基于C8051F340的陀螺测斜地面系统设计硕士学位论文.docx

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基于C8051F340的陀螺测斜地面系统设计硕士学位论文

学位论文原创性声明

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所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。

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第一章绪论

1.1课题背景介绍

1.1.1石油测井简介

石油作为现代社会的最重要能源之一，随着现代工业的飞速发展，人类社会对石油的需求量越来越大，人们对石油勘探和采集的投资也在不断增加，随着现代科学技术的发展，用于石油勘探的设备和技术涉及到许多技术和领域，从微电子技术到计算机技术、从机械制造到材料科学、从地质学到地球物理学等学科，几乎无所不包。

地球物理测井（简称“测井”）技术是伴随石油工业而产生和发展起来的一门学科，属于地球物理学的一个分支。

为了寻找石油和天然气，一般要根据地质科学的研究，先在有利于石油和天然气生产和存储的地区进行地质调查和地球物理勘探，找出可能存储石油和天然气的各种地质构造。

至于在这些地质构造中是否真的含有石油或天然气，以及石油或天然气的储量是多少，最终都要靠测井来证实。

测井分为勘探测井和生产测井两种，前者为了找石油，了解地层物理结构；后者是在石油开采过程中，为了提高采油效率，测量掌握与采油有关的油井情况（如井径尺寸、钻井偏斜度等）、地层情况（如油层深度、油/水比等）[1]。

1.1.2石油测井的发展历史和现状

测井的发展大致可以分为四个阶段[2]：

第一阶段是模拟记录阶段。

从测井诞生到60年代末，都使用模拟记录测井仪器。

用灵敏度高的检流计测量回路电流得到探测系统测量端间的电位差变化，反映地层物理参数（电阻率、声波速度等）随深度的变化，记录在照相纸或胶片上，模拟记录的特点是采集的数据量小，传输速率低。

使用的主要测井方法有声速（纵波）测井、感应测井和普通电阻率测井，配之以井径测井、自然电位测井和自然伽马测井等。

第二阶段是数字测井阶段。

自60年代来，测井仪器从模拟记录过渡到数字记录。

这是测井技术发展的要求，测井方法的增多，特别是地层倾角测量的出现和声波变密度测井都要求高速采集地下信号，此外，某些测井方法要求在井场作一些校正、补偿和简单的计算，如中子测井计算中子孔隙度、密度测井进行脊肋校正等。

第三阶段是数控测井阶段。

新测井方法不断出现，如电磁波传播测井，碳/氧（C/O）能谱测井，其下井仪器复杂，为提高精度，须在测井过程中对仪器的某些参数实现“实时”控制和调节（双侧向测井对屏蔽电流的“实时”调节等），数字测井已经不能满足要求，计算机技术的高速发展提供了解决问题的途径。

70年代末发展了数控测井仪。

数控测井仪实质上是一台以计算机为中心的遥控遥测系统，各种下井仪器作为计算机的外设，通过电缆通讯系统实现数据的交换和计算机对下井仪的控制。

仪器检测、测量数据处理和显示、曲线回放等都通过软件实现。

测量时，在井下将各种仪器信号变换为数字信号，通过不同的编码—解码技术将信号沿电缆送至地面，输入计算机，这样有利于下井仪的设计和更新，也有利于整个数控测井系统的扩展。

第四阶段是成像测井阶段。

随着勘探和开发更复杂更隐蔽的油气藏的发展，对测井也提出了更高的要求，薄层、薄互层、裂缝性储层低孔隙低渗透层、复杂岩性的评价；高含水油田的开发中剩余油饱和度及其分布的确定；固井质量、套管损坏等工程测井问题及地层压力、非均质和各向异性等问题需要测井从方法理论到测量技术有更新的发展，正是在这样的背景下，测井现在正向成像测井阶段发展。

