羅博,謝榮清,仇傲

(中海油田服務(wù)股份有限公司油田技術(shù)研究院,河北三河065201)

0 引 言

隨鉆測(cè)井技術(shù)在最近幾十年快速發(fā)展,與電纜測(cè)井相比,隨鉆測(cè)井可以在鉆井的同時(shí)測(cè)量地層信息,此時(shí)地層狀況更接近原始狀況,受鉆井液影響較小,能夠更加真實(shí)地反映地層信息,所以隨鉆儀器測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)具有研究?jī)r(jià)值[1-3]。在作業(yè)過(guò)程中,隨鉆儀器需要在井下連續(xù)工作120 h以上,受鉆井液脈沖傳輸速率的限制,實(shí)時(shí)上傳數(shù)據(jù)信息量很小,大量數(shù)據(jù)的計(jì)算處理結(jié)果和原始數(shù)據(jù)必須存儲(chǔ)在儀器井下存儲(chǔ)電路中[4],等儀器起鉆出井口后才可下載處理。

以中海油田服務(wù)股份有限公司自主研發(fā)的隨鉆單極子聲波測(cè)井儀為例,4個(gè)接收器同步采集,每個(gè)接收器采樣點(diǎn)數(shù)為300,每個(gè)采樣點(diǎn)以2 B有符號(hào)整型數(shù)據(jù)表示,每次采樣的數(shù)據(jù)量為2 400 B。另外還需要存儲(chǔ)井下工作時(shí)電路板溫度、四通道增益量、時(shí)間、控制參數(shù)、井下計(jì)算的時(shí)差等數(shù)據(jù),單次采樣產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量約2 600 B[5]。隨鉆測(cè)井作業(yè)時(shí),根據(jù)鉆進(jìn)速度,將隨鉆單極子聲波測(cè)井儀的數(shù)據(jù)采集時(shí)間間隔設(shè)置為4 s或8 s,以每4 s采集1次計(jì)算,每小時(shí)需存儲(chǔ)數(shù)據(jù)2.34 MB,隨鉆作業(yè)要求儀器連續(xù)工作120 h以上,待作業(yè)完畢,隨鉆單極子聲波測(cè)井儀內(nèi)存數(shù)據(jù)量超過(guò)280 MB。儀器出井口后,隨鉆單極子聲波測(cè)井儀內(nèi)存中存儲(chǔ)的大量數(shù)據(jù)才可以下載,如果下載數(shù)據(jù)時(shí)間過(guò)長(zhǎng),容易影響井場(chǎng)其他作業(yè),且如果井場(chǎng)環(huán)境惡劣,下載數(shù)據(jù)容易受到干擾。因此,需要一種可以高速度穩(wěn)定下載海量?jī)?nèi)存數(shù)據(jù)的方案,要求操作簡(jiǎn)單方便、下載數(shù)據(jù)時(shí)間短,且讀完數(shù)據(jù)后,上位機(jī)軟件可以以圖形顯示測(cè)井?dāng)?shù)據(jù),方便初步判斷井況和數(shù)據(jù)質(zhì)量。

影響儀器內(nèi)存數(shù)據(jù)下載的主要因素有通信總線速率、數(shù)據(jù)傳輸方式、井下儀器讀內(nèi)存和上位機(jī)存儲(chǔ)收到數(shù)據(jù)的速率。其中,通信總線速率所占比例最大,直接關(guān)系到數(shù)據(jù)下載速度的快慢,之前通信速率最高為480 kbit/s,對(duì)于內(nèi)存數(shù)據(jù)量較大的隨鉆儀器,這樣的通信速率不能滿足現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)需求。其次是數(shù)據(jù)傳輸方式,作為儀器與上位機(jī)連接的通信盒必須工作穩(wěn)定可靠,一旦出現(xiàn)傳輸數(shù)據(jù)錯(cuò)誤,就必須重新下載,浪費(fèi)時(shí)間。此外,為提高下載數(shù)據(jù)速度,儀器主控芯片讀取內(nèi)存數(shù)據(jù)的速度應(yīng)該在保證準(zhǔn)確性的情況下達(dá)到最高,而上位機(jī)軟件收到數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)的機(jī)制也應(yīng)該優(yōu)化,降低耗時(shí)。

