[摘 要]：為了了解鉆井管柱在井下的真實狀況，本文設計了一種用于井下高溫、高壓環境的隨鉆井下管柱參數測量系統；解決了井下工作環境惡劣、對元器件要求高、節能等技術難題，并詳細介紹了系統組成、主要技術指標、軟硬件設計以及TMS320LF2407A數字信號處理器的特點。 1 引言 油氣井，尤其是復雜結構井在鉆井過程中井下管柱的受力與運動狀況，一直是鉆井科技人員關注的問題之一。由于受到井下工作環境、測試技術、電子元器件技術水平、信號傳輸、研究成本等多方面因素的影響，井下鉆柱的力學行為是石油鉆井領域研究的一個難點。20世紀80年代后，隨著隨鉆測量技術（MWD）和隨鉆測井技術（LWD）的日趨成熟以及電子技術的發展，人們才得以有條件進行井下鉆柱受力和運動實測方面的系統研究。 本文在國內外鉆柱井下受力實測成果的基礎上，研究設計了一種基于DSP的井下管柱參數實測系統。該系統可以測量鉆柱的軸向力、扭矩、鉆壓、加速度和環境溫度等9個參數，并可根據測得的基本數據對井下管柱的受力和運動狀態進行分析，實現了井下鉆柱力學及運動參數的實時測量。 2 DSP簡介 DSP作為數字信號處理專用芯片，是一種特別適用于進行數字信號處理的微處理器，DSP芯片的內部采用程序和數據分開的哈佛結構，具有專門的硬件乘法器，采用流水線操作，提供特殊的DSP指令，可以快速的實現各種數字信號處理算法。DSP具有集成度高、運算速度快、計算精度高、功耗低、實時性好等特點，彌補了傳統單片機計算速度慢、精度低的缺陷。 本文采用TI公司的TMS320LF2407A（以下簡稱2407A）作為系統的主控芯片，供電電壓為3.3V，16血的定點低功耗DSP芯片，片內帶Flash程序存儲器。2407A內部集成了高速的CPU內核和各種外設器件：指令的執行速度可達40MIPS，指令周期僅為25ns，運算速度快；具有544字片內雙存取RAM（DARAM），2k單存取RAM（SARAM）和32k的閃速存儲器（FLASHRAM）；兩個事件管理器模塊EVA和EVB；16通道A/D轉換器；多種通訊外設接口（SCI，SPI，CAN）等。 2407A的結構便于設計高集成度的數字產品，減小了整個系統的體積，使得電路的設計簡單化，提高了系統的可靠性和抗干擾性，適合井下作業。 3 測量系統組成 隨鉆井下管柱參數測量系統主要完成隨鉆測量過程中數據的采集、存儲與傳輸等任務。在鉆井過程中實時測量鉆柱的軸向力、扭矩、鉆壓、彎曲應力、加速度、內、外壓力和環境溫度等9個參數。硬件結構框圖如圖1所示。 該系統主要由以下幾部分組成：電源（電池）、傳感器、信號調理電路、DSP、存儲器、通信接口等。主要分為兩大部分：井下儀器部分，以DSP作為主控制器；地面部分，完成數據分析及顯示。 測試系統是由DSP構成的存貯式高速采樣系統，系統的主要技術指標：井眼尺寸：118～119mm；最高耐壓：60MPa；最高環境溫度：125℃；最大允許振動：200m/s2；測量通道：9路；數據存儲容量：4Mb；工作時間：20h。 根據以上技術指標，要求系統能在高溫、高壓及大的沖擊、振動條件下工作，這給元器件提出了很高的要求，是測量系統的技術難點。由于工作時間很長，要求系統具有較低的功耗和合理的工作方式。 隨鉆井下管柱參數測量系統使用時安裝在一個特制的短節內，作為一個接頭接在鉆柱上，隨鉆工作。采集的數據在測量過程中不需要用電纜向上傳輸，在井下進行測量和數據記錄存儲；待測完后下井儀器從井中取出后，通過通用串行接口（RS-232）及接口電路與地面計算機相連，并進一步分析處理。整個測量系統以DSP為核心，主要完成數據采集、濾波、存取、與地面主機通信等。 3．1 信號調理電路 軸向力、鉆壓、扭矩等9路信號經過傳感器轉換為電壓量，輸出的電壓比較微弱，所以必須加信號調理電路。本系統選用B-B公司的儀表放大器INA326。它采用獨特的拓撲結構，可實現電源正負限輸入/輸出，具有共模抑制比高、功耗低、精度高等特點，非常適用于單電源、低功耗和精密測量的應用場合。INA326是CMOS輸人類型，將傳感器輸出的微弱信號放大為0～3.3V的標準電壓信號。 用軌至軌運算放大器OP496GS構成一級具有深度負反饋的電壓增益接近1的電壓跟隨器，主要作用是降低信號調理模塊的輸出阻抗，減少信號的衰減，以便于DSP對其進行采集與處理。 