【正文】 統(tǒng)以計算機為主控機，采用高集成度、的功耗的芯片作為下位機的設(shè)計主體，由計算機直接控制測量過程。主要介紹了用NIVISA開發(fā)USB驅(qū)動程序的開發(fā)步驟和LabVIEW開發(fā)的陀螺測斜系統(tǒng)各種功能的測試程序，主要包括下位機Register讀寫程序、ADC采樣測試、曼徹斯特編解碼測試、通信誤碼率測試、陀螺采樣通道測試和測井命令測試等。陀螺測斜專用接口，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、通信、傳輸?shù)裙δ?。各種不同的硬件設(shè)備有各自的驅(qū)動程序，可以為用戶提供相對透明的服務(wù)。采用命令式操作方式，消息映射的管理方法，從而簡化了用戶操作，實現(xiàn)程序與用戶的簡單，直觀，良好的交互。USB有很多優(yōu)點，如：速度快、設(shè)備安裝和配置容易、易于擴展、使用靈活。具體工作過程如下：邏輯控制序列，控制聲波發(fā)射晶體的發(fā)射、完成聲波接收器的選擇及接收增益設(shè)定；對4路聲波信號進行數(shù)字化采集，并根據(jù)每路采集的信號大小，產(chǎn)生相應(yīng)的增益控制；集的數(shù)據(jù)、增益，按規(guī)定的序列通過遙測短節(jié)傳送到地面進行紀錄。 聲波測井簡介50年代出現(xiàn)了聲波測井儀器，60年代末提出了偶極子源能直接激發(fā)橫波信號，可以解決軟地層中橫波勘探的問題。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。特別是面對單一的測井任務(wù)，也需要將整個數(shù)控測井系統(tǒng)用車拉到現(xiàn)場，浪費了系統(tǒng)資源，也浪費了人力物力。數(shù)控測井軟件系統(tǒng)的大部分軟件也包含于其中。勝利－北航鉆井測控研究中心自1985年開發(fā)石油測井儀器以來，始終以達到國際先進技術(shù)水平為目標，制定適合國情的研制方案。70年代末發(fā)展了數(shù)控測井儀。從測井誕生到60年代末，都使用模擬記錄測井儀器。本人授權(quán)湖南科技大學可以將本學位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學位論文。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。至于在這些地質(zhì)構(gòu)造中是否真的含有石油或天然氣，以及石油或天然氣的儲量是多少，最終都要靠測井來證實。這是測井技術(shù)發(fā)展的要求，測井方法的增多，特別是地層傾角測量的出現(xiàn)和聲波變密度測井都要求高速采集地下信號，此外，某些測井方法要求在井場作一些校正、補償和簡單的計算，如中子測井計算中子孔隙度、密度測井進行脊肋校正等。隨著勘探和開發(fā)更復(fù)雜更隱蔽的油氣藏的發(fā)展，對測井也提出了更高的要求，薄層、薄互層、裂縫性儲層低孔隙低滲透層、復(fù)雜巖性的評價；高含水油田的開發(fā)中剩余油飽和度及其分布的確定；固井質(zhì)量、套管損壞等工程測井問題及地層壓力、非均質(zhì)和各向異性等問題需要測井從方法理論到測量技術(shù)有更新的發(fā)展，正是在這樣的背景下，測井現(xiàn)在正向成像測井階段發(fā)展。數(shù)控測井系統(tǒng)通常由三部分組成：上位機、下位機和井下儀器。井下部分由井下儀、供電系統(tǒng)、電纜切換單元和信號監(jiān)測四部分組成。由陀螺慣性原理可知，即使外界磁干擾很大，陀螺仍能保持原來的方位穩(wěn)定，因此，陀螺測斜儀也就成為在套管中進行定向測量的必備儀器。圖 4 接口箱組成結(jié)構(gòu)圖接口箱由STD總線機籠里插入STD總線接口板，CPU板、深度及A/D板、顯示驅(qū)動板、通訊板和前面板上的顯示板組成。數(shù)字聲波測井儀接收到來自地面的指令，根據(jù)相應(yīng)的指令控制儀器工作。因此，陀螺測斜地面系統(tǒng)的小型化成為測井行業(yè)的趨勢和潮流；2. 可靠性：原陀螺測斜地面系統(tǒng)由CPU板、深度A/D板、通訊接口板、顯示驅(qū)動板和顯示板等組成，把各功能模塊組合起來以完成測井信息的采樣與處理等功能。