方　娟

(中國電子科技集團(tuán)公司第二十二研究所　河南　新鄉(xiāng)　453003)

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·開發(fā)設(shè)計(jì)·

基于LabVIEW的實(shí)時(shí)信號(hào)處理軟件在隨鉆測(cè)量系統(tǒng)上的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

方娟

(中國電子科技集團(tuán)公司第二十二研究所河南新鄉(xiāng)453003)

摘要：為了實(shí)現(xiàn)隨鉆測(cè)量地面系統(tǒng)的實(shí)時(shí)信號(hào)處理，根據(jù)LabVIEW平臺(tái)強(qiáng)大的信號(hào)處理能力和可視化優(yōu)點(diǎn)，基于LabVIEW平臺(tái)設(shè)計(jì)開發(fā)了隨鉆測(cè)量地面系統(tǒng)的實(shí)時(shí)信號(hào)處理軟件，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、數(shù)字濾波、解調(diào)解碼、實(shí)時(shí)顯示等功能?，F(xiàn)場(chǎng)多口井的累計(jì)工作驗(yàn)證，基于LabVIEW平臺(tái)開發(fā)的軟件性能穩(wěn)定、效果良好。

關(guān)鍵詞：隨鉆測(cè)量；LabVIEW；實(shí)時(shí)信號(hào)處理

0引言

隨鉆測(cè)量系統(tǒng)，是以電磁波方式或泥漿脈沖方式實(shí)現(xiàn)地層傳輸?shù)臒o線傳輸系統(tǒng)，由地面系統(tǒng)和井下工具組成。地面系統(tǒng)主要完成對(duì)電磁波信號(hào)或泥漿脈沖信號(hào)的接收和處理，其核心為實(shí)時(shí)信號(hào)處理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)來自放大濾波后信號(hào)的數(shù)據(jù)采集、數(shù)字濾波以及解調(diào)解碼等功能。

為了實(shí)現(xiàn)隨鉆測(cè)量地面系統(tǒng)的實(shí)時(shí)信號(hào)處理，根據(jù)LabVIEW平臺(tái)強(qiáng)大的信號(hào)處理能力和可視化優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)開發(fā)了基于LabVIEW平臺(tái)的隨鉆測(cè)量地面系統(tǒng)的實(shí)時(shí)信號(hào)處理軟件，完成信號(hào)采集、噪聲抑制、數(shù)字濾波、解調(diào)解碼等功能，并且在信號(hào)處理過程實(shí)現(xiàn)信號(hào)的實(shí)時(shí)顯示及參數(shù)監(jiān)控。該軟件的效果和性能已經(jīng)在現(xiàn)場(chǎng)得到充分驗(yàn)證。

1虛擬儀器和LabVIEW簡介

虛擬儀器(Virtual Instrument，VI)是基于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的數(shù)字化測(cè)量測(cè)試儀器，它充分利用現(xiàn)有計(jì)算機(jī)資源，并配以獨(dú)特設(shè)計(jì)的儀器硬件和專用軟件，能實(shí)現(xiàn)普通儀器的全部功能以及一些在普通儀器上無法實(shí)現(xiàn)的特殊功能。它利用數(shù)據(jù)采集模塊完成一般測(cè)量測(cè)試儀器的數(shù)據(jù)采集功能，利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)完成一般測(cè)量測(cè)試儀器的數(shù)據(jù)分析和輸出顯示等功能[1]。

LabVIEW(Loboratory virtual Instrument Engineering Workbench)是虛擬儀器領(lǐng)域中最具有代表性的圖形化編程開發(fā)平臺(tái)，是一種圖標(biāo)代替文本行創(chuàng)建應(yīng)用程序的圖形化編程語言。使用這種語言編程時(shí)，基本上不寫程序代碼，取而代之的是流程圖。LabVIEW是一個(gè)面向最終用戶的工具,它盡可能利用了技術(shù)人員、科學(xué)家、工程師所熟悉的術(shù)語、圖標(biāo)和概念[2]。它可以增強(qiáng)用戶構(gòu)建自己的科學(xué)和工程系統(tǒng)的能力，提供了實(shí)現(xiàn)儀器編程和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的便捷途徑。

