基于ARM的声波测井仪发射声系测试方法研究

卢俊强,鞠晓东,门百永,吴文河

(中国石油大学油气资源与探测国家重点实验室,北京102249)

基于ARM的声波测井仪发射声系测试方法研究

卢俊强,鞠晓东,门百永,吴文河

(中国石油大学油气资源与探测国家重点实验室,北京102249)

设计了一种用于调试多极子阵列声波测井仪(MPAL)发射声系的工装测试设备。通过分析MPAL发射声系的结构,提出具体的测试要求。采用主从式结构,主机和前端机通过以太网互联,前端机基于ARM7技术,处理器中运行uClinux嵌入式操作系统。发射接口电路通过扩展I/O总线与核心板连接,发射控制电路与发射接口电路之间的控制命令通过串行差分驱动的方式传输,并进行了光电隔离。软件设计中网络通信基于服务器/客户端的模式,采用套接字编程的方法实现。测试表明,单极高压激励脉冲为3 800 V/30μs,偶极激励脉冲为1 800 V/ 200μs,四极激励脉冲2 800 V/30μs,满足MPAL发射声系测试的要求。

声波测井仪;发射声系;调试台架;嵌入式技术;网络互联

0 引 言

国产多极子阵列声波测井仪(Multi-Pole Array Acoustic Logging Tool,MPAL)在结构和电子线路方面比较复杂,功能模块较多,包括主测控电子线路、接收声系、隔声体、发射声系和发射电子线路等[1-6]。为了保证在仪器制造、维护和现场使用等各个环节的工作高质量和高效地开展,研发了声波测井仪调试台架,对发射声系和发射电子线路进行调试是该调试台架的重要功能之一。

1 MPAL发射声系结构及测试要求分析

MPAL的最底部是发射电子线路短节,发射声系直接与发射电子线路短节连接,由这2个短节激发声波信号。发射声系结构比较复杂,装配工序多,且装配周期较长,有必要在装配前对各种换能器和各个变压器进行功能测试和验证,装配结束后要在工装车间对整个短节的功能进行测试。

MPAL发射声系的结构如图1所示[5-6],主要由各种模式的发射换能器和发射变压器组成。换能器部分包括1个单极发射换能器、2个同深度相互垂直的偶极发射换能器和1个四极发射换能器。单极发射换能器和2个垂直方向的偶极发射换能器各需要1道激励信号,四极发射换能器的 X和Y方向同时工作,因此需要2道激励信号。同时,四极换能器的 X方向既可以与Y方向同相位工作,又可以与Y方向反相位工作,这就需要对 X方向的激励信号进行相位反转切换。为了使发射换能器充分激励产生足够的能量向地层辐射,需要激励电压达到数千伏,激励源中必须设计升压脉冲变压器。单极、偶极及四极发射换能器的工作频率和发射功率不同,如单极需要大约3 800 V、30μs的高压激励脉冲,偶极需要大约1 800 V、200μs的高压激励脉冲,四极激励脉冲大约2 800 V、30μs,这就需要发射测试电路控制灵活,发射参数易于设置和实现[6-8]。对发射声系测试的具体要求如下。

图1 MPAL发射声系结构框图

(1)能够代替MPAL发射电子线路短节,且功能与发射电路短节相同。这样,可以用来对仪器发送的发射控制命令进行诊断,测试发射声系短节,同时可以用于快速判断发射声系与发射电路短节两者之间的故障所在部位。

(2)能够以各种工作模式单独工作,不受仪器其他短节的控制。该工作方式下,由主机发送控制命令,可以对发射声系的各个换能器进行单独测试,也可以仿真仪器实际工作时的发射模式对整体发射声系进行测试。

根据发射声系的结构、测试要求以及现代电子系统的技术特点设计发射声系测试台架,其主要的组成单元包括上位机与下位机交互控制接口单元(ARM主控电路)、下位机与测控单元的接口电路、仪器系统命令接口电路、发射控制电路、命令译码逻辑以及供电等。