3．2 采樣模塊 A/D轉換器在測量系統中有著十分重要的地位和作用，在嵌入式系統中用于對外界信號的采集。減少A/D轉換可能帶來的不穩定性的最好手段就是將A/D集成在電路中，如2407A。 2407A內部自帶10位16通道的模數轉換模塊ADC，具有流水線結構，能達到500ns以內的轉換速度。有自動排序的能力，有兩個獨立的、最多可選擇8個模擬轉換通道的排序器（SEQ1和SEQ2），可以獨立工作在雙排序器模式，或者級聯成16個通道的排序器模式；可單獨訪問16個結果緩沖寄存器（RESULT0—RESULT15），用來存儲轉換結果；多個觸發源可以啟動A/D轉換。 本系統采用級聯模式工作，9路調理后的信號進入DSP中進行A/D采樣，轉換后暫存在RESULT0～8中。 3．3 存儲器模塊 2407A片內具有32k字FLASH程序存儲器，可滿足DSP系統程序存儲要求。2.5k字RAM就不能完全滿足數據存儲要求了，需要外擴存入大容量的存儲器中。另外，由于地下采集到的數據需要在斷電的情況下還能保存，以便系統取到地面以后再由PC機從中提取數據進行后續分析處理，所以選擇了非易失性的存儲器： 本系統選用了ATMEL公司研制的串行FLASH芯片AT45DB321C。它具有4M字節的存儲容量，2.7～3.6V供電，低功耗，典型的讀取電流為10mA，待機電流僅為6μA，可以反復擦除/修改上百萬次。它包含1個非易失性的主存儲體和2個528b的靜態RAM緩沖頁，共有8192頁，每頁528b。 3．4 通信模塊 通信模塊主要完成DSP與PC機的信息交換。2407A有一個片上異步串行接口（SCI）。該串行接口可以外接一個MAX232串行接口芯片，實現DSP和PC機的數據交換。MAX232芯片功耗低，集成度高，＋5V供電；2407A采用＋3.3V供電，所以在MAX232與2407A之間必須加電平轉換電路，采用一片SN54LS245就能滿足要求。 4 軟件設計 隨鉆井下管柱參數測量系統的軟件部分包括下位DSP軟件設計和上位PC機設計。 4．1 DSP軟件設計 DSP測量部分程序主要有DSP系統初始化、數據采集、FFT濾波和存儲等幾個功能。編程環境使用TI公司的集成開發軟件CCS，在具體編寫程序時，充分利用DSP的一些特殊指令可以節省很多時間。系統采用C語言和匯編語言混合編程，主程序采用C語言；子程序采用匯編語言，如數據采集、FFT濾波。程序流程如圖3所示。 4．2 上位機設計 上位機設計主要是人機界面的設計，對采集數據進行顯示、分析、曲線繪制、打印等。人機界面采用VB編制，按功能可劃分為4部分：用戶界面、通信接口、數據處理及曲線繪制。 （1）用戶界面 主要是由系統主菜單和一系列的對話框組成，如標定對話框、參數設置對話框、通信對話框等。通過菜單和對話框，用戶可以與計算機進行交互操作。 （2）通信接口 根據井下儀器與地面計算機之間的通信約定，編制相應的通信程序，實現井下儀器與地面計算機之間交換數據，包括井下儀器的測試、參數設置以及接收采集的數據。數據通訊采用CRC校驗，提高通訊可靠性。 （3）數據處理 包括標定數據處理、現場數據處理和數據保存等功能。標定數據是在對儀器進行標定時所錄入的數據，標定數據處理是用戶通過對話框，交互地完成標定工作并把處理后的標定數據保存起來；現場數據處理是把井下傳感器所采集的電壓值，利用標定數據根據一定的算法換算出實際的測量值，并保存下來。 （4）曲線繪制 在彈出的窗口中根據數據文件的數據繪制出9個參數隨時間變化的曲線，可以彈出多個窗口同時觀察多條曲線。 5 結束語 對：廠隨鉆井下管柱參數測量系統，由于工作環境惡劣，干擾和不可靠因素很多，應充分考慮系統的抗干擾性。系統采用硬件和軟件兩種抗干擾措施。硬件抗干擾措施主要是合理安排PCB板的器件布局設計與布線以及加密閉和防水防潮措施等。軟件抗干擾措施是利用2407A內部看門狗（WD）定時器和軟件陷阱技術，監視軟件和硬件的運行，有效的防止程序“跑飛”，確保程序“跑飛”后可自動復位。 系統經井下實踐，效果良好，數據采樣及存貯可靠，該測量系統能較精確地描述鉆柱在井下的受力和運動情況。由于采用了DSP作為系統核心，硬件結構得到簡化，功耗較低，性能穩定，實時性好，有較高的可靠性和抗干擾能力。 來源：中國儀器儀表