在工具包方面，LabVIEW不僅提供了大量的工具與函數(shù)用于數(shù)據(jù)采集、分析、顯示和存儲(chǔ)，使得其在測(cè)試、測(cè)量和自動(dòng)化等領(lǐng)域具有更大的優(yōu)勢(shì)；同時(shí)它還提供了大量常用于自動(dòng)化測(cè)試測(cè)量領(lǐng)域的圖形控件，并且可與VC++、C語言、MATLAB等進(jìn)行交叉編程[3]，其提供的界面操作模式在系統(tǒng)應(yīng)用過程中，便于人機(jī)對(duì)話、實(shí)時(shí)調(diào)試和監(jiān)控等。

2理論研究

在隨鉆測(cè)量系統(tǒng)的地面系統(tǒng)中，要實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)信號(hào)處理軟件的開發(fā)設(shè)計(jì)，即實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和處理，就需要研究：普通采集卡的LabVIEW驅(qū)動(dòng)編程，數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)，以及虛擬示波器的設(shè)計(jì)等。

2.1數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集部分是通過自制的數(shù)據(jù)采集卡來實(shí)現(xiàn)的。數(shù)據(jù)采集部分主要完成數(shù)據(jù)采集卡的配置，包括設(shè)備號(hào)、通道選擇控制、緩沖區(qū)大小、采樣速率、采樣點(diǎn)數(shù)等的控制。

LabVIEW本身帶有DAQ模塊，但是只能驅(qū)動(dòng)NI公司的采集卡，無法驅(qū)動(dòng)普通的A/D數(shù)據(jù)采集卡。LabVIEW有兩種驅(qū)動(dòng)普通A/D卡的方式：即利用CIN圖標(biāo)調(diào)用C語言驅(qū)動(dòng)程序和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換(DDE)技術(shù)。

本文采用的是調(diào)用CIN圖標(biāo)進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)采集卡的驅(qū)動(dòng)方式。CIN圖標(biāo)是LabVIEW圖形化編程語言環(huán)境與C語言的接口，它通過輸入、輸出端口實(shí)現(xiàn)兩種語言之間的數(shù)據(jù)傳遞。當(dāng)LabVIEW的程序運(yùn)行到CIN節(jié)點(diǎn)時(shí)，數(shù)據(jù)由CIN的輸入端口傳遞給C源代碼圖標(biāo)，程序轉(zhuǎn)去執(zhí)行C源代碼，代碼執(zhí)行完后，得到的數(shù)據(jù)結(jié)果由CIN的輸出端口返回給LabVIEW[1]。由此，可以利用CIN圖標(biāo)實(shí)現(xiàn)LabVIEW對(duì)普通采集卡的驅(qū)動(dòng)。圖1為采用CIN圖標(biāo)實(shí)現(xiàn)采樣頻率、通道選擇等數(shù)據(jù)采集控制的實(shí)例。

圖1　數(shù)據(jù)采集控制實(shí)例(CIN圖標(biāo)法)

2.2數(shù)字濾波器

數(shù)字濾波器(Digital Filter)是指完成信號(hào)濾波處理功能的，用有限精度算法實(shí)現(xiàn)的離散時(shí)間線性非時(shí)變系統(tǒng)，其輸入是一組數(shù)字量，其輸出是經(jīng)過變換或處理的另一組數(shù)字量[4]。數(shù)字濾波器具有穩(wěn)定性高、精度高、靈活性大的突出優(yōu)點(diǎn)。一般來說，數(shù)字濾波器分為FIR濾波器和IIR濾波器，由于FIR濾波器的線性相位和設(shè)計(jì)簡單等明顯優(yōu)點(diǎn)，故而本軟件設(shè)計(jì)選擇了FIR濾波器。

FIR數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)方法主要是建立在對(duì)理想濾波器頻率特性作某種近似的基礎(chǔ)上，通常有窗函數(shù)法、頻率抽樣法及最佳一致逼近法。選用窗函數(shù)法設(shè)計(jì)FIR 濾波器時(shí)，要選擇合適的窗函數(shù)。窗函數(shù)的作用主要是實(shí)現(xiàn)信號(hào)截?cái)嗪蜏p少譜泄露，一般希望窗函數(shù)滿足兩項(xiàng)要求：①主瓣寬度要小，以獲得較陡的過渡帶；②與主瓣的幅度相比，旁瓣應(yīng)盡可能小，以減少肩峰和余振，提高阻帶的衰減。

由于這兩個(gè)要求難以同時(shí)滿足，故而實(shí)際中采用的窗函數(shù)特性往往是兩者的折衷，即在保證主瓣寬度達(dá)到一定要求的前提下，適當(dāng)犧牲主瓣寬度來換取旁瓣波動(dòng)的減小[5]。常用的窗函數(shù)的特性見表1，其中Δω=2π/N，N為窗長度。

