基于单片机的测井绞车面板设计

曾自强，张雄辉

(川庆钻探测井公司　重庆　400021)



基于单片机的测井绞车面板设计

曾自强，张雄辉

(川庆钻探测井公司重庆400021)

摘要:为了减少误差，获取准确的深度值，并提醒操作人员及时停车射孔，设计了一种基于单片机的绞车面板。该面板以C8051F021单片机为核心，对深度和张力信号进行模块化处理，然后以LED的方式显示深度、速度、张力、差分张力和倒计时，其中深度显示范围为9 999.99 m，分辨率为10 mm，具有结构简单、可靠性高、精度高等特点，满足了工作需求，并给出了相关的电路原理图。

关键词:C8051F021;单片机;深度信号;张力信号

0　引言

在石油测井作业中，绞车面板起着至关重要的作用，不仅要求能够准确的为绞车操作人员提供下井仪器的深度、速度、张力、差分张力等基本信息，以确保施工安全和正常施工，还要求绞车面板能够与地面系统进行通讯，将数据传递给地面测井软件，进行存储、显示，辅助测井曲线，确保测井资料的准确获取。

单片机具有体积小、集成度高、能耗低和成本低等优点［1］，已广泛应用于工业控制和智能仪器仪表中。单片机的指令系统丰富，可以根据控制要求设计相应的功能，重要的是可以通过软件方法代替部分硬件功能，极大的扩展单片机的功能。

本文介绍以C8051F021单片机为核心的控制单元，结合MAX7219多功能显示驱动芯片驱动LED数码管，以少量的驱动电路和分立元件实现了测井绞车张力、速度和深度数据的测量及显示。

1　总体设计

测井绞车面板框图如图1所示。

图1　测井绞车面板框图

马丁代克深度脉冲信号经过深度信号处理单元送入单片机单元进行采集，井口张力计张力信号经过张力信号处理单元也送入单片机单元进行采集，单片机单元将采集到的信号进行计算和处理，并将深度及张力信号等送入绞车面板显示单元进行显示，同时主机采集箱通过RS485接口和绞车面板进行串行数据通讯。

2　深度信号处理单元

2.1增量式光电编码信号［2，3］

增量式光电编码器是目前测井中普遍使用的测量深度和速度的传感器件，它的特点是每产生一个脉冲信号就对应于一个增量位移，输出脉冲数与位移量成正比关系。当测井电缆上提下放时，电缆带动光电编码器旋转，产生A、B两路相位相差90°的脉冲信号。下放时正转A超前B为90°，上提时反转B超前A为90°，通过对脉冲信号进行计数就可以得到绞车深度，而单位时间内的脉冲数所对应的电缆长度即为绞车速度。目前所使用的编码轮旋转一周的长度是0.768 m，对应983个脉冲，所以1 280个脉冲对应1 m。

2.2深度信号处理电路

深度信号处理电路原理如图2所示。

图2　深度处理电路原理图

马丁代克脉冲信号首先进入整形单元进行整形，然后送入四选一数据选择器对信号进行选择，再送入防抖电路。当电缆发生抖动时，A、B两路深度信号会出现只有一路信号的情况，这时判向电路会失去判向功能从而使深度计数出现误差，防抖电路的作用就是避免这种情况的发生。

判向电路根据A、B深度信号的相位甄别出电缆的方向电平，当A信号相位超前B信号相位90°时输出高电平，当B信号相位超前A信号相位90°时输出低电平，输出做为判向信号输入单片机处理单元，判向波形如图3所示。

图3　判向波形图

二倍频电路，将A、B两路深度信号异或后生成二倍频脉冲，倍频电路波形图如图4所示。

图4　倍频电路波形图

倍频脉冲经计数器4分频后做为深度信号送入单片机处理单元，由单片机根据每米对应的脉冲数计算出深度值。

3　张力信号处理单元

张力信号处理单元由三部分组成:第一级差分放大器、第二级主放大器和差分张力信号处理通道组成，如图5所示。

图5　张力信号处理单元

张力信号一般是电桥信号，所以第一级用高精度差分放大器将其转为单端信号。第二级主放大电路，有两个电位器可调节张力增益的大小和张力零点。

差分张力指示的是张力的变化量。当卸放开关闭合时，通过卸放电阻使差分张力复零。通过一滑动变阻调节差分张力通道的基值，通常为1.25 V。

4　单片机单元

4.1C8051F021单片机简介

微控制器C8051F021是完全集成的混合信号系统级芯片，具有与8051兼容的微控制器内核，与MCS－51指令集完全兼容，可用Keil C高级语言开发。C8051F021具有8路12位ADC和2路12位DAC;片内电源监视、时钟、串行总线、外部中断源;可编程I/O口;其串口几乎覆盖了全部串口通讯标准;4 352Kb的RAM，64KbFALSH存储器［4］。片内JTAG调试支持功能允许使用安装在最终应用系统上的产品MCU进行在系统调试。该调试系统支持观察和修改存储器和寄存器，支持断点、单步、运行和停机命令。在使用JTAG调试时，所有的模拟和数字外设都可全功能运行。