聲波測井系統(tǒng)的軟件運行平臺為Windows操作系統(tǒng)，因為Windows操作系統(tǒng)作為目前應(yīng)用于個人計算機的主流操作系統(tǒng)具有以下特點：靈活的內(nèi)存管理模式：Windows 的內(nèi)存管理是線性的而不再象Dos操作系統(tǒng)那樣分段管理，每個進程（應(yīng)用程序）都有它自己的32位虛擬地址區(qū)，各個進程的虛擬地址空間要比總的物理內(nèi)存（RAM）大得多，并能提供給所有進程。后者的名稱根據(jù)應(yīng)用程序輸出設(shè)備的不同而不同。課題的具體任務(wù)是以現(xiàn)有的Dos平臺下軟件為依據(jù)，以Windows平臺下常規(guī)測井軟件為參考，采用VC++，開發(fā)運行在 Windows平臺下的數(shù)控聲波測井系統(tǒng)軟件，實現(xiàn)整個軟硬件系統(tǒng)的協(xié)調(diào)工作。第二、三章分別介紹了陀螺測斜專用接口的硬件電路系統(tǒng)設(shè)計和單片機固件程序設(shè)計。 陀螺測斜接口總體設(shè)計思想目前使用中的數(shù)控測井地面系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)和設(shè)計思想大體一致，即以計算機為主控機，充分利用計算機的硬件資源再配以專用測井接口電路，以小規(guī)模的硬件設(shè)備同時輔以豐富的軟件支持來構(gòu)成系統(tǒng)，這種結(jié)構(gòu)已經(jīng)形成數(shù)控測井地面系統(tǒng)的主流[10]。 實時監(jiān)測并顯示電纜張力，一方面防止井下儀器下放或上拉速度過快而造成電纜折斷，另一方面以便操作人員判斷井下儀器是否遇到阻力被卡住，而及時調(diào)整井下儀器的下方或上提速度速度；216。圖 5 陀螺測斜專用接口結(jié)構(gòu)陀螺測斜主要采取“點”測模式，即每隔一定時間由操作人員通過上位機向接口板發(fā)送一次命令，接口板把命令按照曼徹斯特編碼轉(zhuǎn)發(fā)到陀螺儀，陀螺儀接收到命令后便對井下信號進行一次模數(shù)轉(zhuǎn)換，并將采樣數(shù)據(jù)按照曼徹斯特編碼發(fā)送到接口板，接口板對接收到的資料進行預(yù)處理后再發(fā)送到PC機。CIP51與MCS51TM 指令集完全兼容，可以使用標準 的803x/805x的匯編器和編譯器進行軟件開發(fā)。表1列出了指令條數(shù)與執(zhí)行時所需的系統(tǒng)時鐘周期數(shù)的關(guān)系。216。 模/數(shù)轉(zhuǎn)換器：C8051F340內(nèi)部有一個10位SAR ADC和一個差分輸入多路選擇器。216。這是本次設(shè)計選用C8051F340單片機設(shè)計陀螺測斜儀專用接口的重要原因。這些信號有的信號很強，達到上百伏，有的信號卻很微弱，只有上百毫伏，但是單片機內(nèi)部集成的ADC所允許的輸入電壓是0～，因此對采樣信號必須做必要地預(yù)處理，如放大、衰減、電平調(diào)理、限幅、濾波等一系列處理后才能送進單片機進行采樣。圖 9 CCL信號預(yù)處理電路原理圖從井下儀做CCL信號采樣端的交流小信號分析所得的幅頻特性和相頻特性如圖10所示。陀螺測斜儀供電電流經(jīng)采樣電阻將電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號后在經(jīng)過濾波和AD629隔離后才送至單片機采樣。圖 13 磁標記信號處理電路在單片機中每隔10mS就對五路模擬信號輪流采樣一次，然后打包成幀放入通信緩沖區(qū)中等待上位機讀取。這種安排使得布置在這兩個窄縫后面的光敏元件所產(chǎn)生的兩路光電輸出信號產(chǎn)生π/2的相位差。圖 16 深度信號處理電路結(jié)構(gòu)單片機的PWM輸出經(jīng)過低通濾波器后有幾十微伏的紋波電壓[15]，因此配置單片機內(nèi)部集成比較器的正向滯回電壓和負向滯回電壓為20mV，以防止深度信號在上升沿和下降沿處造成比較器輸出端產(chǎn)生振蕩，產(chǎn)生錯誤的計數(shù)。另外，在CH451上電復(fù)位后，單片機必須在DCLK 輸出串行時鐘之前，先在DIN上輸出一個低電平脈沖（由高電平變?yōu)榈碗娖皆倩謴?fù)為高電平），通知CH451使能4線串行接口。 井下儀器通信模塊通信的任務(wù)是傳遞信息，因此傳輸信息的有效性和可靠性是通信系統(tǒng)最主要的質(zhì)量指標[16]。因此，在提取曼徹斯特編碼信號時除了要濾除干擾信號外，還要利用比較器對編碼信號進行整形。