[摘 要]：為了了解鉆井管柱在井下的真實(shí)狀況，本文設(shè)計(jì)了一種用于井下高溫,、高壓環(huán)境的隨鉆井下管柱參數(shù)測量系統(tǒng),；解決了井下工作環(huán)境惡劣、對元器件要求高,、節(jié)能等技術(shù)難題,，并詳細(xì)介紹了系統(tǒng)組成、主要技術(shù)指標(biāo),、軟硬件設(shè)計(jì)以及TMS320LF2407A數(shù)字信號處理器的特點(diǎn)。

1 引言
　　油氣井,，尤其是復(fù)雜結(jié)構(gòu)井在鉆井過程中井下管柱的受力與運(yùn)動狀況,，一直是鉆井科技人員關(guān)注的問題之一,。由于受到井下工作環(huán)境、測試技術(shù),、電子元器件技術(shù)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(xué)行為是石油鉆井領(lǐng)域研究的一個(gè)難點(diǎn),。20世紀(jì)80年代后，隨著隨鉆測量技術(shù)（MWD）和隨鉆測井技術(shù)（LWD）的日趨成熟以及電子技術(shù)的發(fā)展,，人們才得以有條件進(jìn)行井下鉆柱受力和運(yùn)動實(shí)測方面的系統(tǒng)研究,。
　　本文在國內(nèi)外鉆柱井下受力實(shí)測成果的基礎(chǔ)上，研究設(shè)計(jì)了一種基于DSP的井下管柱參數(shù)實(shí)測系統(tǒng),。該系統(tǒng)可以測量鉆柱的軸向力,、扭矩、鉆壓,、加速度和環(huán)境溫度等9個(gè)參數(shù),，并可根據(jù)測得的基本數(shù)據(jù)對井下管柱的受力和運(yùn)動狀態(tài)進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)了井下鉆柱力學(xué)及運(yùn)動參數(shù)的實(shí)時(shí)測量,。

2 DSP簡介
　　DSP作為數(shù)字信號處理專用芯片,，是一種特別適用于進(jìn)行數(shù)字信號處理的微處理器，DSP芯片的內(nèi)部采用程序和數(shù)據(jù)分開的哈佛結(jié)構(gòu),，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(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號處理算法,。DSP具有集成度高、運(yùn)算速度快,、計(jì)算精度高,、功耗低、實(shí)時(shí)性好等特點(diǎn),，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)單片機(jī)計(jì)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(tǒng)的主控芯片,，供電電壓為3.3V,，16血的定點(diǎn)低功耗DSP芯片，片內(nèi)帶Flash程序存儲器,。2407A內(nèi)部集成了高速的CPU內(nèi)核和各種外設(shè)器件：指令的執(zhí)行速度可達(dá)40MIPS,，指令周期僅為25ns，運(yùn)算速度快；具有544字片內(nèi)雙存取RAM（DARAM）,，2k單存取RAM（SARAM）和32k的閃速存儲器（FLASHRAM）,；兩個(gè)事件管理器模塊EVA和EVB；16通道A/D轉(zhuǎn)換器,；多種通訊外設(shè)接口（SCI,，SPI，CAN）等,。
　　2407A的結(jié)構(gòu)便于設(shè)計(jì)高集成度的數(shù)字產(chǎn)品,，減小了整個(gè)系統(tǒng)的體積，使得電路的設(shè)計(jì)簡單化,，提高了系統(tǒng)的可靠性和抗干擾性,，適合井下作業(yè)。

