李長星，胡振華，王 波

(西安石油大學電子工程學院，陜西西安 710065)

0 引言

脈沖中子氧活化測井水流儀地面系統(tǒng)的主要功能：接收井下儀器上傳的信號，解析數(shù)據(jù)并上傳至上位機；同時，接收上位機下發(fā)指令，并發(fā)送給井下儀器。文中是對傳統(tǒng)氧活化測井儀地面系統(tǒng)的改進，該系統(tǒng)提供ISA總線接口規(guī)范，可實現(xiàn)與系統(tǒng)的快速配接，若用戶需要完成不同系列儀器配接時，只需要在前面板盤模組處更換相應的板卡和相應的軟件界面，即可實現(xiàn)不同儀器的配接。

1 脈沖氧活化測井原理

脈沖氧活化測井是一種測量水流速度的方法。由雙脈沖熱中子衰減時間測井技術(shù)發(fā)展起來的動態(tài)測量技術(shù)，其核心是用高能脈沖中子激活氧原子并引發(fā)多種核反應，其一為氧活化反映。激發(fā)態(tài)下的氧原子釋放出高能伽馬射線，通過探測伽馬射線時間譜，來反映油管內(nèi)、油管/ 套管環(huán)型空間、以及套管外含氧物質(zhì)特別是水的流動狀況。根據(jù)儀器源距就可計算出水流速度，在管徑已知且不變的條件下，可以計算出水流流量?？捎糜跈z查射孔井段封堵、半段井下工具位置、檢查配注井漏點位置、檢查井下工具工作狀況和套管竄槽位置等。脈沖中子氧活化測井儀結(jié)構(gòu)圖，如圖1所示。

圖1 脈沖中子氧活化測井儀結(jié)構(gòu)圖

脈沖中子氧活化測井儀地面系統(tǒng)，主要是對井下中子管的工作狀態(tài)進行控制，以得到合適的中子發(fā)射周期和中子產(chǎn)額。為此需要控制的參數(shù)有陽極脈沖的時序、燈絲電壓的幅度、靶壓的幅度等。需要監(jiān)測的信號有儀器纜頭電壓、燈絲電流、靶壓幅度、4個探測器的計數(shù)等。

2 系統(tǒng)硬件

氧活化測井地面系統(tǒng)主要由地面系統(tǒng)控制電路和ISA總線控制電路兩部分構(gòu)成。

2．1地面系統(tǒng)控制電路

地面系統(tǒng)與井下儀器通過電纜實現(xiàn)雙向通信，地面系統(tǒng)由信號接收和下發(fā)命令2個模塊構(gòu)成，通過主單片機和次單片機的基本系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存儲、總線收發(fā)、上傳信號前端處理以及下發(fā)命令后端處理等電路實現(xiàn)。其中，主單片機主要用于數(shù)據(jù)處理、指令下發(fā)與上位機通信等控制操作，而次單片機用于幀同步校驗及顯示。主單片機以50 ms的幀周期工作，通過片內(nèi)通信D0-D3，F(xiàn)R(幀同步)，SYNC1(字節(jié)同步)與次單片機通信，得到溫度、壓力、節(jié)箍、自然伽馬、Iw等上傳的數(shù)據(jù)值，并通過電路調(diào)解出的PCM命令并對其命令解釋，將有效的數(shù)據(jù)上傳至上位機進行下一步處理；同時，將上位機所下發(fā)的命令以PCM方式編碼并輸出A(正脈沖)、B(負脈沖)信號，將該信號通過驅(qū)動電路送至電纜，并下發(fā)給井下儀器。

井下儀器上傳信號經(jīng)過變壓器T3-T4端口接收，為了消除電纜電荷的積累，所有的脈沖信號均隔一個正脈沖和一個負脈沖發(fā)出，因此，接收到的脈沖信號經(jīng)過濾波、整流電路后，得到正脈沖。前端處理電路如圖2所示，其工作原理如下：首先，對該正脈沖進行信號放大處理。其次，由于傳輸過程中的干擾，使得上傳信號產(chǎn)生畸形，因此，需對其進行脈沖信號整形。為了恢復信號的幅度，需要將放大的信號進行電壓比較，通過調(diào)節(jié)電位器消除傳輸過程中帶來的畸形脈沖，從而得到與上傳信號一致的脈沖序列。再次，將該脈沖經(jīng)過74LS221脈沖整形電路，根據(jù)外圍器件RC參數(shù)從而恢復脈沖信號的脈寬。經(jīng)過前端處理電路處理過的信號SIGD，通過串口線發(fā)送給上位機進行軟件校對、數(shù)據(jù)采集等工作。同時，上傳信號SIGD作為主單片機INT1的觸發(fā)脈沖，配合T0調(diào)用中斷命令，并將上傳的數(shù)據(jù)通過鎖存器存入雙端口RAM中。

