基于ARM控制的LWD地面监控系统研制与应用

马文奎，陈中权，张真权，马慧斌，安金刚，邹继华

(1.航天科工惯性技术有限公司　北京　100074; 2.中石油长城钻探工程有限公司测井公司　辽宁　盘锦　124010)



基于ARM控制的LWD地面监控系统研制与应用

马文奎1，陈中权2，张真权2，马慧斌1，安金刚1，邹继华1

(1.航天科工惯性技术有限公司北京100074; 2.中石油长城钻探工程有限公司测井公司辽宁盘锦124010)

摘要:为解决LWD地面系统现场使用不便的问题，避免仪器操作者繁琐疲劳，设计了一种地面监控系统。通过对地面监控系统功能要求的分析，制定了基于继承性产品的最优设计方案。结合现场操作环境，选取了合适的ARM控制芯片及其他元器件，进行了数据采集部分、通断电控制部分、电路保护部分、通信部分等电路的设计。根据地面监控系统软件工作流程图，基于自定的通讯协议格式，编写了相应的代码模块，实现了嵌入式系统软硬件的协同设计。实际应用结果表明，该系统控制、通信、保护装置均运行正常，各项技术指标均达到设计要求，满足了随钻测井中对井下仪器串监控的需要。

关键词:ARM;监控系统;采集;保护;协议

0　引言

LWD电阻率钻铤在地面进行测试时，需要进行单总线通讯，以验证电阻率短节的正常工作情况。旧式的电阻率测试仪使用较多的是地面主机和测试手柄(含单总线电路)，存在以下问题:

1)测试手柄位于井台，环境较恶劣，手柄里的单总线电路易进水、泥浆等，存在隐患;在实际操作过程中，操作者需重点关注手柄等部件，易分散工作注意力;

2)测试线缆过长，整套系统工作后耗电流约0.7 A，会在100 m长线缆上产生7 V左右的压降，供至系统电压只有约17 V(实测值)，电压低于系统设计最低供电电压;

3)整套系统无仪器的供电电压和电流显示，在实际操作过程中无法判定仪器供电是否正常，增加电流和电压指示，可以为现场操作者提供明显的参考，用以指导操作;

4)在实际操作过程中，需要对仪器进行通断电操作，现有的操作方式，需要关闭地面主机才能实现，但关闭地面主机重启又需要较长时间，给现场操作带来了较多不便。

为避免和解决诸多不便之处，研制开发了地面监控系统。作为LWD随钻测井的一个重要组成部分，在仪器下井前，可通过监控系统对井下系统仪器串进行测试，如仪器电压是否正常，电流是否正常，通讯(收发数据)是否正常等等，并实现对故障异常情况的电路保护。各项指标的正确测试结果作为仪器串安全下井的必要条件，从而最大程度的保证井下仪器串工作的可靠性，节约施工时间和施工成本。

1　随钻测井地面监控系统的组成

根据随钻测井地面监控系统的功能要求，有两个技术方案进行选择。

1)增加地面主机功能

此方案的优点是系统组件物理组成少，系统相对简化;缺点是现有地面主机内部空间过小，无处添加新的电路板和器件。

2)增加地面监控盒

将所有功能设计在地面监控盒内，盒子串接在信号转接线缆(以下简称“短线缆”)中央。此方案的优点是不需对现有的系统进行改动，在现有产品的基础上，重新设计实现相关功能的电路(软硬件)，放置在监控盒内部，对外连接;另外，井台上测试手柄内部有单总线电路，容易进水、泥浆等导致无法正常工作，把单总线电路移植到井房的监控盒后，可有效避免进水等问题。在井场的施工和使用上，只需在线缆上挂接一个小盒子，不会带来不利因素。