4.2C8051F021单片机处理单元

C8051F021单片机做为绞车面板的处理核心，具有以下几个功能:

1)处理深度脉冲和方向电平。单片机发出控制信号进入选择器，对三组输入信号进行选择。处理后的深度脉冲送入单片机的INT0脚，方向电平送入INT1脚，由单片机根据每米对应的脉冲数计算出深度值、速度值并将其送往显示单元显示。

2)张力和差分张力信号分别进入单片机本身的12 位A/D通道对其对进行采样，换算后送往显示单元显示。

3)和主机通过RS485进行通讯，接收主机的各种控制命令，同时利用总线将深度、张力数据送往主机采集机箱。

5　显示单元

显示控制单元接收单片机送来的深度、速度、张力、差分张力和射孔深度倒计数信号，并在绞车面板上进行显示，同时绞车操作员可以通过按键控制绞车面板。

本单元的基本处理电路是MAX7219集成电路，如图6所示。MAX7219显示驱动芯片是MAXIM公司生产的7段共阴极LED数码管的驱动芯片［5］，它可以驱动八个数码管或者64段单独的发光二极管，由SPI三线串口控制，即数据、时钟和锁存控制信号，具有控制方便、亮度可调，节电等优点。

图6　MAX7219驱动电路

6　结论

本文以C8051F021单片机为核心实现了深度、速度、张力和差分张力的数码管显示，测量值稳定，精度高，最大测量深度范围9 999.99 m，深度分辨率为1 cm，加入了防抖电路，解决了因为电缆抖动而造成的深度误差，最大速度测量范围9 999.99 m/h，最高测速为5 000 m/h。在射孔时，能够以数码管显示倒计数，提示绞车操作人员及时停车进行射孔。绞车面板模块化设计，结构简单，硬件少，故障率低，易维修，在实际测井射孔应用中，取得了很好的效果。

参考文献

［1］李军，蔡风波，唐振欢.马丁代克编码器深度系统改造［J］.石油仪器，2007，21(6): 92－94.

［2］高建民，肖圣，宋永茂.单片机在测井绞车深度面板设计中的应用［J］.石油仪器，2007，21(4): 78－80.

［3］陈丽娟，任家富，张涛.测井绞车深度与速度测量系统设计［J］.中国集成电路应用，2013，22(3): 87－90.

［4］张怀强，邢海霞，周建斌，等.基于C8051F020单片机的数据采集与串口通讯的应用［J］.邢台职业技术学院学报，2006，23(5): 52－64.

［5］李长安，李志勇，赵玲，等.基于MAX7219芯片的大尺寸LED数码显示驱动电路设计［J］.电子设计工程，2011，19(5): 190－192.

The Design of Logging Winch Panel Based on Microcomputer

ZENG Ziqiang，ZHANG Xionghui
(Chuanqing Drilling Logging Company，Chong qing，400021，China)

Abstract:In order to reduce the numerical error，obtain the accurate depth value and remind the operator to stop in time，this paper design a winch panel based on microcomputer.This winch panel uses C8051F021 microcomputer as the core，which can process depth signal and tension signal，and display the depth、speed、tension、differential tension in LED，among them，the displayed depth range is 9999.99 meters，resolution is 1 centimeter.It is proved that the system structure is simple，high reliability，high precision，and satisfied the requirements，finally，the schematic circuit diagram is provided.

Key words:C8051F021; microcomputer; depth signal; tension signal

(收稿日期:2014－12－08编辑:韩德林)

第一作者简介:曾自强，男，1979年生，工程师，2005年毕业于西安石油大学测控技术及仪器专业，现在川庆钻探测井公司从事仪器维修工作。E-mail: zzq-8848@163.com

中图法分类号:P631.8+1

文献标识码:A

文章编号:2096－0077(2016)01－0023－03