2 基于ARM的嵌入式系统设计

通过网络互联的主从式系统构架是仪器台架设计的总体思路,采用了基于ARM7TDMI技术的S3C44B0X[9]作为嵌入式硬件核心,ARM(Advanced RISC Machines)处理器中运行uClinux嵌入式操作系统[10-13]。核心板卡通过10 M网络与主机连接,主机可以实时发送控制命令到前端机,同时,前端机能够快速上传数据到主机,相关的人机交互及后续处理任务交由高性能主机完成。各种功能的控制电路通过扩展总线与母板连接。这种架构具备较好的通用性和灵活的扩展功能。

基于主从式架构设计的MPAL发射声系测试台架总体构成原理见图2所示。计算机通过以太网与ARM7主控电路连接,实现上位机与前端机(下位机)的数据传输。发射接口电路以积木式结构插接到主控电路,接收主控电路发送的命令,并可以向主控电路传送数据。发射接口电路以串行差分的方式发送控制命令到发射控制电路,同时为了防止发射控制电路中的高压(最大可达4 000 V)影响主控系统,两者之间的连接以光电隔离形式实现。

ARM核心电路板由ARM7处理器、程序存储器、数据存储器、文件系统存储器、以太网接口、UART接口、译码器[14]和总线扩展接口等组成。板上集成的2个UART分别用于超级终端和井下仪器供电控制,10Base-T以太网接口实现下位机与PC机的数据交互,系统I/O扩展总线利用ARM7的Bank8空间,数据宽度16 bit,扩展总线具有系统时钟、中断、DMA和传输同步控制等功能。在电路板制作工艺上,ARM主控电路板采用4层布线,应用表明该板的性能完全达到设计要求,工作十分稳定。

图2 发射声系测试台架整体构架

3 发射接口电路和发射控制电路的硬件设计

发射接口电路原理框图见图3。由CPLD实现与ARM核心电路板的接口,通过ARM扩展总线接收控制命令,对接收到的命令进行译码,并按照预先定义的串行命令协议依次输出控制命令,由这些命令设定测试台架的工作模式以及发射模式选择、发射脉冲宽度、重复工作周期和发射间隔等参数。当测试台架的工作方式受控于仪器系统时,所有的工作参数由仪器系统的控制命令总线设置。

发射接口电路输出的控制信号通过高速光耦与台架主控系统电气隔离,可有效减小各个功能电路之间的互相干扰,同时保护台架主控系统不受换能器激发高压产生的影响。隔离后的信号以差分的方式输出,具有较好的抗干扰能力,传输可靠,速率高,能够实现点对点以及点(驱动)对多点(接收)的信号传输方式。

发射控制电路原理框图见图4,发射控制器由CPLD器件EPM1270[11]实现,完成的功能是命令译码、工作模式选择、发射换能器选择、发射启动以及发射脉冲宽度控制等。

图3 发射接口电路框图

图4 发射控制电路框图

高压储能电路由整流滤波电路、大功率充电电阻和储能电容构成。供电电路输出的高压经整流滤波后,通过限流电阻给发射储能电容充电,产生大约400 V高压。每种工作模式的周期大约为40～70 ms,在此期间必须先通过充电电阻为储能电容快速充电,确保在接收到发射命令时储能电容储存的能量达到最大值,否则可影响发射功率及激发频率。驱动电路由电平转换电路和互补驱动电路构成,为发射激励控制电路中大功率MOS器件提供大电流的驱动信号,使脉冲激励器件能够快速导通和截止。四极 X方向发射激励方式有2种情况,1种是与四极Y同相位,另1种激励方式与四极Y反相位,这就需要由大功率继电器根据工作方式进行切换。

4 软件设计

软件设计包括嵌入式前端软件和主机应用软件。嵌入式软件以RTOS为核心,完成在特定用户环境下的实时多任务调度、数据处理和任务进程间的可靠通讯。嵌入式软件系统开发包括引导程序设计、专有硬件驱动程序(如IO扩展总线驱动)编写、RTOS代码移植、TCP/IP协议栈移植以及顶层用户应用程序设计等[14]。