由于第二种方案可以在现有长线缆和地面主机的基础上使用，扩展性强，优化性强，且优点远远大于缺点，故采用此方案进行地面监控系统的设计。

随钻测井地面监控系统主要由PC机、司显、井深、地面主机、地面监控盒、短线缆、200 m线缆盘等组成，组成框图如图1所示。

图1　随钻测井地面监控系统组成框图

系统的上位机采用笔记本电脑，操作系统为WINDOWS XP或WIN7，下位机为监控盒和地面主机。监控盒具备以下几个功能:第一，地面监控盒的供电由地面主机供应，内置供电保护电路后输送给井下仪器串;第二，监控盒连续不断地采集供电电压、供电电流等信息;第三，监控盒将采集到的参数以一定的通讯协议经地面主机转发给PC机;第四，内置RS485－单总线转换电路，将RS485信号载波到电力线上，使得系统可以直接通过一根单总线控制井下仪器串;第五，监控盒面板上具备电压表显示、指示灯供电指示、手动上电开关等。

系统中可通过200 m线缆盘实现线缆的延长，从而完成短距离和长距离两种方式的可靠通信。井下仪器串的通断电也可通过手动切换开关和PC机自动控制两种方式实现。

2　地面监控系统硬件设计

根据随钻测井地面监控系统的需求，设计了地面监控盒的硬件原理框图，如图2所示。地面监控基于TI公司的ARM芯片LM3S8962［1］进行设计，分为电源变换部分、数据采集部分、通断电控制部分、电路保护部分、通信部分、单总线转换部分等。

图2　地面监控盒硬件原理框图

ARM芯片选用LM3S8962，是TI首款基于ARM®CortexTM－M3内核的控制器，尤其适合于工业控制。32位RISC指令集，256 KB单周期Flash，4个通用定时器模块，2个完全可编程的16C550－type UART，极低功耗模式，高达7 个GPIO模块，4通道10位ADC，100－pin小占位面积封装。可通过JTAG接口完成对目标系统的配置，实时在线调试烧写。内核供电电压2.5 V，I/O供电电压3.3 V，优先给内核供电。1个6 MHz晶振，可PLL至20 MHz。

2.1电源变换部分

输入电压为宽范围21～32 V，为实现对内部芯片的供电。需要将输入电压转换为5 V及3.3 V，同时实现一定的过压、过流、短路保护。本设计采用LM2576开关型降压稳压器和AMS1117－3.3 LDO稳压器来实现。同时采用磁珠实现数字供电和模拟供电的隔离。电源变换部分原理图见图3。

图3　电源变换部分原理图

2.2数据采集部分［2］

数据采集部分要求达到双通道、0～3 V信号输入。随钻测井实际工作时要求的采样频率并不高，1 s更新一次数据即可。电压指示量程要求至少0～30 V，精度不低于±0.5 V。电流指示量程要求至少2 A，精度不低于0.1 A。ARM自带的10 bit ADC采样精度远远可以满足要求。其自带4个ADC输入通道，具有500 MSPS高采样速率、低功耗、高信噪比的特点。同时ARM硬件上可对多达64个采样值进行平均计算，以便提高精度。软件上，基于ARM的ADC模块含有一个可编程的序列发生器，它可在无需控制器干涉的情况下对多个模拟输入源进行采样。4个可编程的采样转换序列，入口长度1到8，每个序列均带有相应的转换结果FIFO。每个采样序列均对完全可配置的输入源、触发事件、中断的产生和序列优先级提供灵活的编程。

电路连接使用2路单端输入，中断方式接收数据。采集电路分为采样电压和采样电流两个部分。采样电压部分用分压电阻获取小电压模拟信号，经电压跟随器进行高低阻抗匹配后，进行一阶滤波后送给ADC进行采集。同样，采样电流部分是通过在负载侧串联一个功率采样电阻，经旁路电流监控器进行模拟监控放大，输出经电压跟随器进行高低阻抗匹配后，进行一阶滤波后送给ADC进行采集。为保证高精度，减少数字噪声对模拟信号的影响，在电源输入端加去耦电路，同时将数字信号、电源、地线分层布线，减少模拟信号干扰。电压及电流采集前端原理图如图4所示。