目前的测井手段仍以数控测井为主。

国内的数控测井系统从八十年代开始发展，之前国外石油公司的测井系统一直处于垄断位置，如Mobil石油公司、Shell石油公司和Schlumberger石油公司。

胜利－北航钻井测控研究中心自1985年开发石油测井仪器以来，始终以达到国际先进技术水平为目标，制定适合国情的研制方案。

相继和胜利油田、滇黔贵石油钻探公司、江汉测井研究院、大庆油田测研所等单位建立了合作关系。

在国内率先将单片微处理器及计算机技术应用于石油测井仪器中。

已形成从测量油井各种基本物理参数如陀螺测斜仪、多参数测井仪，到具有油井分析系统功能的如碳氧比能谱测井仪等多种类系列测井仪器。

这些测井仪器的成功应用打破了外国公司在测井仪器领域的垄断，填补了我国测井仪器行业的空白。

1.2课题的来源

1.2.1数控测井系统介绍

数控测井系统通常由三部分组成：

上位机、下位机和井下仪器。

上位机和下位机主要通过串口、并口或自行开发的总线扩展槽连接，而下位机和井下仪器则通过模拟电缆连接，数控测井系统的结构如图1所示[2,3]。

图1数控测井系统结构

●上位机系统主要以工控机（或者便携电脑）为中心，辅助以打印机和示波器等外部设备。

数控测井软件系统的大部分软件也包含于其中。

主要完成对下位机系统各个接口的管理和控制功能，并实现对测井数据的处理、显示、存储、打印和回放等功能。

●下位机系统主要有供电部分、模拟部分和各种测量接口部分等组成。

测量接口通过接口控制连接到井下仪器，常用的测井接口有深度测量接口、脉冲计数测量接口、A/D采样测量接口、声波测量接口、碳氧比测量接口、陀螺测斜接口、DDL3组合测井仪测量接口等。

●井下部分负责采集数据，然后将其传送给下位机系统。

井下部分由井下仪、供电系统、电缆切换单元和信号监测四部分组成。

常用的井下仪器有声波仪、CCL仪、陀螺测斜仪、碳氧比能谱测井仪和自然伽马仪等。

数控测井地面系统大都是大型车载式机柜系统，硬件配置齐全、功能强大、可以和多种井下仪器配套使用、能够满足各种测井作业的需要，但是它的体积庞大，在海上作业或长距离作业时，运输安装极为不便，影响了它的推广使用。

特别是面对单一的测井任务，也需要将整个数控测井系统用车拉到现场，浪费了系统资源，也浪费了人力物力。

因此地面测井接口的专用化和小型化成为测井行业的趋势和潮流。

1.2.2陀螺测斜简介

应用在石油测井领域的陀螺测斜仪是20世纪90年代初期才发展起来的一种不受地质和周围环境影响的精确油井导向系统，该系统采用动力调谐式挠性速率陀螺为核心传感器，可测量目标位置的方位，井斜、工具面等工程参数，从而获得油井的空间轨迹，同时也可为定向钻井提供导向信息。

此前随钻测量仪、电子多点等测量仪器等测斜系统，考虑到抗震性能要求高，均采用磁通门传感器来感应大地磁场，确定井眼方位。

而在套管中由于存在铁磁质材料，大地磁场受到屏蔽或干扰比较大，上述测量仪器确定的方位就不准确了。

由陀螺惯性原理可知，即使外界磁干扰很大，陀螺仍能保持原来的方位稳定，因此，陀螺测斜仪也就成为在套管中进行定向测量的必备仪器。

陀螺测斜系统分为地面系统和井下系统两部分[4]。

其中井下系统就是动调式陀螺测斜仪，它由减震器、惯性体、陀螺电路舱、电源舱、微机舱、磁定位器、马笼头等几部分组成。

其结构如图2所示。

图2陀螺测斜井下系统

地面系统是一套专用的便携式计算机测控、信号采集系统，它可对井下仪器实时控制，数据采集和处理，实时显示、打印、存储测井数据，并在测井现场完成测井资料的处理工作，主要由笔记本电脑、测控接口箱、电源、打印机几部分构成。

其系统构成如图3所示。

图3陀螺测斜系统结构图

传统的陀螺测斜仪接口一般是由单片机扩展一系列外围器件组成，结构复比较杂，例如：

模拟信号采样需要扩模拟多路选择器、模/数转换器、程控放大器等；与陀螺仪通信部分需要扩展曼彻斯特编解码芯片（如HD15530）或扩展FPGA实现编解码；与工控机通信部分则需要扩展USB接口芯片（如PDIUSBD12）或其他通信接口芯片。