圖2 上傳信號前端處理電路

后端處理電路工作原理如下：上位機下發(fā)的執(zhí)行命令由ISA總線傳輸給總線收發(fā)器，通過控制總線收發(fā)器，可將執(zhí)行命令存入雙端口RAM中，等待主單片機的/RD信號將執(zhí)行命令送至主單片機進行操作。與此同時，下發(fā)命令通過從單片機進行校驗，信號從其P1端口發(fā)出，經(jīng)過DIP開關(guān)整合得到復合命令(CM+CMT)，將此復合命令送至主單片機的P2．6和P2．7口。其中，主單片機的P1．0和P1．1端口分別作為定時計數(shù)器T2的外部計數(shù)器和外部控制器，對外發(fā)送執(zhí)行命令。為了降低傳輸功耗，下發(fā)命令以正負脈沖A、B的形式發(fā)出。該A、B脈沖信號經(jīng)限幅、電平轉(zhuǎn)換電路得到TTL脈沖，并在驅(qū)動電路的作用下，由變壓器的T5-T6-T8端口發(fā)送給井下儀器執(zhí)行命令。下發(fā)命令后端處理電路原理圖，如圖3所示。

圖3 下發(fā)命令后端處理電路

2．2ISA總線控制電路

氧活化測井儀地面系統(tǒng)的系統(tǒng)總線采用ISA總線實現(xiàn)，地面系統(tǒng)與上位機機之間通過ISA總線交換數(shù)據(jù)的實現(xiàn)方法為共用單片機系統(tǒng)外部數(shù)據(jù)存儲器與靜態(tài)數(shù)據(jù)傳送相結(jié)合的方法。

ISA總線的總線周期分成兩類：一類是CPU驅(qū)動的總線周期；另一類是DMA控制器驅(qū)動的總線周期。在設(shè)計擴展卡時，可使用CPU總線周期中的I/O讀寫和DMA驅(qū)動的DMA傳送方式。DMA傳送方式多用于實時性要求高、數(shù)據(jù)量很大的場合，其接口電路設(shè)計比較復雜。通常，ISA總線采用I/O讀寫方式。在I/O讀寫周期中，地址碼在讀寫過程中一直保持有效，可直接作為接口芯片的地址信號，不需進行鎖存。I/O讀寫信號均為低電平有效。

由于通信信道為單芯電纜，因此單片機系統(tǒng)采用分時復用總線的工作方式，低八位地址碼與數(shù)據(jù)在一個讀寫周期中分時出現(xiàn)在單片機的P0口，需對低八位地址信號進行鎖存。在設(shè)計接口卡時，要嚴格遵循雙總線的操作時序。需要注意，由于DMA傳送過程中也需要使用I/O讀寫信號，因而設(shè)計電路時要在地址譯碼電路中使用DMA傳送的地址允許信號進行屏蔽，以防止接口誤操作。同時，為了防止時序混亂，采用總線控制模塊實現(xiàn)總線系統(tǒng)之間進行隔離，同時還要設(shè)置兩個系統(tǒng)之間的公用數(shù)據(jù)交換區(qū)，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。ISA總線接口電路原理圖，如圖4所示。

圖4 ISA總線接口電路原理圖

井下儀器內(nèi)部通信是由井下儀器各個單片機通過LIN總線互相傳遞數(shù)據(jù)和命令的過程。其原理圖，如圖5所示。串行通信采用9位多機通信方式，波特率為20 kHz．其中遙傳短節(jié)內(nèi)的TU1為主單片機，其他各短節(jié)內(nèi)的單片機為次。TU1單片機既發(fā)命令也接受數(shù)據(jù)，其他單片機只接受命令和發(fā)送數(shù)據(jù)，不接收數(shù)據(jù)，以免受其他單片機影響。

圖5 井下系統(tǒng)控制原理圖

3 系統(tǒng)軟件下的通信協(xié)議

3．1通信協(xié)議解釋

地面系統(tǒng)發(fā)送的控制命令及數(shù)據(jù)信息均采用PCM編碼方式，屬半雙工通訊。地面儀器工作時不斷檢測電纜上有無信號，當檢測到電纜上有信號，則代表井下在上傳數(shù)據(jù)。如果出現(xiàn)一段時間間隔內(nèi)(1 ms)無信號，表示井下儀器一幀數(shù)據(jù)已結(jié)束，該地面系統(tǒng)開始下發(fā)命令。與此同時，井下儀器每隔50 ms主動發(fā)送一組數(shù)據(jù)并接收一次命令(即1幀)，每幀50 ms時間分為5個10 ms段，第一段10 ms為命令框，這時井下儀器不發(fā)數(shù)據(jù)，接收地面儀器發(fā)送的命令。第二段至第五段分別為井下儀器上傳的數(shù)據(jù)段，也叫數(shù)據(jù)框。每框含5個18位字，含1個狀態(tài)字，4個數(shù)據(jù)字，每字占空間1 900μs，包括18位及一個100 μs間隔。有效位16位，第17位是檢驗位，第18位總是“0”。地面系統(tǒng)與井下儀器通信協(xié)議幀格式，如圖6所示。