图4　电压及电流采集前端原理图

2.3通断电控制部分

通断电控制部分通过继电器来实现。由于继电器的线圈驱动需要至少89.3 mA电流，故在前端施加三极管驱动放大电路。通过ARM I/O口控制高低电平的输出，实现继电器辅助部分常开端和常闭端的切换，从而实现对负载的控制。同时可通过手动开关来实现对负载的开关电。通断电控制部分原理图如图5所示。

图5　通断电控制部分原理图

2.4保护部分［3］

保护部分通过自动智能检测和热保护来实现。自动智能检测分两部分，一是通电瞬间的过流保护。上位机发通信命令通过RS485总线传递给ARM，ARM通过控制I/O为高电平，继电器动作使负载通电。当ADC模块检测到通电电流大于2 A时，ARM自动控制I/O为低电平，迅速使继电器恢复默认状态，切断电源供电。二是运行中的过流保护。负载在正常供电期间，突然发生短路、低阻抗等情况时，ADC模块检测到运行电流大于2 A时，ARM也可通过控制I/O使得负载断电，从而避免负载通过过大电流而出现异常、烧毁等情况。热保护通过LM2576供电保护芯片实现，当以手动方式通电时，如果出现过载、短路等电流大于3 A的情况时，LM2576内部电路检测到过热后，会激活热关断功能，从而实现电流限制保护。

2.5通信部分

通信部分为RS485总线，按照自定的通信协议，下位机通过地面主机转发与上位机PC机进行数据交互。ARM自身不带RS485接口，本设计中通过RS485隔离芯片实现RS232与RS485总线的转换。本设计中另具备RS485－单总线转换电路，可通过电力载波与井下仪器串进行通信。RS485通信部分原理图如图6所示。

图6　RS485通信部分原理图

2.6单总线转换部分［4］

地面监控盒除了使用RS485总线可以与井下仪器串进行数据交互外，还要通过单总线实现数据通信，即依据电压叠加原理，将数据叠加在电力线的直流供电电压上，实现载波通信。这样的好处是电缆线束可以减小到一根，利用单芯屏蔽线缆即可实现对井下仪器串的检测控制，减轻电缆重量，节省成本。单总线转换框图如图7所示。其中，对于ASK调制解调，总线上有信号代表高电平，无信号代表低电平。调制解调、放大、滤波电路均由电源供电，最终的单总线信号叠加在电源线上。

3　地面监控系统软件设计

地面监控系统的软件流程图［5］如图8所示。

图7　单总线转换框图

3.1协议格式

软件中采用自定的通讯格式。计算机向其他设备发送的数据通讯格式为16字节帧头，1字节接收方地址，1字节发送方地址，1字节命令字，1字节后续字节长度，若干字节数据，1字节校验。校验采用异或校验方式。其他设备应答计算机命令的数据通讯格式与计算机向其他设备发送的数据通讯格式类似。

串口通讯设备地址定义为:计算机－46H，地面主机－4EH，仪器串监控盒－60H。

图8　地面监控系统工作流程图

命令字控制为3个，分别是连接仪器、控制继电器通断电命令、读取仪器串电压电流命令。

3.2连接命令

本功能说明: PC软件运行后，须先选择“通讯”菜单下的“连接仪器”，此时计算机向所有设备发出命令，以检测各设备是否挂接，如设备返回数据异常或无返回，则计算机软件中对应此设备的部分功能不可用。

3.3通断电控制命令

上位机可通过监控盒实现仪器串的通断电，同时监控盒将仪器串通电、断电状态信息传送给上位机。监控盒回应数据不受机械开关状态的影响。如上位机发命令控制仪器串断电，监控盒回应相应数据，此后机械开关通电，监控盒不受任何影响。即自动上电和手动上电为并联关系。

3.4读取参数命令

连续采集给仪器串供电的电压量和电流量，采集精度不低于指示表的精度。采集完的数据实时发送给上位机。电流和电压满量程均为0x3FFh(3 V)，采集的电压量为原始值的1/10，电流值为原始值的1/20。在上位机界面中，把此信息量再还原为原始值供用户观测。