图4为某型号陀螺测斜接口箱结构。

图4接口箱组成结构图

接口箱由STD总线机笼里插入STD总线接口板，CPU板、深度及A/D板、显示驱动板、通讯板和前面板上的显示板组成。

这种结构板卡过多，而且在实际测井工作中也经常出现板卡松动的现象，因此需要把板卡整合在一起，既能减小体积，又能提高可靠性。

在电子技术、信息技术和计算机技术高度发达的今天，完全可以在不降低功能和性能甚至功能和性能有所提高的前提下大大简化硬件系统和软件系统。

1.2.3声波测井简介

50年代出现了声波测井仪器，60年代末提出了偶极子源能直接激发横波信号，可以解决软地层中横波勘探的问题。

70年代初提出了可能的横波速度测井仪，70年代末出现了长源距声波全波列测井仪，80年代初研制出电磁驱动的偶极子横波测井仪，80年代中期发展了阵列声波测井仪，将常规井眼补偿声波与长源距声系以及井径等综合测量，实现了对声波全波列的数字化记录，并对管波的纪录予以重视[6，7，8]。

声波探测数控石油测井系统主要应用是在固井后，检查和评价水泥固井的工程质量。

采用声幅测量和全波变密度测量两种技术相结合，可以有效的检查套管和地层间水泥环的胶结质量（包括第一胶结面的胶结质量——水泥环和套管的胶结情况，第二胶结面的胶结质量——水泥环和地层间的胶结情况）。

同时水泥抗压强度和套管破裂等油管固井工程质量问题都是十分重要的评价内容[9]。

数字声波测井仪接收到来自地面的指令，根据相应的指令控制仪器工作。

在井下按规定的时序发射声脉冲信号，用传感器阵列接收经地层传播的声波信号，将该信号数字化处理后传输到地面，地面系统将接收到的数据进行处理以获取地层的物理特性。

要求测井仪可以控制声波发射的强度、次数和时间；采集到的信号可以缓存；具有一定的容错能力。

具体工作过程如下：

1、逻辑控制序列，控制声波发射晶体的发射、完成声波接收器的选择及接收增益设定；

2、对4路声波信号进行数字化采集，并根据每路采集的信号大小，产生相应的增益控制；

3、集的数据、增益，按规定的序列通过遥测短节传送到地面进行纪录。

测井数据的记录方式也由最早的手工照相记录，发展到60年代末的数字磁带机记录，再到后来的的在计算机上实现测井数据的处理、记录、绘制曲线等[2]。

上位机上的软件平台也由原来的基于DOS操作系统向基于Window操作系统转变。

1.2.4陀螺测斜接口改进需求

陀螺测斜专用接口改进是在原陀螺测斜接口箱的基础上进行的，原有的陀螺测斜地面系统虽然已经投入了生产应用，但在实际应用中也发现了一些问题有待改进，有的用户也提出了新的要求和改进意见。

1.结构小型化、便携化：

原陀螺测斜地面系统功能强，硬件配置齐全，能够满足陀螺测斜作业的需要；但是它的体积庞大，运输安装极为不便，影响了它的推广使用。

因此，陀螺测斜地面系统的小型化成为测井行业的趋势和潮流；

2.可靠性：

原陀螺测斜地面系统由CPU板、深度A/D板、通讯接口板、显示驱动板和显示板等组成，把各功能模块组合起来以完成测井信息的采样与处理等功能。

由于板卡过多，而且在实际测井工作中也经常出现板卡松动的现象，因此需要把板卡整合在一起，既能减小体积，又能提高可靠性；

3.USB接口：

传统的测井系统与主机的通信接口一般采用串口进行通信，串口虽然连接方便，可是它的带宽非常有限，传输速度太慢，随着数据量的增大和传输速率的提高，串口通信很难满足数据传输的要求。