1 方案設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1.1 總體方案

硬件系統(tǒng)框見(jiàn)圖1。上位機(jī)通過(guò)通信盒與隨鉆單極子聲波測(cè)井儀進(jìn)行通信。隨鉆單極子聲波測(cè)井儀主控電路板上MCU(Microcontroller Unit)通過(guò)串行外設(shè)接口(Serial Periphral Interface,SPI)總線讀取存儲(chǔ)內(nèi)存數(shù)據(jù),然后串行通訊接口(Serial Communications Interface,SCI)模塊將讀取的數(shù)據(jù)發(fā)送到RS-422收發(fā)器,再通過(guò)電纜發(fā)送到通信盒,通信盒通過(guò)USB線傳給上位機(jī),通信速率要求達(dá)到1 Mbit/s。上位機(jī)通過(guò)USB線與通信盒連接,通過(guò)Visual C++編寫的上位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)儀器的控制及數(shù)據(jù)下載。上位機(jī)軟件加載下載的數(shù)據(jù)后,可以以波形顯示數(shù)據(jù)。

圖1 硬件系統(tǒng)框圖

上位機(jī)軟件工作流程見(jiàn)圖2。軟件啟動(dòng)后,上位機(jī)軟件首先打開(kāi)串口,確認(rèn)連接狀態(tài)正常,輸入需要讀取的內(nèi)存數(shù)據(jù)起始地址;儀器回復(fù)收到地址成功后,上位機(jī)軟件再下發(fā)讀取內(nèi)存數(shù)據(jù)命令;隨鉆儀器開(kāi)始打包上傳內(nèi)存數(shù)據(jù),每包數(shù)據(jù)校驗(yàn)正確后,上位機(jī)軟件存儲(chǔ)數(shù)據(jù),然后再下發(fā)讀取命令,讀取下一包數(shù)據(jù),直到讀取最后一包數(shù)據(jù)。

圖2 上位機(jī)軟件工作流程

每包數(shù)據(jù)包括該包的數(shù)據(jù)頭、該包的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、n個(gè)測(cè)量點(diǎn)數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)全部發(fā)送完標(biāo)識(shí)和校驗(yàn)和這些部分。數(shù)據(jù)頭為特定的標(biāo)志,說(shuō)明開(kāi)始傳輸數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為本包數(shù)據(jù)總字節(jié)數(shù),上位機(jī)軟件可據(jù)此數(shù)據(jù)判斷本包數(shù)據(jù)是否讀取完成。數(shù)據(jù)校驗(yàn)使用數(shù)據(jù)校驗(yàn)和的方式進(jìn)行,MCU對(duì)每包要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)全部按照有符號(hào)數(shù)進(jìn)行累加,不計(jì)進(jìn)位。最后的校驗(yàn)和就是校驗(yàn)數(shù)據(jù),上位機(jī)軟件每接收完1包數(shù)據(jù),對(duì)數(shù)據(jù)以同樣的方式做累加,把得到的校驗(yàn)和與接收到的校驗(yàn)和進(jìn)行比較,相同則表示數(shù)據(jù)正確,存為文件。根據(jù)全部數(shù)據(jù)發(fā)送完成標(biāo)識(shí),如果數(shù)據(jù)已發(fā)送完,則數(shù)據(jù)下載結(jié)束,如果未發(fā)送完,則下發(fā)上傳數(shù)據(jù)指令,繼續(xù)傳送下一包數(shù)據(jù)。如果校驗(yàn)不通過(guò)則說(shuō)明數(shù)據(jù)下載錯(cuò)誤,上位機(jī)軟件發(fā)命令,儀器重新發(fā)送本包數(shù)據(jù)。

