[摘 要]：為了了解鉆井管柱在井下的真實(shí)狀況，本文設(shè)計(jì)了一種用于井下高溫、高壓環(huán)境的隨鉆井下管柱參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)；解決了井下工作環(huán)境惡劣、對(duì)元器件要求高、節(jié)能等技術(shù)難題，并詳細(xì)介紹了系統(tǒng)組成、主要技術(shù)指標(biāo)、軟硬件設(shè)計(jì)以及TMS320LF2407A數(shù)字信號(hào)處理器的特點(diǎn)。 1 引言 油氣井，尤其是復(fù)雜結(jié)構(gòu)井在鉆井過(guò)程中井下管柱的受力與運(yùn)動(dòng)狀況，一直是鉆井科技人員關(guān)注的問(wèn)題之一。由于受到井下工作環(huán)境、測(cè)試技術(shù)、電子元器件技術(shù)水平、信號(hào)傳輸、研究成本等多方面因素的影響，井下鉆柱的力學(xué)行為是石油鉆井領(lǐng)域研究的一個(gè)難點(diǎn)。20世紀(jì)80年代后，隨著隨鉆測(cè)量技術(shù)（MWD）和隨鉆測(cè)井技術(shù)（LWD）的日趨成熟以及電子技術(shù)的發(fā)展，人們才得以有條件進(jìn)行井下鉆柱受力和運(yùn)動(dòng)實(shí)測(cè)方面的系統(tǒng)研究。 本文在國(guó)內(nèi)外鉆柱井下受力實(shí)測(cè)成果的基礎(chǔ)上，研究設(shè)計(jì)了一種基于DSP的井下管柱參數(shù)實(shí)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以測(cè)量鉆柱的軸向力、扭矩、鉆壓、加速度和環(huán)境溫度等9個(gè)參數(shù)，并可根據(jù)測(cè)得的基本數(shù)據(jù)對(duì)井下管柱的受力和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)了井下鉆柱力學(xué)及運(yùn)動(dòng)參數(shù)的實(shí)時(shí)測(cè)量。 2 DSP簡(jiǎn)介 DSP作為數(shù)字信號(hào)處理專用芯片，是一種特別適用于進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理的微處理器，DSP芯片的內(nèi)部采用程序和數(shù)據(jù)分開(kāi)的哈佛結(jié)構(gòu)，具有專門(mén)的硬件乘法器，采用流水線操作，提供特殊的DSP指令，可以快速的實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號(hào)處理算法。DSP具有集成度高、運(yùn)算速度快、計(jì)算精度高、功耗低、實(shí)時(shí)性好等特點(diǎn)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)單片機(jī)計(jì)算速度慢、精度低的缺陷。 本文采用TI公司的TMS320LF2407A（以下簡(jiǎn)稱2407A）作為系統(tǒng)的主控芯片，供電電壓為3.3V，16血的定點(diǎn)低功耗DSP芯片，片內(nèi)帶Flash程序存儲(chǔ)器。2407A內(nèi)部集成了高速的CPU內(nèi)核和各種外設(shè)器件：指令的執(zhí)行速度可達(dá)40MIPS，指令周期僅為25ns，運(yùn)算速度快；具有544字片內(nèi)雙存取RAM（DARAM），2k單存取RAM（SARAM）和32k的閃速存儲(chǔ)器（FLASHRAM）；兩個(gè)事件管理器模塊EVA和EVB；16通道A/D轉(zhuǎn)換器；多種通訊外設(shè)接口（SCI，SPI，CAN）等。 2407A的結(jié)構(gòu)便于設(shè)計(jì)高集成度的數(shù)字產(chǎn)品，減小了整個(gè)系統(tǒng)的體積，使得電路的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單化，提高了系統(tǒng)的可靠性和抗干擾性，適合井下作業(yè)。 3 測(cè)量系統(tǒng)組成 隨鉆井下管柱參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)主要完成隨鉆測(cè)量過(guò)程中數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)與傳輸?shù)热蝿?wù)。在鉆井過(guò)程中實(shí)時(shí)測(cè)量鉆柱的軸向力、扭矩、鉆壓、彎曲應(yīng)力、加速度、內(nèi)、外壓力和環(huán)境溫度等9個(gè)參數(shù)。硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。 該系統(tǒng)主要由以下幾部分組成：電源（電池）、傳感器、信號(hào)調(diào)理電路、DSP、存儲(chǔ)器、通信接口等。主要分為兩大部分：井下儀器部分，以DSP作為主控制器；地面部分，完成數(shù)據(jù)分析及顯示。 