【文章內(nèi)容簡介】 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。圖 10 CCL信號采樣端的幅頻特性和相頻特性由圖10可知，。相頻特性在通帶內(nèi)變化平緩，在實際測井時只關(guān)心CCL信號峰值什么時候到來，至于峰值是多少，倒并不關(guān)心。因此所設(shè)計電路完全滿足設(shè)計要求。陀螺儀電流信號處理陀螺儀供電流是差分信號，同時在次差分信號疊加有很高的共模電壓，有時達(dá)到200V以上， 在原數(shù)控測井系統(tǒng)中曾經(jīng)發(fā)現(xiàn)隔離放大器被燒毀的現(xiàn)象。此次設(shè)計選用了美國Analog公司的AD629，它是業(yè)內(nèi)最細(xì)小兼高輸入共模電壓差分放大器，具有高共模抑制比特性(最低為77至86dB，視乎性能的級別)，這枚特別為針對高共模電壓(177。250伏)應(yīng)用的AD629，可用來在高共模電壓下抽取出一個細(xì)小的差分信號。與傳統(tǒng)的差分放大器只擁有一個接近電源電壓的操作范圍不同， AD629的輸出可以自由調(diào)校至比電源電壓高或低250伏的水平，這樣就算該器件被應(yīng)用在一些突變電壓達(dá)500伏的應(yīng)用中也不會受到損壞。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(jī)采樣。具體電路如圖11所示。圖 11 陀螺儀供電電流處理電路磁標(biāo)記信號處理磁標(biāo)記信號也是確定井下儀器深度的重要參考信號，它是一個低頻信號，跟電纜速率有關(guān)。，當(dāng)磁化的電纜經(jīng)過井口的線圈和放大電路后便產(chǎn)生磁標(biāo)記信號。具體產(chǎn)生過程如圖12所示。圖 12 磁標(biāo)記信號產(chǎn)生過程電纜磁化長度，陀螺測斜時電纜速率，實際測井時磁標(biāo)記信號的頻率。這和CCL信號的頻率一致，但是在磁標(biāo)記信號上疊加有十幾伏的共模電壓，差模信號的幅度也非常小，只有400mV左右。因此處理時要先提取微弱的磁標(biāo)記差模信號，然后再濾除工頻干擾和耦合進(jìn)來的其它高頻信號，最后進(jìn)行放大和電平調(diào)理，具體電路如圖所示。圖 13 磁標(biāo)記信號處理電路在單片機(jī)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(jī)讀取。、電流，張力進(jìn)行處理并刷新數(shù)碼管。至于CCL信號和磁標(biāo)記信號則可以在上位機(jī)上完全恢復(fù)出來，因為采樣頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于信號頻率。圖14為上位機(jī)恢復(fù)此標(biāo)記信號的測試（，峰峰值為400mV的正弦波）。圖 14 上位機(jī)恢復(fù)磁標(biāo)記信號圖 深度信號處理陀螺測斜系統(tǒng)中深度測量是必不可少的，因為系統(tǒng)需要根據(jù)深度測量信息對其他測量模塊所采集數(shù)據(jù)進(jìn)行對應(yīng)，本設(shè)計的深度模塊可以實現(xiàn)光電碼盤（馬丁代克）深度系統(tǒng)的測量。深度系統(tǒng)設(shè)計原理深度信號是由光電碼盤產(chǎn)生的，光電碼盤在不透光的背景上開出有透明扇形區(qū)組成的編碼圖案，光線透過碼盤上各碼道的透明區(qū)，耦合到徑向排列在碼盤背面相應(yīng)位置上的光敏元件上，使其產(chǎn)生亮電流。放大器將光敏元件輸出的明暗變化的電流變換成合適的邏輯1和邏輯0電壓。增量值碼盤的編碼圖案由一系列等間距輻射狀透光窄縫組成，用來獲取精密光學(xué)投影的光學(xué)窄縫有兩組，它們相互錯開1/4個節(jié)距，一個節(jié)距等于一個窄縫的寬度和一個間距之和。