DSP在随钻井下管柱参数测量系统中的应用

[摘 要]：为了了解钻井管柱在井下的真实状况，本文设计了一种用于井下高温、高压环境的随钻井下管柱参数测量系统；解决了井下工作环境恶劣、对元器件要求高、节能等技术难题，并详细介绍了系统组成、主要技术指标、软硬件设计以及TMS320LF2407A数字信号处理器的特点。

1 引言
　　油气井，尤其是复杂结构井在钻井过程中井下管柱的受力与运动状况，一直是钻井科技人员关注的问题之一。由于受到井下工作环境、测试技术、电子元器件技术水平、信号传输、研究成本等多方面因素的影响，井下钻柱的力学行为是石油钻井领域研究的一个难点。20世纪80年代后，随着随钻测量技术（MWD）和随钻测井技术（LWD）的日趋成熟以及电子技术的发展，人们才得以有条件进行井下钻柱受力和运动实测方面的系统研究。
　　本文在国内外钻柱井下受力实测成果的基础上，研究设计了一种基于DSP的井下管柱参数实测系统。该系统可以测量钻柱的轴向力、扭矩、钻压、加速度和环境温度等9个参数，并可根据测得的基本数据对井下管柱的受力和运动状态进行分析，实现了井下钻柱力学及运动参数的实时测量。

2 DSP简介
　　DSP作为数字信号处理专用芯片，是一种特别适用于进行数字信号处理的微处理器，DSP芯片的内部采用程序和数据分开的哈佛结构，具有专门的硬件乘法器，采用流水线操作，提供特殊的DSP指令，可以快速的实现各种数字信号处理算法。DSP具有集成度高、运算速度快、计算精度高、功耗低、实时性好等特点，弥补了传统单片机计算速度慢、精度低的缺陷。
　　本文采用TI公司的TMS320LF2407A（以下简称2407A）作为系统的主控芯片，供电电压为3.3V，16血的定点低功耗DSP芯片，片内带Flash程序存储器。2407A内部集成了高速的CPU内核和各种外设器件：指令的执行速度可达40MIPS，指令周期仅为25ns，运算速度快；具有544字片内双存取RAM（DARAM），2k单存取RAM（SARAM）和32k的闪速存储器（FLASHRAM）；两个事件管理器模块EVA和EVB；16通道A/D转换器；多种通讯外设接口（SCI，SPI，CAN）等。
　　2407A的结构便于设计高集成度的数字产品，减小了整个系统的体积，使得电路的设计简单化，提高了系统的可靠性和抗干扰性，适合井下作业。

3 测量系统组成
　　随钻井下管柱参数测量系统主要完成随钻测量过程中数据的采集、存储与传输等任务。在钻井过程中实时测量钻柱的轴向力、扭矩、钻压、弯曲应力、加速度、内、外压力和环境温度等9个参数。硬件结构框图如图1所示。 　　该系统主要由以下几部分组成：电源（电池）、传感器、信号调理电路、DSP、存储器、通信接口等。主要分为两大部分：井下仪器部分，以DSP作为主控制器；地面部分，完成数据分析及显示。
　　测试系统是由DSP构成的存贮式高速采样系统，系统的主要技术指标：井眼尺寸：118～119mm；最高耐压：60MPa；最高环境温度：125℃；最大允许振动：200m/s2；测量通道：9路；数据存储容量：4Mb；工作时间：20h。
根据以上技术指标，要求系统能在高温、高压及大的冲击、振动条件下工作，这给元器件提出了很高的要求，是测量系统的技术难点。由于工作时间很长，要求系统具有较低的功耗和合理的工作方式。
　　随钻井下管柱参数测量系统使用时安装在一个特制的短节内，作为一个接头接在钻柱上，随钻工作。采集的数据在测量过程中不需要用电缆向上传输，在井下进行测量和数据记录存储；待测完后下井仪器从井中取出后，通过通用串行接口（RS-232）及接口电路与地面计算机相连，并进一步分析处理。整个测量系统以DSP为核心，主要完成数据采集、滤波、存取、与地面主机通信等。

3．1 信号调理电路
　　轴向力、钻压、扭矩等9路信号经过传感器转换为电压量，输出的电压比较微弱，所以必须加信号调理电路。本系统选用B-B公司的仪表放大器INA326。它采用独特的拓扑结构，可实现电源正负限输入/输出，具有共模抑制比高、功耗低、精度高等特点，非常适用于单电源、低功耗和精密测量的应用场合。INA326是CMOS输人类型，将传感器输出的微弱信号放大为0～3.3V的标准电压信号。
　　用轨至轨运算放大器OP496GS构成一级具有深度负反馈的电压增益接近1的电压跟随器，主要作用是降低信号调理模块的输出阻抗，减少信号的衰减，以便于DSP对其进行采集与处理。