而现在生产的PC几乎都配备了USB接口，Microsoft的Windows系列以及MacOS，Linux，FreeBSD等流行操作系统都增加了对USB的支持。

USB有很多优点，如：

速度快、设备安装和配置容易、易于扩展、使用灵活。

因此，将USB技术应用于数据的实时采集传输是非常适合的。

便携式数控测井地面系统扩展一个USB通信方式，成为系统发展的必然趋势，也是我们设计陀螺测斜专用接口的主要任务之一；

4.改进电源性能：

原陀螺测斜接口箱采用的是线性电源，它体积大，效率低。

随着开关电源技术的发展，有必要采用体积小、重量轻、效率高的开关电源，不仅可以大大缩小陀螺测斜接口箱的体积，减轻机箱重量，而且还可以提高系统的可靠性。

1.2.5声波测井软件的改进需求

随着计算机硬件设备的迅猛发展，开发进行实时数据处理和有良好用户界面的应用软件成为软件开发的趋势之一，也是许多用户的需要。

声波测井系统的软件运行平台为Windows操作系统，因为Windows操作系统作为目前应用于个人计算机的主流操作系统具有以下特点：

1、灵活的内存管理模式：

Windows的内存管理是线性的而不再象Dos操作系统那样分段管理，每个进程（应用程序）都有它自己的32位虚拟地址区，各个进程的虚拟地址空间要比总的物理内存（RAM）大得多，并能提供给所有进程。

这样就保证了应用程序有足够的内存空间可以使用。

3图形化用户界面：

是Windows操作系统的重要特点之一。

采用命令式操作方式，消息映射的管理方法，从而简化了用户操作，实现程序与用户的简单，直观，良好的交互。

4、设备无关性：

即为Windows编写的应用程序可以在多种类型的硬件设备上绘制图形和输出，这也是Windows的主要特点之一。

这是因为Win32应用程序编程接口（API）具有这种性质。

支持这种设备无关性的软件在两个动态链接库中。

第一个库是图形设备接口（GDI），另一个是设备驱动程序。

后者的名称根据应用程序输出设备的不同而不同。

由于Windows采用图形设备接口（GDI）技术访问屏幕和打印机等图形显示设备，因此Windows程序可以在不同设备上使用。

克服了DOS下程序的不足。

各种不同的硬件设备有各自的驱动程序，可以为用户提供相对透明的服务。

5、Windows操作系统采用多任务的运行方式：

一个Windows平台下可以同时运行多个应用程序，一个应用程序又可以由不止一个进程组成，而一个进程可以由不止一个线程组成。

进程由代码、数据和该进程中的线程可用的其它系统资源，如文件、管道和同步对象等组成。

操作系统为其分配CPU的时间处理时隙。

各进程间采用抢先式多任务的管理模式。

课题的具体任务是以现有的Dos平台下软件为依据，以Windows平台下常规测井软件为参考，采用VC++6.0开发工具，开发运行在Windows平台下的数控声波测井系统软件，实现整个软硬件系统的协调工作。

1.3课题的目标

本课题包含两方面的内容，陀螺测斜专用接口的设计与实现是要把陀螺测斜接口从数控测井地面系统中独立出来，使它能独立工作，完成陀螺测斜功能，并且要求误码率、无故障工作时间等技术指标符合2003年制定的陀螺测斜系统技术指标；基于Windows声波测井软件的开发是以现有的DOS平台下软件为依据，以Windows平台下常规测井软件为参考，开发出界面友好、操作方便、功能强大的声波测井软件，包括各种测井曲线的绘制、打印、保参和回放。

1.4课题主要工作和论文内容安排

本论文是在设计陀螺测斜专用接口和声波测井软件开发的实际工作的基础上，通过对工作进行总结、问题问题进行研究而写成的。

陀螺测斜专用接口，实现数据采集、通信、传输等功能。

此接口需要完成的功能主要有：

电压、电流，张力，磁标记，CCL信号的采样；马丁代克信号的处理；与上位机和井下仪的通信。

这些功能都是通过C8051F340单片机来实现和完成的。

声波测井软件主要绘制CBL（水泥胶结测井）、BI（水泥胶结指数）、VDL（变密度测井）、SRT（3英尺源距接收器实测套管传播时间）和常规测井曲线温度、张力和压力等，并实现这些曲线的保存、打印和回放。

