基于LabVIEW的实时信号处理软件在随钻测量系统上的设计与应用

方　娟

(中国电子科技集团公司第二十二研究所　河南　新乡　453003)



·开发设计·

基于LabVIEW的实时信号处理软件在随钻测量系统上的设计与应用

方娟

(中国电子科技集团公司第二十二研究所河南新乡453003)

摘要：为了实现随钻测量地面系统的实时信号处理，根据LabVIEW平台强大的信号处理能力和可视化优点，基于LabVIEW平台设计开发了随钻测量地面系统的实时信号处理软件，实现了数据采集、数字滤波、解调解码、实时显示等功能。现场多口井的累计工作验证，基于LabVIEW平台开发的软件性能稳定、效果良好。

关键词：随钻测量；LabVIEW；实时信号处理

0引言

随钻测量系统，是以电磁波方式或泥浆脉冲方式实现地层传输的无线传输系统，由地面系统和井下工具组成。地面系统主要完成对电磁波信号或泥浆脉冲信号的接收和处理，其核心为实时信号处理系统，实现对来自放大滤波后信号的数据采集、数字滤波以及解调解码等功能。

为了实现随钻测量地面系统的实时信号处理，根据LabVIEW平台强大的信号处理能力和可视化优点，设计开发了基于LabVIEW平台的随钻测量地面系统的实时信号处理软件，完成信号采集、噪声抑制、数字滤波、解调解码等功能，并且在信号处理过程实现信号的实时显示及参数监控。该软件的效果和性能已经在现场得到充分验证。

1虚拟仪器和LabVIEW简介

虚拟仪器(Virtual Instrument，VI)是基于计算机系统的数字化测量测试仪器，它充分利用现有计算机资源，并配以独特设计的仪器硬件和专用软件，能实现普通仪器的全部功能以及一些在普通仪器上无法实现的特殊功能。它利用数据采集模块完成一般测量测试仪器的数据采集功能，利用计算机系统完成一般测量测试仪器的数据分析和输出显示等功能[1]。

LabVIEW(Loboratory virtual Instrument Engineering Workbench)是虚拟仪器领域中最具有代表性的图形化编程开发平台，是一种图标代替文本行创建应用程序的图形化编程语言。使用这种语言编程时，基本上不写程序代码，取而代之的是流程图。LabVIEW是一个面向最终用户的工具,它尽可能利用了技术人员、科学家、工程师所熟悉的术语、图标和概念[2]。它可以增强用户构建自己的科学和工程系统的能力，提供了实现仪器编程和数据采集系统的便捷途径。

在工具包方面，LabVIEW不仅提供了大量的工具与函数用于数据采集、分析、显示和存储，使得其在测试、测量和自动化等领域具有更大的优势；同时它还提供了大量常用于自动化测试测量领域的图形控件，并且可与VC++、C语言、MATLAB等进行交叉编程[3]，其提供的界面操作模式在系统应用过程中，便于人机对话、实时调试和监控等。

2理论研究

在随钻测量系统的地面系统中，要实现实时信号处理软件的开发设计，即实现数据采集和处理，就需要研究：普通采集卡的LabVIEW驱动编程，数字滤波器的设计，以及虚拟示波器的设计等。

2.1数据采集

数据采集部分是通过自制的数据采集卡来实现的。数据采集部分主要完成数据采集卡的配置，包括设备号、通道选择控制、缓冲区大小、采样速率、采样点数等的控制。

LabVIEW本身带有DAQ模块，但是只能驱动NI公司的采集卡，无法驱动普通的A/D数据采集卡。LabVIEW有两种驱动普通A/D卡的方式：即利用CIN图标调用C语言驱动程序和动态数据交换(DDE)技术。

本文采用的是调用CIN图标进行编程实现对数据采集卡的驱动方式。CIN图标是LabVIEW图形化编程语言环境与C语言的接口，它通过输入、输出端口实现两种语言之间的数据传递。当LabVIEW的程序运行到CIN节点时，数据由CIN的输入端口传递给C源代码图标，程序转去执行C源代码，代码执行完后，得到的数据结果由CIN的输出端口返回给LabVIEW[1]。由此，可以利用CIN图标实现LabVIEW对普通采集卡的驱动。图1为采用CIN图标实现采样频率、通道选择等数据采集控制的实例。

