC5509自动识别、自动接通。

1.3时钟控制模块控制过程

1.3.1数据采集控制[2，4]

数据采集电路由AD7656芯片及其附属电路组成，如图5所示。

图5　数据采集电路

AD7656芯片共有6个独立的ADC通道，最大转换速度250 kSPS；与控制器的接口模式有高速并行、串行和菊花链三种方式。本设计中使用4个ADC通道，为提高采集速度，采用16位数据并行模式连接。在A/D转换过程中，DSPVC5509发出采集命令，然后使用外部中断int1判断AD7656的BUSY信号，一旦采集数据完成，DSPVC5509立即进入中断，及时读取A/D数据并启动下一次采集；采集完成后进行数据整形滤波计算等处理[1]；最后把处理结果及原始数据存储到井下存储器中，等待下一次工作循环。

1.3.2发射控制

时钟控制模块通过UART2端口对发射单元进行控制。发射单元设计时在传统发射电路的基础上增加了控制芯片，不仅使主控对发射单元的控制更加灵活，同时可以将发射脉冲等信息传送回主控模块，必要时可存储或上传发射单元的工作状态。

发射控制包括发射方式选择、传感器切换、发射脉冲宽度设定；主控DSPVC5509将命令信息通过UART2端口传送到发射电路上的控制芯片，控制芯片解析命令后，通过I/O端口对发射进行控制，比如发射方式是1、3传感器组合，发射脉冲宽度选择。

2模块软件设计

DSPVC5509的主程序流程如图6所示[5]。在程序中设置一个参数表，存放着仪器的一组工作参数，地面设备通过458总线可以方便地改变参数表的内容，以适应随钻测井仪的各种需求。DSP主程序首先完成外设及端口等的初始化，之后等待接收来自地面的命令，把命令参数表保存在时钟控制模块的存储器中，时钟芯片随即处于待命状态，当来到预定的时间，则开启一个工作循环，包括：电源上电、启动发射、启动采集、数据存储。

图6　主程序流程图

DSPVC5509程序使用CCS(Code Composer Studio)软件开发平台完成，CCS提供了配置、建立、调试、跟踪和分析程序的工具，便于实时、嵌入式信号处理程序的编制和测试，它能加速开发进程，提高工作效率。

主程序等待设定时间及启动工作循环部分代码：

if(RtcOkFlag==1)

{

RtcOkFlag=0;

Ad_Timer();

if(Adr_WrB>4095)

{

gotocom_0;

}else

{

}

Ad_Flash();

Buff=writeSPI2(T_SONIC);

T_SONIC++;

}

接收地面命令部分代码如下：

void __attribute__ ((interrupt,no_auto_psv)) _U1RXInterrupt(void)

{

unsigned char uri;

IFS0bits.U1RXIF = 0;

if(URDataNum <40)

{

URBuf_Byte[URDataNum] = U1RXREG;

}

Else

{

uri = U1RXREG;

asm("nop");

}

URDataNum++;

if((U1STA &0x0001) == 0x0001)

{

goto MORE_DATA;

}

if((U1STA &0x0002) == 0x0002)

{

U1STA = U1STA &0xFFFD;

}

T4CONbits.TON=0;

PR4 = 24;

TMR4=0;

T4CONbits.TON=1;

}

3结束语

该时钟控制模块以时钟芯片为核心，实现了随钻测井仪定时启动工作、高速数据采集、大容量数据存储、高速数据传输等功能,已经成功应用于一种随钻井下仪器的设计。大量室内试验及6口井的现场试验表明，整个设计符合随钻测井仪测量、传输以及低功耗的要求，在实际测量过程中，运行稳定可靠。

参 考 文 献

[1] 卢俊强，鞠小东，乔文孝，等.数字信号处理器在随钻声波测井仪中的应用[J].测井技术,2013,37(5):527-530.

[2] 韩海力，鞠小东，李会银，等.基于USB的测井脉冲采集系统设计与实现[J].石油仪器,2005,19(3)19(3):4-7.

[3] Texas Instruments.TMS320F28X DSP Serial Communication Interface (SCI) Reference Guide[Z].2003.

[4] 苏奎峰，蔡昭权.TMS320X281X DSP应用系统设计[M].北京：北京航空航天大学出版社，2008：269-282.

[5] 奥沙那，郑红.嵌入式实时系统的DSP软件开发技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，2011：187-210.

Design and Realization of a Clock Control Module in a LWD Tool

MA Wenzhong,LI Chengjun,MA Ning,TU Wenrong

(Well Logging Company,Daqing Drilling and Exploration Corporation,Daqing,Heilongjiang 163412,China)

Abstract：A control module of LWD tool based on a clock-chip is introduced.The module can realize the functions including timed wake,timed acquisition,timed data processing,and data transmission with LWD,which can meet the requirement of general control and data acquisition,and it is possible to expand the module’s function in the future.The module has been used in a LWD sonic logging tool,which showed that it can work stably and reliably.

Key words：logging while drilling;DSP;clock;timed wake

第一作者简介：马文中，男，1966年生，高级工程师，1989年毕业于电子科技大学计算机专业，在大庆钻探工程公司测井公司从事测井仪器的研发工作。E-mail:tuwr@cnpc.com.cn

中图法分类号：TN919

文献标识码：A

文章编号：2096-0077(2016)03-0018-03

(收稿日期：2015-08-18编辑：姜婷)