全文共分六章，第一章介绍课题背景来源，课题的意义，课题的目标和论文内容安排。

第二、三章分别介绍了陀螺测斜专用接口的硬件电路系统设计和单片机固件程序设计。

主要对硬件电路系统设计的原理、设计方法、设计思路以及系统设计中的核心技术进行了详细说明。

第四章介绍了陀螺测斜测试程序的开发。

主要介绍了用NI-VISA开发USB驱动程序的开发步骤和LabVIEW开发的陀螺测斜系统各种功能的测试程序，主要包括下位机Register读写程序、ADC采样测试、曼彻斯特编解码测试、通信误码率测试、陀螺采样通道测试和测井命令测试等。

第五章主要介绍了声波测井的背景知识。

第六章介绍了声波测井软件各个模块的开发。

最对研究生工作进行了总结。

第二章陀螺测斜接口电路设计

本章内容：

主要介绍陀螺测斜专用接口的设计思想、各个组成模块的设计方案、相应的硬件设计和仿真及相关电路原理。

2.1陀螺测斜接口总体设计思想

目前使用中的数控测井地面系统基本结构和设计思想大体一致，即以计算机为主控机，充分利用计算机的硬件资源再配以专用测井接口电路，以小规模的硬件设备同时辅以丰富的软件支持来构成系统，这种结构已经形成数控测井地面系统的主流[10]。

以目前计算机的能力及速度足以应付各种生产测井任务。

但应在此基础上提高工艺水平，降低造价并使系统便于维护，减少硬件设计制作规模，增大软硬件比例，以便使系统实现灵活可靠、经济、便于维护的特点。

基于硬件高度集成、功能专一、操作简便、性价比高的指导思想，我们的陀螺测斜地面系统以计算机为主控机，采用高集成度、的功耗的芯片作为下位机的设计主体，由计算机直接控制测量过程。

这种结构的突出优点是控制灵活、便于维护，能够充分利用和发挥软件的强大功能，减少了硬件规模，系统结构大大简化，系统的体积大大缩小，成本大大降低，而系统的功能却有所增强，具有很高的性能价格比。

2.2陀螺测斜接口功能分析

陀螺测斜接口，向下连接井下陀螺器，向上连接上位机，主要起着联络上位机和井下仪的作用，同时也对井下仪及地面系统的一些关键参数进行采集、处理和显示，并将采样数据和陀螺仪发送的数据按照一定的帧格式通过USB接口传给PC机做进一步处理。

陀螺测斜接口的主要功能可以分为以下几部分，

Ø实时监测并显示井下仪器的供电电压和供电电流，以防止供电电源异常而烧毁井下仪器，同时也为地面操作人员调整井下仪器的供电压或电流提供依据；

Ø实时监测并显示电缆张力，一方面防止井下仪器下放或上拉速度过快而造成电缆折断，另一方面以便操作人员判断井下仪器是否遇到阻力被卡住，而及时调整井下仪器的下方或上提速度速度；

Ø实时采样CCL信号和磁标记标记信号，并将采样时的时间信息和深度信息加入采样数据组成数据帧放入通信缓冲区中等待上位机读取；

Ø实时显示井下仪器所处的深度和运动速度，方便操作人员对井下仪器的深度和速度进行控制；

Ø通过USB接口接收并处理主机发送的命令和数据，并将命令和数据加上同步头和校验位，然后进行曼彻斯特码后发往井下仪器；

Ø接收井下仪器的数据，并且按约定好的算法对接收到的数据进行校验，对错误数据进行标记，然后放入陀螺数据缓冲区中等待上位机读取；

Ø接口箱工作温度0～40℃，保存温度－10～55℃，系统误码率小于10-5。

2.2陀螺测斜接口结构设计

以照陀螺测斜的功能要求和陀螺测斜专用接口的总体设计思想为指导，本设计选用SiliconLabs公司高集成度的片上系统C8051F340单片机作为接口板的核心控制部分，扩展了极少的外围器件，大大简化了电路结构，提高了系统可靠性和可维护性，极大的提高了系统的性价比。