因此解碼電路完全符合技術(shù)指標，在實際測試時，通信誤碼率小于105，滿足系統(tǒng)設(shè)計要求。當插入USB設(shè)備的時候，計算機系統(tǒng)檢測該外設(shè)并且通過自動的加載相關(guān)的驅(qū)動程序來對該設(shè)備進行配置，并使其正常工作；l USB在設(shè)備供電方面提供了靈活性。共有8個端點：一個雙向控制端點（端點0）和三對輸入/輸出端點（端點13輸入/輸出）。本設(shè)計用端點端點1作為IN端點，工作在批量方式，用于向上位機傳輸大量數(shù)據(jù)，端點2作為OUT端點，用于接收主機發(fā)送的控制命令，工作在中斷方式，這樣可以保證上位機到下位機由足夠的帶寬，實現(xiàn)對下位機的實時控制。 第三章 陀螺測斜接口固件程序設(shè)計本章內(nèi)容：主要介紹陀螺測斜系統(tǒng)固件程序設(shè)計，首先介紹陀螺測斜系統(tǒng)各個模塊的數(shù)據(jù)流及相應(yīng)的數(shù)據(jù)幀和命令字格式，然后介紹主程序流程和各個子程序模塊的設(shè)計，最后給出本章的總結(jié)。表2 上位機發(fā)送的命令字格式0字節(jié)1字節(jié)2字節(jié)3字節(jié)命令功能命令字地址低字節(jié)地址高字節(jié)數(shù)據(jù)0偏移量－數(shù)據(jù)將數(shù)據(jù)寫入偏移量指定的r結(jié)構(gòu)體中1偏移量－－讀取偏移量指定的r結(jié)構(gòu)體中的數(shù)據(jù)2地址低字節(jié)地址高字節(jié)數(shù)據(jù)將數(shù)據(jù)寫入地址指定的外設(shè)中3地址低字節(jié)地址高字節(jié)－讀取指定地址外設(shè)中的數(shù)據(jù)40－－讀取通信緩沖區(qū)中的4幀數(shù)據(jù)5－－－重度通信緩沖區(qū)中的4幀數(shù)據(jù)通過以上命令上位機可以讀寫r結(jié)構(gòu)體、讀寫外圍設(shè)備和讀取通信緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)，可以設(shè)置接口的狀態(tài)、參數(shù)，向井下儀器發(fā)送命令和數(shù)據(jù)、控制井下儀器的狀態(tài)，并可控制系統(tǒng)進行自檢等。 //采樣數(shù)據(jù)時的時間 long int Depth。 上位機對下位機的操作上位機對下位機的操作是通過表2中的六條命令來實現(xiàn)的，用這些最基本的命令組合起來可以實現(xiàn)對下位機更復(fù)雜的控制，如設(shè)置深度和解碼門限，設(shè)置深度、速度、張力、電壓、電流、芯片溫度的校正系數(shù)，設(shè)置示波器觀察通道，設(shè)置張力顯示數(shù)碼管的顯示，向陀螺儀發(fā)送命令、數(shù)據(jù)，讀取陀螺儀數(shù)據(jù)，讀取采樣數(shù)據(jù)等。編碼脈沖整形比較器輸入波形如圖27(a)所示，和兩個門限比較后輸出波形如圖27(b)所示。當A相信號超前時表示井下儀器正在下放如圖29(a)所示，當B相信號超前時表示井下儀器正在上升。第四章 陀螺測斜儀測試程序開發(fā)本章內(nèi)容：介紹基于LabVIEW的陀螺測斜儀測試程序開發(fā)，包括LabVIEW簡介，驅(qū)動程序開發(fā)，下位機Register讀寫程序、ADC采樣測試、曼徹斯特編解碼測試、通信誤碼率測試、陀螺采樣通道測試和測井命令測試等?！袂懊姘迩懊姘迨菓?yīng)用程序的界面，是人機交互的窗口，主要有控制量（Controls）和顯示量（Indicators）構(gòu)成。數(shù)據(jù)是單向流動的，從“源數(shù)據(jù)端口”向一個或多個“目標數(shù)據(jù)端口”流動。諾伊曼計算機體系結(jié)構(gòu)的執(zhí)行方式了。USB軟件系統(tǒng)的構(gòu)成層次如圖33所示[2,24]。在配置的過程中，它為檢測到的端點建立通信管道。換言之，與GPIB 設(shè)備進行通訊的程序，無論是在運行Windows 2000的機器上用LabVIEW開發(fā)出來的，還是在運行 Mac OS X的機器上用C語言編寫的，都可以使用同一個API。Interrupt In 端點存放在 VI_ATTR_USB_INTR_IN_PIPE 屬性之中。具體的操作步驟可以參看《NIVISA 用戶手冊》與《NIVISA程序員參考手冊》。 