本文直接利用LabVIEW自帶的濾波器完成FIR加窗數(shù)字濾波器，選擇的窗函數(shù)為Hanning窗。圖2為濾波器設(shè)計(jì)的界面(前面板)和程序框圖。

表1　常用的窗函數(shù)指標(biāo)

2.3虛擬示波器

虛擬示波器可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)示波器所能實(shí)現(xiàn)的各種功能，也可以根據(jù)用戶需要來實(shí)現(xiàn)一些專用功能而無需浪費(fèi)其他資源。

LabVIEW語言環(huán)境的一個(gè)強(qiáng)大的功能是實(shí)現(xiàn)信號(hào)處理過程中的數(shù)據(jù)顯示及參數(shù)調(diào)整，因此可以利用LabVIEW編程軟件進(jìn)行虛擬示波器的設(shè)計(jì)。具體功能可包括以下五個(gè)方面的內(nèi)容：

1)波形顯示：包括時(shí)基控制、幅度控制、波形的清除；

2)參數(shù)測(cè)量模塊：包括峰峰值、頻率和周期等參數(shù)的測(cè)量功能；

3)波形的存儲(chǔ)、讀?。簩⒉ㄐ未鎯?chǔ)在指定位置，并實(shí)現(xiàn)從指定位置讀取；

圖2　濾波器設(shè)計(jì)的界面和程序框圖

4)多波形顯示與運(yùn)算模塊：提供了多通道波形同時(shí)顯示模式及波形的運(yùn)算；

5)數(shù)據(jù)分析：包括FFT頻譜分析及功率譜分析。

虛擬示波器不僅實(shí)現(xiàn)了一般通用數(shù)字存儲(chǔ)示波器的功能，而且充分發(fā)揮了計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大功能和LabVIEW在儀器開發(fā)方面的靈活性，可根據(jù)需要增加或減少儀器的功能，根據(jù)自己的喜好設(shè)計(jì)示波器界面，同時(shí)可利用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程測(cè)量，做到硬件資源和測(cè)試數(shù)據(jù)的共享[6]。

3基于LabVIEW的實(shí)時(shí)信號(hào)處理軟件在隨鉆測(cè)量系統(tǒng)上的應(yīng)用

采用上述的數(shù)據(jù)采集、濾波器設(shè)計(jì)、虛擬示波器設(shè)計(jì)等完成了基于LabVIEW的實(shí)時(shí)信號(hào)處理軟件的設(shè)計(jì)與開發(fā)。該軟件應(yīng)用于隨鉆測(cè)量地面系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)了井下發(fā)射上來的信號(hào)的采集、數(shù)字濾波、實(shí)時(shí)顯示、信號(hào)解碼等功能。

首先，隨鉆測(cè)量地面硬件系統(tǒng)接收井下發(fā)射上來的信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行硬件濾波、放大，送入數(shù)據(jù)采集卡中。

其次，通過計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)采集卡的信息交互，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)軟件對(duì)數(shù)據(jù)采集卡的參數(shù)設(shè)置；數(shù)據(jù)采集卡根據(jù)具體的參數(shù)進(jìn)行采集，并通過計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)采集卡的交互將采集到的數(shù)據(jù)送入實(shí)時(shí)軟件中。

最后，實(shí)時(shí)軟件完成了對(duì)該數(shù)據(jù)的數(shù)字濾波、信號(hào)解調(diào)解碼，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了處理過程中的圖形顯示和參數(shù)監(jiān)控。實(shí)時(shí)軟件的流程圖如圖3所示。

圖3　實(shí)時(shí)軟件的流程圖

該軟件的解碼數(shù)據(jù)最終發(fā)送給隨鉆測(cè)量系統(tǒng)的Navigate軟件，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)工程參數(shù)數(shù)據(jù)的恢復(fù)并作為現(xiàn)場(chǎng)鉆井施工的指導(dǎo)。

目前，在隨鉆測(cè)量系統(tǒng)下，采用了兩種不同的工作模式：一種是DPSK模式，傳輸速率快但耗電快；一種是PPM模式，傳輸速率較慢但電池使用壽命長。在現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)時(shí)可根據(jù)用戶不同需求進(jìn)行下井前的不同模式的設(shè)置，圖4為對(duì)應(yīng)的兩種不同工作模式下的實(shí)時(shí)軟件界面。