測(cè)試系統(tǒng)是由DSP構(gòu)成的存貯式高速采樣系統(tǒng)，系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)：井眼尺寸：118～119mm；最高耐壓：60MPa；最高環(huán)境溫度：125℃；最大允許振動(dòng)：200m/s2；測(cè)量通道：9路；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量：4Mb；工作時(shí)間：20h。 根據(jù)以上技術(shù)指標(biāo)，要求系統(tǒng)能在高溫、高壓及大的沖擊、振動(dòng)條件下工作，這給元器件提出了很高的要求，是測(cè)量系統(tǒng)的技術(shù)難點(diǎn)。由于工作時(shí)間很長(zhǎng)，要求系統(tǒng)具有較低的功耗和合理的工作方式。 隨鉆井下管柱參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)使用時(shí)安裝在一個(gè)特制的短節(jié)內(nèi)，作為一個(gè)接頭接在鉆柱上，隨鉆工作。采集的數(shù)據(jù)在測(cè)量過(guò)程中不需要用電纜向上傳輸，在井下進(jìn)行測(cè)量和數(shù)據(jù)記錄存儲(chǔ)；待測(cè)完后下井儀器從井中取出后，通過(guò)通用串行接口（RS-232）及接口電路與地面計(jì)算機(jī)相連，并進(jìn)一步分析處理。整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)以DSP為核心，主要完成數(shù)據(jù)采集、濾波、存取、與地面主機(jī)通信等。 3．1 信號(hào)調(diào)理電路 軸向力、鉆壓、扭矩等9路信號(hào)經(jīng)過(guò)傳感器轉(zhuǎn)換為電壓量，輸出的電壓比較微弱，所以必須加信號(hào)調(diào)理電路。本系統(tǒng)選用B-B公司的儀表放大器INA326。它采用獨(dú)特的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)電源正負(fù)限輸入/輸出，具有共模抑制比高、功耗低、精度高等特點(diǎn)，非常適用于單電源、低功耗和精密測(cè)量的應(yīng)用場(chǎng)合。INA326是CMOS輸人類型，將傳感器輸出的微弱信號(hào)放大為0～3.3V的標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)。 用軌至軌運(yùn)算放大器OP496GS構(gòu)成一級(jí)具有深度負(fù)反饋的電壓增益接近1的電壓跟隨器，主要作用是降低信號(hào)調(diào)理模塊的輸出阻抗，減少信號(hào)的衰減，以便于DSP對(duì)其進(jìn)行采集與處理。 3．2 采樣模塊 A/D轉(zhuǎn)換器在測(cè)量系統(tǒng)中有著十分重要的地位和作用，在嵌入式系統(tǒng)中用于對(duì)外界信號(hào)的采集。減少A/D轉(zhuǎn)換可能帶來(lái)的不穩(wěn)定性的最好手段就是將A/D集成在電路中，如2407A。 2407A內(nèi)部自帶10位16通道的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊ADC，具有流水線結(jié)構(gòu)，能達(dá)到500ns以內(nèi)的轉(zhuǎn)換速度。有自動(dòng)排序的能力，有兩個(gè)獨(dú)立的、最多可選擇8個(gè)模擬轉(zhuǎn)換通道的排序器（SEQ1和SEQ2），可以獨(dú)立工作在雙排序器模式，或者級(jí)聯(lián)成16個(gè)通道的排序器模式；可單獨(dú)訪問(wèn)16個(gè)結(jié)果緩沖寄存器（RESULT0—RESULT15），用來(lái)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)換結(jié)果；多個(gè)觸發(fā)源可以啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換。 本系統(tǒng)采用級(jí)聯(lián)模式工作，9路調(diào)理后的信號(hào)進(jìn)入DSP中進(jìn)行A/D采樣，轉(zhuǎn)換后暫存在RESULT0～8中。 3．3 存儲(chǔ)器模塊 2407A片內(nèi)具有32k字FLASH程序存儲(chǔ)器，可滿足DSP系統(tǒng)程序存儲(chǔ)要求。2.5k字RAM就不能完全滿足數(shù)據(jù)存儲(chǔ)要求了，需要外擴(kuò)存入大容量的存儲(chǔ)器中。另外，由于地下采集到的數(shù)據(jù)需要在斷電的情況下還能保存，以便系統(tǒng)取到地面以后再由PC機(jī)從中提取數(shù)據(jù)進(jìn)行后續(xù)分析處理，所以選擇了非易失性的存儲(chǔ)器： 本系統(tǒng)選用了ATMEL公司研制的串行FLASH芯片AT45DB321C。它具有4M字節(jié)的存儲(chǔ)容量，2.7～3.6V供電，低功耗，典型的讀取電流為10mA，待機(jī)電流僅為6μA，可以反復(fù)擦除/修改上百萬(wàn)次。