4　试验结果

地面监控系统在川庆油田某井位进行了实际验证。随钻测井仪器在下井前，不论是短线缆还是长线缆，手动控制或自动控制，监控系统均通断电执行正确，电压、电流指示无误，RS485总线及单总线收发数据正常，具有很高的可靠性。当有短路、过载等异常情况发生时，监控盒能及时动作执行保护功能。同时本监控盒尺寸为173 mm×80 mm×58 mm，尺寸小巧，现场使用方便灵活。

5　结论

1)由于油田属于复杂苛刻恶劣的环境，柴油发电机、泵机等电磁干扰严重，风雪雨雾雷电天气照常作业、静电干扰、浪涌现象都无法避免，本设计充分考虑了各种保护措施。

2)本系统电气上采用了高性价比的ARM处理芯片，其片内集成了ADC、GPIO、RS232等外围设备接口，具有低成本、低功耗、高性能、扩展性及冗余性强等特点。同时采用RS485总线与系统进行数据交互，节点扩展性强。结构上，盒体内部加装密封圈，壳体对外不留缝隙，防水性强。ARM作为低功耗器件，保证了热设计和供电衰减设计。总之，在功能满足要求的前提下，电磁兼容、防水防雷防潮等均得到了满足。

3)本设计优点是产品小巧坚固耐用，成本低，可靠性高，兼容性强，使用方便。现场运行结果说明，本仪器产品架构设计合理，系统运行稳定，测量参数准确，功能保护齐全，能够满足随钻测井中对井下仪器串监控的需要，可大量用于各大油田的随钻测井系统中，完成对现场仪器串(包括电阻率测试仪、中控短节、旋转导向工具等)的测试。

参考文献

［1］梁志勇，基于LM3S8962处理器的煤矿监测系统的研究［D］.北京:北京交通大学，2010.

［2］陈浩.基于ARM的石英挠性加速度计采集处理电路设计［D］.哈尔滨:哈尔滨工程大学，2007.

［3］王书光，张开如.一种智能电源监控系统的设计［J］.电源技术应用，2007，10(03): 58－61.

［4］张晓宇，单总线数据传输方案研究［D］.南京:南京理工大学.2013.

［5］李安宗，白岩.基于CPLD控制的随钻测井数据采集系统的设计［J］.测井技术，2010，34(3): 257－261.

Development and Application of LWD Ground Monitoring System Based on ARM Chip

MA Wenkui1，CHEN Zhongquan2，ZHANG Zhenquan2，MA Huibin1，AN Jingang1，ZOU Jihua1
(1.China Aerospace Science and Industrial inertial technology Company，Beijing 100074，China; 2.GWDC Drilling Company，Panjin，Liaoning 124010，China)

Abstract:A ground monitoring system was designed to solve the problem of locale inconveniences from LWD ground system operation and the problem of the operator's repeating and tiring work.The optimal scheme was designed based on the inheritable products through the analysis of requirement of ground monitoring system.Combing with the locale environment，selection was done with the ARM chip and other parts，then the design was accomplished by the schematics，which includes datum sampling part，power and break part，power protect part and corresponding part.According to the software process diagram of monitoring system，code modules was compiled based on user-defined corresponding protocol format，thus realized the cooperate design of embedded system.The result of actual application showed that the system controlling，corresponding，and protecting run normally，and the technical parameters meet the design qualification and the need of monitoring the downhole instrument string in LWD system.

Key words:ARM; monitoring system; sample; protect; protocol

(收稿日期:2015－02－11编辑:姜婷)

第一作者简介:马文奎，男，1984年生，硕士，工程师，2006年毕业于哈尔滨工程大学自动化专业，现在航天科工惯性技术有限公司从事随钻测井仪器的总体研发工作。E-mail: kidma666@ aliyun.com

中图法分类号:TN914

文献标识码:A

文章编号:2096－0077(2016)01－0018－05