該軟件人機(jī)交互友好，可實(shí)現(xiàn)以下圖形顯示和參數(shù)監(jiān)控：

1)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行不同工作模式的選擇

2)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行不同發(fā)射頻率的選擇

3)虛擬示波器：

(1)多波形顯示：原始信號(hào)的時(shí)域波形;原始信號(hào)的頻域波形;濾波后信號(hào)的時(shí)域波形；濾波后信號(hào)的頻域波形；檢波后信號(hào)的時(shí)域波形；門限信號(hào)的時(shí)域波形；解調(diào)后信號(hào)的時(shí)域波形；判決后信號(hào)的時(shí)域波形；

(2)數(shù)據(jù)分析：頻譜分析

(3)時(shí)基控制：波形顯示時(shí)間的控制

(4)幅度控制：當(dāng)信號(hào)過大，超出刻度范圍或信號(hào)過小，無法觀察清楚時(shí)，點(diǎn)擊“Y刻度”可以將信號(hào)置于適合觀察的位置

圖4　實(shí)時(shí)軟件界面

4)判決門限、解碼門限、同步門限的實(shí)時(shí)控制；

5)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需要實(shí)時(shí)存儲(chǔ)原始信號(hào)；

6)解碼數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示、存儲(chǔ)、發(fā)送；

7)數(shù)據(jù)可信度計(jì)算和存儲(chǔ)。

圖5和圖6為該軟件應(yīng)用于隨鉆測(cè)量系統(tǒng)中一些實(shí)例。目前該軟件已在100多口井上應(yīng)用過，累計(jì)時(shí)長超過48 000 h，性能穩(wěn)定，效果良好。本實(shí)時(shí)軟件的信號(hào)處理、虛擬示波器及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)均是同步進(jìn)行的，波形顯示不會(huì)影響數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理。

圖5　PPM模式的實(shí)時(shí)軟件實(shí)例

圖6　DPSK模式的實(shí)時(shí)軟件實(shí)例

4結(jié)束語

本文研究了數(shù)據(jù)采集卡的驅(qū)動(dòng)、數(shù)字濾波器及虛擬示波器的設(shè)計(jì)等，實(shí)現(xiàn)了基于LabVIEW的實(shí)時(shí)信號(hào)處理軟件的設(shè)計(jì)與開發(fā)，并成功地應(yīng)用于隨鉆測(cè)量系統(tǒng)中。研究結(jié)果表明：

1)實(shí)時(shí)信號(hào)處理軟件具有較強(qiáng)的實(shí)時(shí)信號(hào)處理能力，可以較快實(shí)現(xiàn)與信號(hào)處理相關(guān)的各種計(jì)算處理，時(shí)效性滿足隨鉆現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。

2)實(shí)時(shí)信號(hào)處理軟件界面顯示及操作方便，人機(jī)交互友好，用戶可以很清楚地看到信號(hào)波形顯示，并且可以實(shí)現(xiàn)對(duì)參數(shù)的實(shí)時(shí)調(diào)整。

3)實(shí)時(shí)信號(hào)處理軟件已在現(xiàn)場(chǎng)得到充分驗(yàn)證，性能穩(wěn)定得到用戶認(rèn)可。

4)由于LabVIEW強(qiáng)大的信號(hào)處理能力和可視化優(yōu)點(diǎn)，利用該平臺(tái)進(jìn)行軟件的開發(fā)可以加快新產(chǎn)品的研發(fā)速度。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 楊忠仁，饒程，鄒建等.基于LabVIEW數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].重慶大學(xué)學(xué)報(bào).2004,27(2):32-35.

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[5] 王世一.數(shù)字信號(hào)處理[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2004：316-320.

[6] 戎舟.基于LabVIEW的虛擬示波器及其遠(yuǎn)程測(cè)控[J].微計(jì)算機(jī)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

第一作者簡介：方娟，女，1984年生，工程師，2008年畢業(yè)于中國石油大學(xué)(華東)信號(hào)與信息處理專業(yè)，獲碩士學(xué)位，現(xiàn)在中國電子科技集團(tuán)公司第二十二研究所從事石油隨鉆儀器研發(fā)和生產(chǎn)工作。E-mail:sunny.fj@163.com

中圖法分類號(hào)：TE271

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2096-0077(2016)03-0024-04

(收稿日期：2016-01-05編輯：高紅霞)