3 測量系統(tǒng)組成
　　隨鉆井下管柱參數(shù)測量系統(tǒng)主要完成隨鉆測量過程中數(shù)據(jù)的采集,、存儲與傳輸?shù)热蝿?wù),。在鉆井過程中實(shí)時(shí)測量鉆柱的軸向力、扭矩,、鉆壓,、彎曲應(yīng)力、加速度,、內(nèi),、外壓力和環(huán)境溫度等9個(gè)參數(shù)。硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示,。 　　該系統(tǒng)主要由以下幾部分組成：電源（電池）,、傳感器、信號調(diào)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(shù)據(jù)分析及顯示,。
　　測試系統(tǒng)是由DSP構(gòu)成的存貯式高速采樣系統(tǒng)，系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)：井眼尺寸：118～119mm,；最高耐壓：60MPa,；最高環(huán)境溫度：125℃；最大允許振動：200m/s2,；測量通道：9路,；數(shù)據(jù)存儲容量：4Mb,；工作時(shí)間：20h。
根據(jù)以上技術(shù)指標(biāo),，要求系統(tǒng)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(tǒng)的技術(shù)難點(diǎn),。由于工作時(shí)間很長,，要求系統(tǒng)具有較低的功耗和合理的工作方式。
　　隨鉆井下管柱參數(shù)測量系統(tǒng)使用時(shí)安裝在一個(gè)特制的短節(jié)內(nèi),，作為一個(gè)接頭接在鉆柱上,，隨鉆工作。采集的數(shù)據(jù)在測量過程中不需要用電纜向上傳輸,，在井下進(jìn)行測量和數(shù)據(jù)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(jì)算機(jī)相連,，并進(jìn)一步分析處理,。整個(gè)測量系統(tǒng)以DSP為核心，主要完成數(shù)據(jù)采集,、濾波,、存取、與地面主機(jī)通信等,。

3．1 信號調(diào)理電路
　　軸向力,、鉆壓、扭矩等9路信號經(jīng)過傳感器轉(zhuǎn)換為電壓量,，輸出的電壓比較微弱,，所以必須加信號調(diào)理電路。本系統(tǒng)選用B-B公司的儀表放大器INA326,。它采用獨(dú)特的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),，可實(shí)現(xiàn)電源正負(fù)限輸入/輸出，具有共模抑制比高,、功耗低,、精度高等特點(diǎn)，非常適用于單電源,、低功耗和精密測量的應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)電壓信號,。
　　用軌至軌運(yùn)算放大器OP496GS構(gòu)成一級具有深度負(fù)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(diào)理模塊的輸出阻抗，減少信號的衰減，以便于DSP對其進(jìn)行采集與處理,。

3．2 采樣模塊
　　A/D轉(zhuǎn)換器在測量系統(tǒng)中有著十分重要的地位和作用,，在嵌入式系統(tǒng)中用于對外界信號的采集。減少A/D轉(zhuǎn)換可能帶來的不穩(wěn)定性的最好手段就是將A/D集成在電路中,，如2407A,。
　　2407A內(nèi)部自帶10位16通道的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊ADC，具有流水線結(jié)構(gòu),，能達(dá)到500ns以內(nèi)的轉(zhuǎn)換速度,。有自動排序的能力，有兩個(gè)獨(dú)立的,、最多可選擇8個(gè)模擬轉(zhuǎn)換通道的排序器（SEQ1和SEQ2）,，可以獨(dú)立工作在雙排序器模式，或者級聯(lián)成16個(gè)通道的排序器模式,；可單獨(dú)訪問16個(gè)結(jié)果緩沖寄存器（RESULT0—RESULT15）,，用來存儲轉(zhuǎn)換結(jié)果；多個(gè)觸發(fā)源可以啟動A/D轉(zhuǎn)換,。
　　本系統(tǒng)采用級聯(lián)模式工作,，9路調(diào)理后的信號進(jìn)入DSP中進(jìn)行A/D采樣，轉(zhuǎn)換后暫存在RESULT0～8中,。

3．3 存儲器模塊
　　2407A片內(nèi)具有32k字FLASH程序存儲器,，可滿足DSP系統(tǒng)程序存儲要求。2.5k字RAM就不能完全滿足數(shù)據(jù)存儲要求了,，需要外擴(kuò)存入大容量的存儲器中,。另外，由于地下采集到的數(shù)據(jù)需要在斷電的情況下還能保存,，以便系統(tǒng)取到地面以后再由PC機(jī)從中提取數(shù)據(jù)進(jìn)行后續(xù)分析處理,，所以選擇了非易失性的存儲器：
　　本系統(tǒng)選用了ATMEL公司研制的串行FLASH芯片AT45DB321C。它具有4M字節(jié)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(jī)電流僅為6μA,，可以反復(fù)擦除/修改上百萬次。它包含1個(gè)非易失性的主存儲體和2個(gè)528b的靜態(tài)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(jī)的信息交換,。2407A有一個(gè)片上異步串行接口（SCI）,。該串行接口可以外接一個(gè)MAX232串行接口芯片,，實(shí)現(xiàn)DSP和PC機(jī)的數(shù)據(jù)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(zhuǎn)換電路,，采用一片SN54LS245就能滿足要求。