3．2 采样模块
　　A/D转换器在测量系统中有着十分重要的地位和作用，在嵌入式系统中用于对外界信号的采集。减少A/D转换可能带来的不稳定性的最好手段就是将A/D集成在电路中，如2407A。
　　2407A内部自带10位16通道的模数转换模块ADC，具有流水线结构，能达到500ns以内的转换速度。有自动排序的能力，有两个独立的、最多可选择8个模拟转换通道的排序器（SEQ1和SEQ2），可以独立工作在双排序器模式，或者级联成16个通道的排序器模式；可单独访问16个结果缓冲寄存器（RESULT0—RESULT15），用来存储转换结果；多个触发源可以启动A/D转换。
　　本系统采用级联模式工作，9路调理后的信号进入DSP中进行A/D采样，转换后暂存在RESULT0～8中。

3．3 存储器模块
　　2407A片内具有32k字FLASH程序存储器，可满足DSP系统程序存储要求。2.5k字RAM就不能完全满足数据存储要求了，需要外扩存入大容量的存储器中。另外，由于地下采集到的数据需要在断电的情况下还能保存，以便系统取到地面以后再由PC机从中提取数据进行后续分析处理，所以选择了非易失性的存储器：
　　本系统选用了ATMEL公司研制的串行FLASH芯片AT45DB321C。它具有4M字节的存储容量，2.7～3.6V供电，低功耗，典型的读取电流为10mA，待机电流仅为6μA，可以反复擦除/修改上百万次。它包含1个非易失性的主存储体和2个528b的静态RAM缓冲页，共有8192页，每页528b。

3．4 通信模块
　　通信模块主要完成DSP与PC机的信息交换。2407A有一个片上异步串行接口（SCI）。该串行接口可以外接一个MAX232串行接口芯片，实现DSP和PC机的数据交换。MAX232芯片功耗低，集成度高，＋5V供电；2407A采用＋3.3V供电，所以在MAX232与2407A之间必须加电平转换电路，采用一片SN54LS245就能满足要求。

4 软件设计
　　随钻井下管柱参数测量系统的软件部分包括下位DSP软件设计和上位PC机设计。

4．1 DSP软件设计
　　DSP测量部分程序主要有DSP系统初始化、数据采集、FFT滤波和存储等几个功能。编程环境使用TI公司的集成开发软件CCS，在具体编写程序时，充分利用DSP的一些特殊指令可以节省很多时间。系统采用C语言和汇编语言混合编程，主程序采用C语言；子程序采用汇编语言，如数据采集、FFT滤波。程序流程如图3所示。

4．2 上位机设计
　　上位机设计主要是人机界面的设计，对采集数据进行显示、分析、曲线绘制、打印等。人机界面采用VB编制，按功能可划分为4部分：用户界面、通信接口、数据处理及曲线绘制。
（1）用户界面
　　主要是由系统主菜单和一系列的对话框组成，如标定对话框、参数设置对话框、通信对话框等。通过菜单和对话框，用户可以与计算机进行交互操作。
（2）通信接口
　　根据井下仪器与地面计算机之间的通信约定，编制相应的通信程序，实现井下仪器与地面计算机之间交换数据，包括井下仪器的测试、参数设置以及接收采集的数据。数据通讯采用CRC校验，提高通讯可靠性。
（3）数据处理
　　包括标定数据处理、现场数据处理和数据保存等功能。标定数据是在对仪器进行标定时所录入的数据，标定数据处理是用户通过对话框，交互地完成标定工作并把处理后的标定数据保存起来；现场数据处理是把井下传感器所采集的电压值，利用标定数据根据一定的算法换算出实际的测量值，并保存下来。
（4）曲线绘制
　　在弹出的窗口中根据数据文件的数据绘制出9个参数随时间变化的曲线，可以弹出多个窗口同时观察多条曲线。

5 结束语
　　厂随钻井下管柱参数测量系统，由于工作环境恶劣，干扰和不可靠因素很多，应充分考虑系统的抗干扰性。系统采用硬件和软件两种抗干扰措施。硬件抗干扰措施主要是合理安排PCB板的器件布局设计与布线以及加密闭和防水防潮措施等。软件抗干扰措施是利用2407A内部看门狗（WD）定时器和软件陷阱技术，监视软件和硬件的运行，有效的防止程序“跑飞”，确保程序“跑飞”后可自动复位。
　　系统经井下实践，效果良好，数据采样及存贮可靠，该测量系统能较精确地描述钻柱在井下的受力和运动情况。由于采用了DSP作为系统核心，硬件结构得到简化，功耗较低，性能稳定，实时性好，有较高的可靠性和抗干扰能力。