图1　数据采集控制实例(CIN图标法)

2.2数字滤波器

数字滤波器(Digital Filter)是指完成信号滤波处理功能的，用有限精度算法实现的离散时间线性非时变系统，其输入是一组数字量，其输出是经过变换或处理的另一组数字量[4]。数字滤波器具有稳定性高、精度高、灵活性大的突出优点。一般来说，数字滤波器分为FIR滤波器和IIR滤波器，由于FIR滤波器的线性相位和设计简单等明显优点，故而本软件设计选择了FIR滤波器。

FIR数字滤波器的设计方法主要是建立在对理想滤波器频率特性作某种近似的基础上，通常有窗函数法、频率抽样法及最佳一致逼近法。选用窗函数法设计FIR 滤波器时，要选择合适的窗函数。窗函数的作用主要是实现信号截断和减少谱泄露，一般希望窗函数满足两项要求：①主瓣宽度要小，以获得较陡的过渡带；②与主瓣的幅度相比，旁瓣应尽可能小，以减少肩峰和余振，提高阻带的衰减。

由于这两个要求难以同时满足，故而实际中采用的窗函数特性往往是两者的折衷，即在保证主瓣宽度达到一定要求的前提下，适当牺牲主瓣宽度来换取旁瓣波动的减小[5]。常用的窗函数的特性见表1，其中Δω=2π/N，N为窗长度。

本文直接利用LabVIEW自带的滤波器完成FIR加窗数字滤波器，选择的窗函数为Hanning窗。图2为滤波器设计的界面(前面板)和程序框图。

表1　常用的窗函数指标

2.3虚拟示波器

虚拟示波器可以实现传统示波器所能实现的各种功能，也可以根据用户需要来实现一些专用功能而无需浪费其他资源。

LabVIEW语言环境的一个强大的功能是实现信号处理过程中的数据显示及参数调整，因此可以利用LabVIEW编程软件进行虚拟示波器的设计。具体功能可包括以下五个方面的内容：

1)波形显示：包括时基控制、幅度控制、波形的清除；

2)参数测量模块：包括峰峰值、频率和周期等参数的测量功能；

3)波形的存储、读取：将波形存储在指定位置，并实现从指定位置读取；

图2　滤波器设计的界面和程序框图

4)多波形显示与运算模块：提供了多通道波形同时显示模式及波形的运算；

5)数据分析：包括FFT频谱分析及功率谱分析。

虚拟示波器不仅实现了一般通用数字存储示波器的功能，而且充分发挥了计算机的强大功能和LabVIEW在仪器开发方面的灵活性，可根据需要增加或减少仪器的功能，根据自己的喜好设计示波器界面，同时可利用网络进行远程测量，做到硬件资源和测试数据的共享[6]。

3基于LabVIEW的实时信号处理软件在随钻测量系统上的应用

采用上述的数据采集、滤波器设计、虚拟示波器设计等完成了基于LabVIEW的实时信号处理软件的设计与开发。该软件应用于随钻测量地面系统中，实现了井下发射上来的信号的采集、数字滤波、实时显示、信号解码等功能。

首先，随钻测量地面硬件系统接收井下发射上来的信号，对其进行硬件滤波、放大，送入数据采集卡中。

其次，通过计算机和数据采集卡的信息交互，实现实时软件对数据采集卡的参数设置；数据采集卡根据具体的参数进行采集，并通过计算机和数据采集卡的交互将采集到的数据送入实时软件中。

最后，实时软件完成了对该数据的数字滤波、信号解调解码，同时也实现了处理过程中的图形显示和参数监控。实时软件的流程图如图3所示。

图3　实时软件的流程图

该软件的解码数据最终发送给随钻测量系统的Navigate软件，进行现场工程参数数据的恢复并作为现场钻井施工的指导。

目前，在随钻测量系统下，采用了两种不同的工作模式：一种是DPSK模式，传输速率快但耗电快；一种是PPM模式，传输速率较慢但电池使用寿命长。在现场作业时可根据用户不同需求进行下井前的不同模式的设置，图4为对应的两种不同工作模式下的实时软件界面。