文中设计的测斜专用接口结构如图5所示。

图5陀螺测斜专用接口结构

陀螺测斜主要采取“点”测模式，即每隔一定时间由操作人员通过上位机向接口板发送一次命令，接口板把命令按照曼彻斯特编码转发到陀螺仪，陀螺仪接收到命令后便对井下信号进行一次模数转换，并将采样数据按照曼彻斯特编码发送到接口板，接口板对接收到的资料进行预处理后再发送到PC机。

因而半双工的通信模式足以满足实际需求。

井下仪和接口板之间采用半双工的通信方式，曼彻斯特编码，PC机和接口板之间则通过USB接口传送数据。

C8051F340单片机是整个测斜仪接口的核心部分，它具有强大的数模混合信号处理能力和丰富的外设资源。

和高达48MIPS的指令执行速度，保证了各路模拟信号的完全采集、快速深度计数的和实时接收并处理主机发送的命令和数据，这保证了对井下仪的实时控制和对数据的实时采集和处理。

2.3C8051F340介绍

C8051F340是由美国SiliconLabs公司设计的新一代单片机，他对原51单片机内核进行了改造，设计了以流水线方式处理指令的CIP-51内核，废除了原51系列单片机中的机器周期，一个时钟周期便可以执行一条单周期指令，大多数指令执行所需的时钟周期数与指令的字节数相同，这使得C8051F340单片机的指令峰值速度可以高达48MIPS。

该系列单片机结构[11]如图6所示。

图6C8051F340结构

C8051F340内核采用SiliconLabs公司的CIP-51微控制器内核[11,12,13]。

CIP-51与MCS-51TM指令集完全兼容，可以使用标准的803x/805x的汇编器和编译器进行软件开发。

CIP-51内核具有标准8052的所有外设部件，包括4个16位计数器/定时器、两个具有扩展波特率配置的全双工UART、一个增强型SPI端口、一个增强型I2C端口、128字节特殊功能寄存器（SFR）地址空间及多达40个I/O引脚。

Silabs公司在提升8051速度上采取了新的途径，即设法在保持CISC结构及指令系统不变的情况下，对指令运行实行流水作业，推出了CIP-51的CPU模式[11,14]。

在这种模式中，废除了机器周期的概念，指令以时钟周期为运行单位。

平均每个时钟可以执行完1条单周期指令，从而大大提高了指令运行速度。

在一个标准的8051中，除MUL和DIV以外所有指令都需要12或24个系统时钟周期，最大系统时钟频率为12-24MHz。

而对于CIP-51内核，70%的指令的执行时间为1或2个系统时钟周期，只有4条指令的执行时间大于4个系统时钟周期，最大系统时钟可以高达48M。

CIP-51共有111条指令。

表1列出了指令条数与执行时所需的系统时钟周期数的关系。

表1CIP-51指令数与指令周期对照表

执行周期数

1

2

2/3

3

3/4

4

4/5

5

8

指令数

26

50

5

16

7

3

1

2

1

与8051相比，在相同时钟下单周期指令运行速度为原来的12倍；整个指令集平均运行速度为原来8051的9.5倍，使8051兼容机系列进入了8位高速单片机行列。

C8051F340单片机外设方面有几项关键性的改进，大大提高了整体性能，更易于在最终应用中使用。

Ø程序存储器和数据存储器：

CIP-51有标准8051的程序和数据地址配置。

它包括256字节的数据RAM，其中高128字节为双映射。

CIP-51有64KB的程序存储器空间，程序存储器通常被认为是只读的，但是CIP-51可以通过设置程序存储器写允许位（PSCTL.0）用MOVX指令对程序存储器写入，这一特性为CIP-51提供了更新程序代码和将程序存储器空间用于非易失性数据存储的机制。

同时，他还具有4K的片上XRAM，极大的方便了大批量数据处理。

Ø通用串行总线控制器（USB0）：

它符合USB2.0规范，可以低速模式和全速模式，集成了收发器和端点FIFO。

共有8个端点：

一个双向控制端点（端点0）和三对输入/输出端点（端点1-3输入/输出）。

Ø数字交叉开关：

数字交叉开关允许将内部数字系统资源通过编程映射到端口I/O引脚。

可通过设置交叉开关控制寄存器将片内的计数器/定时器、串行总线、硬件中断、比较器输出以及微控制器