USB操作控件和函數(shù)介紹在LabVIEW中對USB設(shè)備操作的函數(shù)主要有VISA Open (打開VISA設(shè)備)、VISA Write (寫VISA設(shè)備)、VISA Read (讀VISA設(shè)備)、VISA Close (關(guān)閉VISA設(shè)備)等，下面簡單一下它們。圖 37 VISA Write函數(shù)VISA Write 函數(shù)有三個數(shù)據(jù)輸入端口和三個數(shù)據(jù)輸出端口。對于USB RAW設(shè)備，必須利用驅(qū)動程序向?qū)傻腎NF文件將USB設(shè)備和VISA關(guān)聯(lián)起來后，其名字才會出現(xiàn)在VISA資源名稱控件中，具體的操作步驟見上節(jié)。通過以上的配置，NIVISA會為所連接的USB RAW設(shè)備指定一個名字，命名規(guī)則是：USB[主板]::廠商ID::產(chǎn)品ID::序列號[::USB接口編號]::RAW，例如，本設(shè)計中所用的C8051F340的USB接口廠商ID是0X10C4，產(chǎn)品ID是0X0103，則本接口板的名字就是：USB0::0x10C4::0x0103::NIVISA0::RAW。在進行USB通信時，NIVISA提供了兩大類函數(shù)供LabVIEW調(diào)用，USB INSTR函數(shù)與USB RAW函數(shù)，前者用于控制符合USB測試和測量類 （USBTMC）協(xié)議的USB設(shè)備，后者用于控制USB RAW設(shè)備 （除USB INSTR設(shè)備外的其它任何USB設(shè)備）。VISA是虛擬儀器系統(tǒng)I/O接口軟件，它基于自底向上結(jié)構(gòu)模型創(chuàng)造了一個統(tǒng)一形式的I/O函數(shù)控制集。USB主控制器驅(qū)動程序提供了對USB的低級支持，通過把IRP轉(zhuǎn)換成為單獨的事務(wù)處理后在USB上執(zhí)行。連接到USB設(shè)備的每一種類型的功能單元都必須有客戶驅(qū)動程序。LabVIEW的程序是數(shù)據(jù)流驅(qū)動的，數(shù)據(jù)流程序設(shè)計規(guī)定，一個目標只有當它的所有輸入有效時才能被執(zhí)行；而目標端口的輸出只有當它的功能完成時才是有效的。表 5 數(shù)據(jù)類型、線型、顏色對照表類型顏色標量一維數(shù)組二維數(shù)組整形數(shù)藍色浮點數(shù)橙色邏輯量綠色字符串粉色●框圖 框圖實現(xiàn)數(shù)據(jù)流的控制，如Sequence Struct（順序控制）、Case Struct（條件分支控制）、For Loop（For 循環(huán)控制）、While Loop（While循環(huán)控制）等。如果將一個VI程序比作一臺儀器的話，那么，控制量就是儀器的數(shù)據(jù)輸入端口和控制開關(guān)，用于給程序提供輸入數(shù)據(jù)和控制信號，而顯示量則是儀器的顯示窗口，用于顯示經(jīng)過分析、處理后的結(jié)果。和Visual Basic、Visual C++、Delphi、Perl等基于文本型程序代碼的編程語言不同，LabVIEW采用圖形模式的結(jié)構(gòu)框圖構(gòu)建程序代碼，因而，在使用這種語言編程時，基本上不寫程序代碼，取而代之的是用圖標、連線構(gòu)成的流程圖。接口板上深度計數(shù)在單片機內(nèi)集成的兩個比較器上升沿中斷服務(wù)程序里實現(xiàn)，流程如圖30所示。圖 27 解碼脈沖整形比較器信號輸入、輸出示意圖當有外部中斷產(chǎn)生時，給定時器二裝入10uS溢出的計數(shù)初值，關(guān)閉外部中斷后返回，等待定時器2溢出，在定時器2的中斷服務(wù)程序中調(diào)用解碼程序，這樣可以濾除小于10uS的干擾脈沖，使得解碼的準確率大大提高。曼徹斯特碼通訊字的格式如圖25所示，共有20位，其中3個同步位，16個數(shù)據(jù)位，1個奇偶校驗位。 //數(shù)據(jù)}。r結(jié)構(gòu)體中包含很多外設(shè)的狀態(tài)標志，例如：示波器觀察通道，可以通過設(shè)置該字節(jié)選擇自己關(guān)心的敏感信號輸出到示波器；深度門限，通過設(shè)置該字節(jié)改變單片機的深度PWM輸出的占空比，進而調(diào)整深度門限，以便配接不同供電電壓的光電編碼器；解碼門限，通過設(shè)置該字節(jié)改變