基于嵌入式技术的测井仪调试台架通用硬件系统研究

发布时间：2020-08-10 13:56

【摘要】：为了解决更多的地质问题,新型声波测井仪器结构更加复杂,功能更加综合化。与此同时,高温高压测井环境要求声波测井仪具有更好的稳定性和可靠性,仪器产业化推广对维修的科学性和及时性提出更高的要求。因此,在仪器组装和维修过程中,需要专门的调试设备以及科学的检测策略进行检测与调试,以保证仪器制作过程中各环节的质量,快速、准确地定位故障位置和类型。本文研究的基于嵌入式技术的声波测井仪调试台架采用定性和定量检测相结合的方法,能够对仪器进行不同级别的调试和诊断,可以提高检测的层次性和科学性,提高工作效率,改善工作质量并促进仪器的改进与升级。本文首先以方位远探测反射声波测井仪和随钻声波测井仪为例,分析了不同声波测井仪的仪器结构、工作原理以及系统连线的相同和差异之处,提炼了声波测井仪系统、模块、电路板和器件这四个级别需要测试的内容,得出调试台架通用硬件系统需要设计的通用和专用功能模块。然后,在基于ARM7微处理器和嵌入式μClinux系统的主从式系统架构之上,设计了各种以FPGA为控制核心的功能模块板,并将它们以积木式结构挂接在ARM的扩展I/O总线上。CAN总线模块以SJA1000为基础,实现了可调波特率的数据收发;RS485总线模块基于状态机思想,实现了6Mbps的数据串行收发;SSB总线模块实现了10Mbps的同步串行通信,为调试仪器内部SSB总线提供主从节点;模拟信号发生器模块基于DDS技术,产生频率和幅度可调的正弦波信号;信号采集模块基于多路选择和程控增益思想,实现了16通道的多路信号采集;电源转换和管理模块提供了220V交流电转换为低压电源和高压电源的方法,以及对它们的检测和输出控制。发射激励模块能够对多个换能器进行相控激励发射测试;Flash存储器测试模块包括一套可靠的存储器管理策略,高温实验的硬件框架和测试方案以及基于FDRB总线的数据快速读取方式等设计。将多个功能板和信号线进行分类和组合,形成了不同级别、不同用途的调试接口,并使用井下仪器的正常电路板对各接口进行了配接调试。最后,以测试仪器整体工作情况、接收声系中电子线路、模拟通道板的一致性、Flash存储芯片的高温特性、发射换能器和变压器的匹配特性等为例,介绍了调试台架的应用方法;以方位远探测声波测井仪中+6V模拟电源故障诊断为例,介绍了台架在故障诊断中的检测流程。
【学位授予单位】：中国石油大学（北京）
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：P631.83
【图文】：

声波测井仪,短节

中国石油大学（北京）博士学位论文第 1 章绪论本章阐述了该课题的研究背景和意义，声波测井仪调试和故障诊断系统的研究现状，最后介绍了本论文的主要研究内容和结构安排。1.1 选题意义近年来，随着基础研究的不断深入，电子信息和软件技术的进步，声波测井技术在仪器和应用范围上获得了快速的发展。

声波测井仪,维护系统,串口通信,井下仪器

机外围设计了基于 DTB、Manchester 曼码、长电缆曼码、IB 总线的对相应接口的井下仪器进行调试[40-41]。但是，该方案只能对仪器进不支持更深层次的检测。荣等人设计了基于 ART270 处理器和 Windows CE 系统的调试系统模拟井下仪器、井下仪器总线等工作环境，对电缆通讯系统、井下仪检测。他们根据井下仪器的工作原理和协议，设计了相应的调试软统的故障诊断能力和效率[42-44]。但是，由于他们的诊断系统硬件框控制器+外围电路，这给系统诊断功能的扩展和升级带来了困难，诊通用性较差。扬等人设计了基于s3c2440 ARM9和嵌入式Linux的调试系统用于现随钻声波测井仪[45-46]。如图 1.3 所示，该维护系统通过 USB 或网络通过串口连接井下仪器，可进行数据读取和程序下载。该方案可以的情况下，对仪器进行整体调试和程序在线升级。

测井仪,反射声,连线图,方位

图 2.2 方位远探测反射声波测井仪的系统连线图Fig. 2.2 System connection lines of the borehole azimuthal acoustic reflection logging tool主控短节是整支仪器的控制核心，它向上与遥测短节相连接，主要实现以下功能：（1）通过 CAN 和 RS485 总线与遥测短节通信，实现仪器工作命令的接收和测井数据的上传。（2）将地面系统经过电缆提供的 220V 交流电通过变压器和稳压管等器件转换成 15V 和±6V 的直流电源供发射短节和接收短节使用，其中的一路 15V 经过电源调整板转换成 1.2V、1.8V 和 3.3V 等常用数字电源，给该短节内的主控板和存储板供电。（3）作为仪器内同步串行总线（synchronous serial bus，SSB）的主控节点，它根据工作协议，给采集节点和发射节点发送串行命令，使仪器每个工作周期都按照单极、偶极 X 和偶极 Y 换能器的先后顺序激励发射，并进行数据采集的控制。（4）通过数据存储板和提供的 Flash 数据读取接口（Flash Data Reading Bus，

【参考文献】