1.2 儀器通信方案

隨鉆單極子聲波測(cè)井儀的串口通信方式選擇RS-422,RS-422是工業(yè)設(shè)備中使用比較廣泛的通信方式。相比RS-232,RS-422抗噪聲能力更強(qiáng)、傳輸距離更遠(yuǎn)、速度更快。相比RS-485,全雙工通信的RS-422可靠性更高。隨鉆單極子聲波測(cè)井儀主控電路處理器芯片為TI公司的TMS320F28335,其最高工作溫度為125 ℃。該芯片集成串行通信接口SCI,SCI為異步串行通信接口,使用雙線通信,包括數(shù)據(jù)發(fā)送和數(shù)據(jù)接收2條信號(hào)線。SCI的數(shù)據(jù)格式為標(biāo)準(zhǔn)非歸零(Non-Return to Zero,NRZ),能夠高速實(shí)現(xiàn)MCU與MCU或其他外部設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸。TMS320F28335芯片上集成的SCI接口具有16級(jí)接收和發(fā)送先入先出隊(duì)列(First Input First Output,FIFO)功能。如果不使用FIFO功能,則SCI接收器和發(fā)送器采用雙級(jí)緩沖發(fā)送數(shù)據(jù)。SCI模塊發(fā)送器和接收器的使用能和中斷標(biāo)志位互相獨(dú)立,兩者可以單獨(dú)工作[6-7]。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)情況的要求,設(shè)計(jì)串口傳輸距離≥50 m,傳輸速率≥1 Mbit/s,不能用SCI直接與外部進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,而應(yīng)將其連接到RS-422數(shù)據(jù)收發(fā)器進(jìn)行串口通信。RS-422數(shù)據(jù)收發(fā)器選擇TI公司的芯片SN65HVD1474D,最大傳輸速率20 Mbit/s,最高工作溫度125 ℃,具有靜電釋放(Electro Static Dischange,ESD)保護(hù)功能,完全滿足儀器工作要求。

1.3 通信盒方案

目前隨鉆單極子聲波測(cè)井儀與上位機(jī)通信方式主要有USB轉(zhuǎn)串口和網(wǎng)口轉(zhuǎn)串口。上位機(jī)一般只有1個(gè)網(wǎng)口,而現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)環(huán)境惡劣,一旦網(wǎng)口出現(xiàn)故障,上位機(jī)將無(wú)法與隨鉆儀器通信。而上位機(jī)一般擁有多個(gè)USB接口,USB支持熱插拔,且USB口引腳接觸面積大,故障率低于網(wǎng)口。因此,在傳輸速率滿足要求的情況下,選擇USB轉(zhuǎn)串口作為儀器與上位機(jī)的通信盒。

USB轉(zhuǎn)串口作為上位機(jī)與儀器的通信中介,不需要再額外設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)讀取裝置,可節(jié)約成本和研發(fā)時(shí)間。目前市場(chǎng)上USB轉(zhuǎn)串口產(chǎn)品數(shù)量眾多,但傳輸速率能達(dá)到1 Mbit/s的產(chǎn)品較少,能夠以1 Mbit/s速率長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定傳輸數(shù)據(jù)的更少。對(duì)市場(chǎng)上可以購(gòu)買到的多種USB轉(zhuǎn)串口進(jìn)行性能測(cè)試,經(jīng)過(guò)分析對(duì)比,最終選擇Advantech公司的USB轉(zhuǎn)串口,該產(chǎn)品即插即用,有浪涌保護(hù)功能,支持熱交換功能、自動(dòng)數(shù)據(jù)流控制,規(guī)定最大傳輸速率為921.6 kbit/s。經(jīng)實(shí)際測(cè)試,波特率為1 Mbit/s時(shí),如果只用上位機(jī)USB口供電,則連續(xù)傳輸約40 MB數(shù)據(jù)后就無(wú)法再傳輸數(shù)據(jù)。在外部供電12～48 V的情況下,可以穩(wěn)定連續(xù)傳輸數(shù)據(jù)超過(guò)1 GB數(shù)據(jù)。此外,該USB轉(zhuǎn)串口具有4個(gè)串口,實(shí)際作業(yè)過(guò)程中,如果有串口損壞,還可使用其他3個(gè)串口[8]。

1.4 數(shù)據(jù)處理和顯示

上位機(jī)軟件通過(guò)USB線發(fā)送讀數(shù)據(jù)命令到通信盒,通信盒將其轉(zhuǎn)為RS-422命令通過(guò)電纜發(fā)送給儀器,儀器收到命令后,將數(shù)據(jù)打包通過(guò)電纜發(fā)給USB轉(zhuǎn)串口,USB轉(zhuǎn)串口再轉(zhuǎn)發(fā)給上位機(jī)。上位機(jī)軟件每讀完1包數(shù)據(jù),都需要進(jìn)行校驗(yàn),如果校驗(yàn)正確,則將收到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)為文件,并發(fā)送命令繼續(xù)傳送下1包數(shù)據(jù),直到下載完畢。如果校驗(yàn)錯(cuò)誤,則下發(fā)命令重新讀取本包數(shù)據(jù),以保證數(shù)據(jù)下載的準(zhǔn)確性。如果某包數(shù)據(jù)長(zhǎng)度過(guò)大,假如有個(gè)別數(shù)據(jù)錯(cuò)誤,將會(huì)導(dǎo)致校驗(yàn)不通過(guò),上位機(jī)必須重新下發(fā)命令讀取此包數(shù)據(jù),浪費(fèi)時(shí)間。如果某包數(shù)據(jù)長(zhǎng)度過(guò)小,上位機(jī)軟件需要多次計(jì)算校驗(yàn)、保存文件和下發(fā)讀取數(shù)據(jù)命令,隨鉆測(cè)井儀器收到命令后再判斷命令和讀取內(nèi)存數(shù)據(jù),額外占用時(shí)間過(guò)多,也會(huì)導(dǎo)致讀取數(shù)據(jù)耗時(shí)較長(zhǎng)。因此,應(yīng)該確保誤碼率為0時(shí),每包數(shù)據(jù)長(zhǎng)度盡量大,以減少下載數(shù)據(jù)中額外的時(shí)間。經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試,誤碼率為0時(shí),通信盒傳輸每包數(shù)據(jù)最大長(zhǎng)度為67 MB,考慮到現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)更高的可靠性,選擇每包數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為48 MB。