圖6 幀命令格式

3．2狀態(tài)字與數(shù)據(jù)位的識別

系統(tǒng)采用時分復用通信方式，即對信道中相位抖動及接收端與發(fā)送端的時鐘同步問題提出了較高的要求。接收端根據(jù)對同步信號的識別，讀取數(shù)據(jù)和命令傳送等。

井下儀器向地面系統(tǒng)發(fā)送的數(shù)據(jù)需要先對其狀態(tài)字進行同步校驗。通過判斷狀態(tài)字，可得到上傳數(shù)據(jù)對應的井下信息。上傳數(shù)據(jù)的每個狀態(tài)字占空間1 900 μs，包括18位及一個100 μs間隔。有效位16位，第17位是檢驗位，第18位總是“0”。每位占100 μs，每位前有一個位同步脈沖，100 μs中部有脈沖，代表該位為1，無脈沖為0。地面系統(tǒng)在讀取數(shù)據(jù)之前，先對此碼組進行幀同步校驗。判斷上傳數(shù)據(jù)是否符合要求，符合則上傳數(shù)據(jù)，否則等待下一幀命令。

當數(shù)據(jù)傳送完成后，地面儀器下傳復合命令(CM+CMT)。復合命令分兩部分，前部分為狀態(tài)命令CM，6位，每位280 μs，共280 μs×6，分布在前5 ms中部；后部分為靶壓命令CMT，4位，280 μs×4，分布在后5 ms中部。每位前有一個位同步脈沖，其后有一個數(shù)據(jù)脈沖，用同步脈沖和數(shù)據(jù)脈沖之間的距離表示該位是1或0，同步脈沖和數(shù)據(jù)脈沖之間的距離小于140 μs表示該位為0，大于140 μs表示該位為1。井下儀器在讀取數(shù)據(jù)之前，先對該特定脈寬脈沖進行幀同步校驗。判斷下發(fā)命令是否正確，正確則執(zhí)行命令，否則返回待命。

4 結(jié)束語

該設(shè)計是對傳統(tǒng)氧活化水流測井儀地面系統(tǒng)的改進，通過單片機控制實現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳與命令下發(fā)的通信。另外，設(shè)計所提供的ISA總線接口規(guī)范，可實現(xiàn)與系統(tǒng)的快速配接，當需要不同系列儀器配接時，只需要在前面板盤模組處更換相應的板卡和相應的軟件界面即可實現(xiàn)，具有良好的設(shè)備兼容性。

參考文獻：

[1]龔杰，李鳳．MZY-DD1脈沖中子氧活化測井儀．石油儀器，2002，16(2)：24-26．

[2]鄭權(quán)．單芯脈沖中子氧活化測井儀．石油儀器，2005，19(5)：13-15．

[3]楊建峰．DS-iv型43mm 雙向氧活化測井儀．石油儀器，2009，23(5)：38-40．

[4]和志明．氧活化測井水流時間譜重要峰分離研究．國外測井技術(shù)，2010，177：46-51．

[5]陸國雷．基于ISA 總線的無人駕駛直升機遙測數(shù)據(jù)地面處理系統(tǒng)．遙測遙控，2002，23(2)：31-33．

[6]韓豐田．ISA總線與雙口RAM芯片IDT7025的接口設(shè)計及應用．電測與儀表，2000，419(11)：37-40．

[7]瞿英．ISA總線與高速數(shù)據(jù)采集卡的接口技術(shù)．江蘇電器，2003(6)：4-6．

[8]范乃強．基于USB總線的數(shù)控測井地面數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)．儀表技術(shù)與傳感器，2009(1)：59-61．

[9]殷瑋瑋．高級微機ISA總線上的多功能接口板．核電子學與探測技術(shù)，2002，22(3)：276-278．

[10]李曉麗．單片機與上位機串行通信系統(tǒng)設(shè)計．儀表技術(shù)，2010(7)：45-47．

[11]王忠飛．MCS-51單片機原理及嵌入式系統(tǒng)應用．西安：西安電子科技大學出版社，2007：193-240．

[12]樊昌信．通信原理，第五版．北京：國防工業(yè)出版社，2006：206-214．

作者簡介：李長星(1966—)，副教授，碩士，測試計量及儀器。

E-mail：1070071464@qq．com

胡振華(1981—)，助理工程師，碩士研究生，測試計量及儀器。E-mail：huquan125@163．com