4 軟件設(shè)計(jì)
　　隨鉆井下管柱參數(shù)測量系統(tǒng)的軟件部分包括下位DSP軟件設(shè)計(jì)和上位PC機(jī)設(shè)計(jì),。

4．1 DSP軟件設(shè)計(jì)
　　DSP測量部分程序主要有DSP系統(tǒng)初始化,、數(shù)據(jù)采集、FFT濾波和存儲等幾個(gè)功能,。編程環(huán)境使用TI公司的集成開發(fā)軟件CCS，在具體編寫程序時(shí),，充分利用DSP的一些特殊指令可以節(jié)省很多時(shí)間,。系統(tǒng)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(shù)據(jù)采集、FFT濾波,。程序流程如圖3所示,。

4．2 上位機(jī)設(shè)計(jì)
　　上位機(jī)設(shè)計(jì)主要是人機(jī)界面的設(shè)計(jì)，對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示,、分析,、曲線繪制、打印等,。人機(jī)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(shù)據(jù)處理及曲線繪制,。
（1）用戶界面
　　主要是由系統(tǒng)主菜單和一系列的對話框組成，如標(biāo)定對話框,、參數(shù)設(shè)置對話框,、通信對話框等。通過菜單和對話框,，用戶可以與計(jì)算機(jī)進(jìn)行交互操作,。
（2）通信接口
　　根據(jù)井下儀器與地面計(jì)算機(jī)之間的通信約定，編制相應(yīng)的通信程序,，實(shí)現(xiàn)井下儀器與地面計(jì)算機(jī)之間交換數(shù)據(jù),，包括井下儀器的測試,、參數(shù)設(shè)置以及接收采集的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)通訊采用CRC校驗(yàn),，提高通訊可靠性,。
（3）數(shù)據(jù)處理
　　包括標(biāo)定數(shù)據(jù)處理、現(xiàn)場數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)保存等功能,。標(biāo)定數(shù)據(jù)是在對儀器進(jìn)行標(biāo)定時(shí)所錄入的數(shù)據(jù),，標(biāo)定數(shù)據(jù)處理是用戶通過對話框，交互地完成標(biāo)定工作并把處理后的標(biāo)定數(shù)據(jù)保存起來,；現(xiàn)場數(shù)據(jù)處理是把井下傳感器所采集的電壓值,，利用標(biāo)定數(shù)據(jù)根據(jù)一定的算法換算出實(shí)際的測量值，并保存下來,。
（4）曲線繪制
　　在彈出的窗口中根據(jù)數(shù)據(jù)文件的數(shù)據(jù)繪制出9個(gè)參數(shù)隨時(shí)間變化的曲線,，可以彈出多個(gè)窗口同時(shí)觀察多條曲線。

5 結(jié)束語
　　廠隨鉆井下管柱參數(shù)測量系統(tǒng),，由于工作環(huán)境惡劣,，干擾和不可靠因素很多，應(yīng)充分考慮系統(tǒng)的抗干擾性,。系統(tǒng)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(shè)計(jì)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(nèi)部看門狗（WD）定時(shí)器和軟件陷阱技術(shù),，監(jiān)視軟件和硬件的運(yùn)行,，有效的防止程序“跑飛”，確保程序“跑飛”后可自動復(fù)位,。
　　系統(tǒng)經(jīng)井下實(shí)踐,，效果良好，數(shù)據(jù)采樣及存貯可靠,，該測量系統(tǒng)能較精確地描述鉆柱在井下的受力和運(yùn)動情況,。由于采用了DSP作為系統(tǒng)核心，硬件結(jié)構(gòu)得到簡化,，功耗較低,，性能穩(wěn)定，實(shí)時(shí)性好,，有較高的可靠性和抗干擾能力,。