设计中采用uClinux操作系统,该系统是针对没有内存管理单元(MMU)的处理器而设计的,具有Linux的绝大部分特性,具有内核小、效率高、源代码开放等优点,还内含了完整的 TCP/IP网络协议栈,uClinux操作系统下网络应用程序的开发基于流行的BSD Socket(套接字)实现。

调试台架上位机采用基于X86处理器的高性能笔记本电脑,主机、前端机和外部设备之间组成多节点虚拟对等网络,通过交换机形成星形连接。上位机软件系统开发环境采用流行的Visual Studio. Net开发平台和面向对象的设计思想,由于不需要实际的硬件驱动,所有的代码均工作在X86的Ring的3个层(非特权层)。基于TCP/IP协议的数据通讯模块,采用Winsock套接字编程,完成应用系统命令、状态和测试数据的收发。

Socket接口包括流式 Socket(SOCK_ STREAM)、数据报Socket(SOCK_DGRAM)和原始Socket等3种类型。设计中采用流式Socket,提供可靠的、面向连接的通信流,保证数据传输的正确性和有序性。基于服务器(上位机)与客户端(前端机)的网络连接的流程见图5。服务器端先通过API调用WSAStartup()说明网络套接字的版本,接着创建套接字,设置好本地IP地址和网络连接端口后,将其绑定到已经创建的套接字,随后将先前创建的套接字置于监听状态,对即将发生的连接进行监听,最后通过调用accept()析取连接,该过程是阻塞调用,直到客户端连接或者出错才能够返回。客户端的连接步骤是先初始化1个套接字,设置好服务器的IP地址和连接端口,然后连接服务器。服务器与客户端的连接成功建立后,就可以使用send()和recv()发送和接收数据。在上位机和前端机编程设计中,使用多线程编程技术,例如,网络通信在辅助线程中实现,保证应用程序高效、稳定地运行。

图5 服务器/客户端网络连接流程

5 结 论

测试表明,该装置可满足MPAL仪器发射声系测试所需要的激励脉冲。同时,发射接口电路与发射控制电路之间的连接采用串行差分方式,且进行了光电隔离,传输可靠,并可有效避免高压发射电路工作时对嵌入式主控系统产生影响。该设计中的系统主控板具有很好的通用性,方便扩展,可用于大多数测控场合。这种架构的设计对其它测控系统的研制和开发具有很好的借鉴意义。

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Study on Test Method for Transmitter Mandrel of Acoustic Logging Tool Based on ARM

LU Junqiang,JU Xiaodong,MEN Baiyong,WU Wenhe
(State Key Laboratory of Petroleum Resources and Prospecting,China University of Petroleum,Beijing 102249,China)

A kind of tooling test equipment used in test for transmitter mandrel of multi-pole array acoustic logging tool(MPAL)is introduced.The specific testing requirements are put forward according to analyzing architecture of transmitter mandrel of MPAL.In system design, principal and subordinate structure is used;the host and front-computer are interconnected via Ethernet.The front-computer is based on ARM7 technique,and the ARM7 processor runs uClinux which is a kind of embedded operating system.Firing interface circuits are linked to core board by expanded I/O bus.Control commands transmit by means of serial differential-driven approach between the firing interface circuits and firing control circuits,and the two parts are isolated each other by photocouplers.Net communications based on server/client mode are implemented by socket program.Tests indicate that monopole firing pulse is 3 800 V/30μs,dipole firing pulse is 1 800 V/200μs,and quadrupole firing pulse is 2 800 V/30μs.All of these are fully satisfied with test demands for transmitter mandrel of MPAL.

acoustic logging tool,transmitter mandrel,test-bench,embedded technique;network connection

P631.81

A

2009-12-15 本文编辑 李总南)

1004-1338(2010)04-0389-04

国家自然科学基金重点项目(10534040);国家自然科学基金(40574049,40874097);高等学校博士学科点专项科研基金(20070425028);油气资源与探测国家重点实验室开放基金(PRPDX2008-08)资助

卢俊强,男,1978年生,讲师,博士,研究方向为石油测井方法和装备。