基于dsPIC的存储式数据采集系统设计与实现

2015-05-10周志彬王晓东涂文荣

石油管材与仪器 2015年2期

关键词：声波测井大庆管材

周志彬高巍王晓东涂文荣

(1.大庆钻探工程公司测井公司黑龙江大庆 163412；2.大庆采油工程研究院射孔器材检测中心黑龙江大庆 163400)

·开发设计·

基于dsPIC的存储式数据采集系统设计与实现

周志彬1高巍1王晓东2涂文荣1

(1.大庆钻探工程公司测井公司黑龙江大庆 163412；2.大庆采油工程研究院射孔器材检测中心黑龙江大庆 163400)

文章介绍的存储式数据采集系统应用于随钻声波测井仪中，它以dsPIC芯片做为控制核心，利用时钟芯片(RTC)实现了随钻声波测井仪器的定时启动工作，具有高速数据采集、大容量数据存储、高速数据传输等功能。实验结果表明，以dsPIC为核心的存储式数据采集系统能够满足随钻声波测井仪在控制和数据处理方面的要求。

dsPIC；数据采集；数据存储；随钻声波测井仪

0 引言

随钻测井(LWD)是近年来迅速发展的先进测井技术[1]，在钻井的同时完成测井作业，减少了井场钻机占用的时间，节约了成本。由于实时测量，与电缆测井相比，能够更为客观真实地反映地层的地质特征。随钻声波测井采用滑行波测量方式，实时测量地层岩石纵横波声速的变化，可用于岩性识别、孔隙度计算、岩石力学参数计算等。随钻测量系统采用泥浆脉冲传输方式将井下采集的信息传输到地面设备，该传输方式速率较低(小于10 B/s)，远不能满足随钻声波测井数据传输的需求，所以大部分数据必须存储在井下仪器中，因此设计了基于dsPIC的随钻声波测井仪器存储式数据采集系统。

1 系统的整体设计

存储式数据采集系统的主控芯片需要完成对高速多通道AD采集的控制以及与存储芯片的数据交互，同时主控芯片要能够完成对采集到的声波波形数据的滤波及时差计算。

如图1所示，存储式采集系统主要由主控、采集、存储、地面几部分构成，主控芯片设定采集的参数，控制采集的起始、结束以及采集到的数据的读取，主控芯片将采集到的数据进行处理之后保存到存储芯片中，当随钻声波测井仪器在井下工作完成之后，由地面系统将存储的波形数据读出，进行进一步的处理分析。

图1 存储式采集系统设计框图

主控芯片选择使Microchip公司推出的dsPIC系列芯片[2]，dsPIC是一种将单片机和数字信号处理器(DSP)的功能结合在一起的器件，目的是为了缩小单片机同DSP之间的性能差异，使客户能方便地将单片机的功能转移到DSP上。dsPIC器件把高性能16位单片机的控制特点和DSP高速运算的优点相结合，为嵌入式系统设计提供了既适合控制又方便运算的单芯片的解决方案。它消除了目前类似设计中所需要的额外组成部分，从而减小了印制板空间，也降低了系统成本。芯片采用了改进型的哈佛架构、C编译器优化的指令集、流水线取指令方式。芯片既具有较强的数字信号处理能力，又包含有直接存储器访问(DMA)、A/D转换器、比较输出、捕捉输入、I2C接口、SPI接口、CAN接口、USART接口、Flash程序存储器等强大的控制功能，能很好地完成对高速多通道AD采集的控制以及与存储芯片的数据交互[3]。

2 硬件电路具体设计与实现

2.1 数据采集电路

数据采集电路由AD7656芯片及其外围电路组成[4]，如图2所示。

图2 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，dsPIC的使用外部中断int1判断AD7656的BUSY信号，一旦采集数据完成，dsPIC立即进入中断，及时读取A/D数据并启动下一次采集。

主控芯片与采集芯片并行接口时序如图3所示，CS信号可永久性地接低电平，而RD信号可用来获取转换结果，BUSY信号变为低电平后即可开始读取操作。

图3 数据采集并行接口时序图

2.2 数据存储与传输电路

数据存储与传输电路由K9GAG08芯片、高速485芯片及其附属电路组成，如图4所示。

K9GAG08存储芯片的容量是(2G+64M)×8 bits，共4096块，每块128页。按页读写，按块擦除。 dsPIC与K9GAG08的数据接口是8位的并行总线，dsPIC通过

图4 数据存储与传输电路

K9GAG08控制线和状态线，可以对K9GAG08进行数据和参数的写入和读取，读取的时序图如图5所示，主控芯片通过向寄存器写入规定的命令字启动读操作。存储器检测到R/B引脚确定数据传输完成，数据调入到寄存器后就可以在25 ns时钟周期内读出，RE时钟信号由高变低控制存储器将数据从选定的列开始输出到上一列中。