通過(guò)串口通信,每個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)之外還包括1個(gè)起始位、1個(gè)停止位,這樣每個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)實(shí)際上需要傳輸10 bit,在速率為1 Mbit/s時(shí),理想狀態(tài)下,每分鐘可下載6 MB數(shù)據(jù),但MCU從內(nèi)存讀取數(shù)據(jù)的速度受SPI通信速率限制,同時(shí)MCU對(duì)數(shù)據(jù)的處理和上位機(jī)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)也消耗時(shí)間,因此,實(shí)際下載速率低于6 MB/min。

上位機(jī)軟件采用Visual C++編寫,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)儀器的控制、數(shù)據(jù)下載和測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)顯示。上位機(jī)軟件控制窗可實(shí)現(xiàn)對(duì)隨鉆單極子聲波測(cè)井儀的狀態(tài)設(shè)置、手動(dòng)增益設(shè)置、采集數(shù)據(jù)、握手、寫時(shí)間、讀狀態(tài)、讀內(nèi)存地址、內(nèi)存數(shù)據(jù)擦除、下載內(nèi)存數(shù)據(jù)等操作。圖3是上位機(jī)軟件內(nèi)存波形顯示界面圖,通過(guò)波形顯示4個(gè)通道的聲波測(cè)井?dāng)?shù)據(jù),并且可以顯示數(shù)據(jù)采集時(shí)間、每個(gè)通道增益值、數(shù)據(jù)條數(shù)、采樣率、井下實(shí)時(shí)計(jì)算的時(shí)差值等,并且可以選擇顯示哪條波形,這樣在下載完內(nèi)存數(shù)據(jù)后,可以初步根據(jù)波形,判斷數(shù)據(jù)是否正確。

圖3 上位機(jī)軟件內(nèi)存波形顯示界面圖

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

分別用2種技術(shù)方案下載儀器內(nèi)存中的數(shù)據(jù),內(nèi)存數(shù)據(jù)量同為166 068 kB,下載開(kāi)始和結(jié)束時(shí)間見(jiàn)表1,舊方案耗時(shí)接近62 min,下載速率為44.8 kB/s。新方案下載大約耗時(shí)35 min,下載速率為78.4 kB/s,優(yōu)于舊方案的下載速度,能完全滿足現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)需求。

表1 2種方案下載數(shù)據(jù)對(duì)比

3 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)的隨鉆聲波測(cè)井儀數(shù)據(jù)高速下載方案,使用穩(wěn)定可靠的高速USB轉(zhuǎn)串口作為儀器與上位機(jī)的通信中介,確保通信的高速可靠性,采用合理的數(shù)據(jù)打包上傳協(xié)議,降低了下載數(shù)據(jù)的時(shí)間。用Visual C++編寫的上位機(jī)軟件進(jìn)行控制,最大限度降低了額外的時(shí)間消耗,數(shù)據(jù)下載速率高,完全滿足實(shí)際隨鉆聲波測(cè)井作業(yè)要求,并且上位機(jī)軟件可實(shí)現(xiàn)對(duì)儀器操作維護(hù)和數(shù)據(jù)的不失真回放。目前,該方案已經(jīng)在現(xiàn)場(chǎng)推廣應(yīng)用,使用效果良好。此方案也可推廣到其他隨鉆儀器,只需要統(tǒng)一儀器硬件通信接口,上位機(jī)軟件按照其他隨鉆儀器通信協(xié)議添加相應(yīng)模塊,即可完成。