它包含1個(gè)非易失性的主存儲(chǔ)體和2個(gè)528b的靜態(tài)RAM緩沖頁(yè)，共有8192頁(yè)，每頁(yè)528b。 3．4 通信模塊 通信模塊主要完成DSP與PC機(jī)的信息交換。2407A有一個(gè)片上異步串行接口（SCI）。該串行接口可以外接一個(gè)MAX232串行接口芯片，實(shí)現(xiàn)DSP和PC機(jī)的數(shù)據(jù)交換。MAX232芯片功耗低，集成度高，＋5V供電；2407A采用＋3.3V供電，所以在MAX232與2407A之間必須加電平轉(zhuǎn)換電路，采用一片SN54LS245就能滿足要求。 4 軟件設(shè)計(jì) 隨鉆井下管柱參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)的軟件部分包括下位DSP軟件設(shè)計(jì)和上位PC機(jī)設(shè)計(jì)。 4．1 DSP軟件設(shè)計(jì) DSP測(cè)量部分程序主要有DSP系統(tǒng)初始化、數(shù)據(jù)采集、FFT濾波和存儲(chǔ)等幾個(gè)功能。編程環(huán)境使用TI公司的集成開(kāi)發(fā)軟件CCS，在具體編寫(xiě)程序時(shí)，充分利用DSP的一些特殊指令可以節(jié)省很多時(shí)間。系統(tǒng)采用C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言混合編程，主程序采用C語(yǔ)言；子程序采用匯編語(yǔ)言，如數(shù)據(jù)采集、FFT濾波。程序流程如圖3所示。 4．2 上位機(jī)設(shè)計(jì) 上位機(jī)設(shè)計(jì)主要是人機(jī)界面的設(shè)計(jì)，對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示、分析、曲線繪制、打印等。人機(jī)界面采用VB編制，按功能可劃分為4部分：用戶界面、通信接口、數(shù)據(jù)處理及曲線繪制。 （1）用戶界面 主要是由系統(tǒng)主菜單和一系列的對(duì)話框組成，如標(biāo)定對(duì)話框、參數(shù)設(shè)置對(duì)話框、通信對(duì)話框等。通過(guò)菜單和對(duì)話框，用戶可以與計(jì)算機(jī)進(jìn)行交互操作。 （2）通信接口 根據(jù)井下儀器與地面計(jì)算機(jī)之間的通信約定，編制相應(yīng)的通信程序，實(shí)現(xiàn)井下儀器與地面計(jì)算機(jī)之間交換數(shù)據(jù)，包括井下儀器的測(cè)試、參數(shù)設(shè)置以及接收采集的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)通訊采用CRC校驗(yàn)，提高通訊可靠性。 （3）數(shù)據(jù)處理 包括標(biāo)定數(shù)據(jù)處理、現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)保存等功能。標(biāo)定數(shù)據(jù)是在對(duì)儀器進(jìn)行標(biāo)定時(shí)所錄入的數(shù)據(jù)，標(biāo)定數(shù)據(jù)處理是用戶通過(guò)對(duì)話框，交互地完成標(biāo)定工作并把處理后的標(biāo)定數(shù)據(jù)保存起來(lái)；現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)處理是把井下傳感器所采集的電壓值，利用標(biāo)定數(shù)據(jù)根據(jù)一定的算法換算出實(shí)際的測(cè)量值，并保存下來(lái)。 （4）曲線繪制 在彈出的窗口中根據(jù)數(shù)據(jù)文件的數(shù)據(jù)繪制出9個(gè)參數(shù)隨時(shí)間變化的曲線，可以彈出多個(gè)窗口同時(shí)觀察多條曲線。 5 結(jié)束語(yǔ) 對(duì)：廠隨鉆井下管柱參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)，由于工作環(huán)境惡劣，干擾和不可靠因素很多，應(yīng)充分考慮系統(tǒng)的抗干擾性。系統(tǒng)采用硬件和軟件兩種抗干擾措施。硬件抗干擾措施主要是合理安排PCB板的器件布局設(shè)計(jì)與布線以及加密閉和防水防潮措施等。軟件抗干擾措施是利用2407A內(nèi)部看門(mén)狗（WD）定時(shí)器和軟件陷阱技術(shù)，監(jiān)視軟件和硬件的運(yùn)行，有效的防止程序“跑飛”，確保程序“跑飛”后可自動(dòng)復(fù)位。 系統(tǒng)經(jīng)井下實(shí)踐，效果良好，數(shù)據(jù)采樣及存貯可靠，該測(cè)量系統(tǒng)能較精確地描述鉆柱在井下的受力和運(yùn)動(dòng)情況。由于采用了DSP作為系統(tǒng)核心，硬件結(jié)構(gòu)得到簡(jiǎn)化，功耗較低，性能穩(wěn)定，實(shí)時(shí)性好，有較高的可靠性和抗干擾能力。 來(lái)源：中國(guó)儀器儀表