该软件人机交互友好，可实现以下图形显示和参数监控：

1)根据现场情况进行不同工作模式的选择

2)根据现场情况进行不同发射频率的选择

3)虚拟示波器：

(1)多波形显示：原始信号的时域波形;原始信号的频域波形;滤波后信号的时域波形；滤波后信号的频域波形；检波后信号的时域波形；门限信号的时域波形；解调后信号的时域波形；判决后信号的时域波形；

(2)数据分析：频谱分析

(3)时基控制：波形显示时间的控制

(4)幅度控制：当信号过大，超出刻度范围或信号过小，无法观察清楚时，点击“Y刻度”可以将信号置于适合观察的位置

图4　实时软件界面

4)判决门限、解码门限、同步门限的实时控制；

5)根据现场需要实时存储原始信号；

6)解码数据的实时显示、存储、发送；

7)数据可信度计算和存储。

图5和图6为该软件应用于随钻测量系统中一些实例。目前该软件已在100多口井上应用过，累计时长超过48 000 h，性能稳定，效果良好。本实时软件的信号处理、虚拟示波器及数据存储均是同步进行的，波形显示不会影响数据的实时处理。

图5　PPM模式的实时软件实例

图6　DPSK模式的实时软件实例

4结束语

本文研究了数据采集卡的驱动、数字滤波器及虚拟示波器的设计等，实现了基于LabVIEW的实时信号处理软件的设计与开发，并成功地应用于随钻测量系统中。研究结果表明：

1)实时信号处理软件具有较强的实时信号处理能力，可以较快实现与信号处理相关的各种计算处理，时效性满足随钻现场应用。

2)实时信号处理软件界面显示及操作方便，人机交互友好，用户可以很清楚地看到信号波形显示，并且可以实现对参数的实时调整。

3)实时信号处理软件已在现场得到充分验证，性能稳定得到用户认可。

4)由于LabVIEW强大的信号处理能力和可视化优点，利用该平台进行软件的开发可以加快新产品的研发速度。

参 考 文 献

[1] 杨忠仁，饶程，邹建等.基于LabVIEW数据采集系统[J].重庆大学学报.2004,27(2):32-35.

[2] 周鹏.精通LabVIEW 信号处理[M].北京：清华大学出版社，2013：3-6.

[3] 刘刚，王立香，张连俊.LabVIEW 8.20中文版编程及应用[M].北京：电子工业出版社，2008：8-10.

[4] 胡广书.数字信号处理——理论、算法与实现[M].北京：清华大学出版社，1998：259-263.

[5] 王世一.数字信号处理[M].北京：北京理工大学出版社，2004：316-320.

[6] 戎舟.基于LabVIEW的虚拟示波器及其远程测控[J].微计算机信息.2004,20(5):66-67.

Design and Application of Real-time Signal Processing Software based on LabVIEW in MWD System

FANG Juan

(China Electronics Technology Group Corporation No.22 Research Institute,Xinxiang,Henan 453003,China)

Abstract：With the aim of realizing real-time signal processing of MWD surface system,the software is designed and developed based on LabVIEW platform taking advantage of its good visualization function and strong signal processing performance.The software achieves functions like data acquisition,digital filtering,modulation and decoding,real-time display,etc.The software is tested in various well sites with the result of stable and good performance.

Key words：measurement while drilling;Lab VIEW;real-time signal processing

第一作者简介：方娟，女，1984年生，工程师，2008年毕业于中国石油大学(华东)信号与信息处理专业，获硕士学位，现在中国电子科技集团公司第二十二研究所从事石油随钻仪器研发和生产工作。E-mail:sunny.fj@163.com

中图法分类号：TE271

文献标识码：A

文章编号：2096-0077(2016)03-0024-04

(收稿日期：2016-01-05编辑：高红霞)