高速485芯片工作原理与普通485芯片相同，dsPIC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。

图5 数据读取时序图

3 软件开发与功能实现

dsPIC的主程序流程如图6所示。

图6 主程序流程图

主控芯片的程序采用C语言在MPLAB IDE环境下编译完成，MPLAB集成开发环境(IDE)是一个综合的编辑器、项目管理器和设计平台，适用于Microchip PIC MCU和dsPIC DSC 进行嵌入式设计的应用开发。

初始化模块主要完成对主控芯片时钟的设置，AD采集芯片工作方式的设置，以及I2C、SPI和UART初始化设置。部分代码如下：

LKDIVbits.DOZEN=0;

CLKDIVbits.PLLPRE=0; //N1=2

PLLFBDbits.PLLDIV=38; //M=40

CLKDIVbits.PLLPOST=1; //N2=4

AD1PCFGH=0xffff;

AD1PCFGL=0xffff;

AD2PCFGL=0xffff;

_TRISG2=1;//I2C SCL

_TRISG3=1;//I2C SDA

_TRISF6=1;//RTC int0

_TRISA15=1;//high speed 485 int

_TRISD11=1;//nandflash0 R/B

_TRISA5=1;//nandflash1 R/B

_TRISG6=1;//SPI2 SCK

_TRISG7=1;//SPI2 SDI

_TRISA12=1;//int1 AD_busy

_TRISF2=1;//uart1 r

_TRISF3=1;//uart1 t

仪器在下井前要根据具体需求进行参数表设置，地面设备通过485总线把设定的参数表发送给主控芯片，参数表的内容主要包括：井下仪的年、月、日、时、分、秒、报警日、报警时、报警分、发射间隔、采样长度、采样延时、采样间隔、采样平均次数等，主控芯片将按照参数表的内容对外设进行控制。

仪器下井后，按照参数表设定的参数开始工作，声波换能器的发射方式是等时发射，由时钟芯片给主控芯片提供发射启动信号，可设定的时间间隔范围是1至255秒，主控芯片dsPIC接收到这一信号后首先启动声波发射探头工作，同时启动采集芯片开始4路信号的数据采集，并将采集的数据存入存储器中。

主控芯片利用时钟信号启动采集工作的部分代码如下：

void __attribute__((__interrupt__)) _INT0Interrupt(void)

{

IFS0bits.INT0IF=0;

LED=!LED;

I2C_RdMbyte(0,16);

if(Rtc_Flag==0)

{

Rtc_Flag=0xFF;

RtcOkFlag=1;

Rtc_Wr[1]=3;

I2C_WrMbyte(1,1);

I2C_Wrfin();

}

Else

{

I2C_RdMbyte(1,1);

Rtc_Rd[1]&=0x13;

Rtc_Wr[1]=Rtc_Rd[1];

I2C_WrMbyte(1,1);

I2C_Wrfin();

RtcOkFlag=1;

}

仪器结束测井之后，地面设备通过485总线与主控芯片通讯，读取采集存储的波形数据，从而完成一次测井。

4 结束语

存储式采集控制电路以dsPIC芯片为核心,实现了随钻声波测井仪定时启动、高速数据采集、大容量数据存储、高速数据传输等功能，同时通过参数设置实现了仪器工作方式选择。整个设计符合随钻声波测井仪测量、传输以及低功耗的要求,该系统经过现成应用测试，稳定可靠，可以推广到同类仪器当中使用。

[1] 卢俊强.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).

[2] 刘和平，郑群英.dsPIC通用数字信号控制器原理及应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2007.

[3] 刘敬彪，沈炜.dsPIC在油田通井设备监控系统中的应用[J].仪器技术与传感器，2009，(6)：78-81.

[4] 韩海力.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).

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Design and Implementation of Storable Data Acquisition System Based on dsPIC

ZHOU Zhibin1GAO Wei1WANG Xiaoding2TU Wenrong1

(1.DaqingDrilling&ExplorationCorporation,CNPC,Daqing,Heilongjiang163412,China；2.DaqingResearchInstituteofOilProductionEngineering,Daqing,Heilongjiang163400,China)

This paper introduces the storable data acquisition system which is used in acoustic Logging While Drilling(LWD) tool.The dsPIC chip is used as the core of the acoustic LWD tool,which realized acoustic timing transmitter,high speed data acquisition,high-capacity data storage,high speed data transmission etc.The test results show that the system of storable data acquisition based on dsPIC can meet the requirements of control and data processing in acoustic LWD tool.

dsPIC,data acquisition,data storage,acoustic LWD tool