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。把這兩路信號接入圖15(a)所示的信號處理電路時，根據(jù)電路的輸出可以判斷碼盤的旋轉(zhuǎn)方向。當(dāng)碼盤按順時針方向轉(zhuǎn)動時，電路f端輸出脈沖序列，表示碼盤正傳；當(dāng)碼盤反轉(zhuǎn)時，電路g端輸出脈沖序列。電路各點波形與碼盤旋轉(zhuǎn)方向的對應(yīng)關(guān)系如圖12(b)所示所示。用電路f端和g端輸出的脈沖去驅(qū)動一個可逆計數(shù)器，當(dāng)碼盤正傳時，f端正轉(zhuǎn)脈沖輸出使計數(shù)器做加法計數(shù)；當(dāng)碼盤反轉(zhuǎn)時，g端使計數(shù)器做減法計數(shù)，計數(shù)器的數(shù)字增量就是碼盤的相對轉(zhuǎn)角。圖 15 增量值編碼器的光電輸出波形和信號處理電路深度系統(tǒng)電路實現(xiàn)光電碼盤A相和B相輸出端為開漏結(jié)構(gòu)，其輸出的電壓幅度跟光電碼盤供電電壓有關(guān)，一般情況下輸出的方波幅度為12V～24V。因此，在將深度信號接到C8051F340內(nèi)集成的比較器之前要先對深度信號進(jìn)行衰減和濾波，然后再和比較電平進(jìn)行比較。具體的電路結(jié)構(gòu)如圖16所示。圖 16 深度信號處理電路結(jié)構(gòu)單片機(jī)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(jī)內(nèi)部集成比較器的正向滯回電壓和負(fù)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)。 數(shù)據(jù)顯示模塊數(shù)據(jù)顯示模塊主要負(fù)責(zé)顯示儀器深度、速度，儀器供電電壓、電流和電纜張力，主要有LED數(shù)碼管和驅(qū)動芯片CH451組成。具體結(jié)構(gòu)如圖所示。圖 17 數(shù)據(jù)顯示電路結(jié)構(gòu)示意圖CH451 是一個整合了數(shù)碼管顯示驅(qū)動和鍵盤掃描控制以及μP 監(jiān)控的多功能外圍芯片。CH451 內(nèi)置RC振蕩電路，可以動態(tài)驅(qū)動8位數(shù)碼管或者64位LED，具有BCD譯碼、閃爍、移位等功能；同時還可以進(jìn)行64 鍵的鍵盤掃描；CH451 通過可以級聯(lián)的串行接口與單片機(jī)等交換數(shù)據(jù)；并且提供上電復(fù)位和看門狗等監(jiān)控功能。CH451具有硬件實現(xiàn)的高速4線串行接口，包括4個信號線：串行數(shù)據(jù)輸入線DIN、串行數(shù)據(jù)時鐘線DCLK、串行數(shù)據(jù)加載線LOAD、串行數(shù)據(jù)輸出線DOUT。其中，DIN、DCLK、LOAD是帶上拉的輸入信號線，默認(rèn)是高電平。DIN用于提供串行數(shù)據(jù)，高電平表示位數(shù)據(jù)1，低電平表示位數(shù)據(jù)0，串行數(shù)據(jù)輸入的順序是低位在前，高位在后。另外，在CH451上電復(fù)位后，單片機(jī)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。DCLK用于提供串行時鐘，CH451在其上升沿從DIN 輸入數(shù)據(jù)，在其下降沿從DOUT 輸出數(shù)據(jù)。CH451內(nèi)部具有12 位移位寄存器，在DCLK的上升沿，DIN上的位數(shù)據(jù)被移入移位寄存器的最高位寄存器，以此類推，原次低位數(shù)據(jù)移入最低位寄存器，在該上升沿后的第一個下降沿，原次低位數(shù)據(jù)從DOUT輸出。CH451允許DCLK 引腳的串行時鐘頻率大于10MHz，從而可以實現(xiàn)高速串行輸入輸出。LOAD用于加載串行數(shù)據(jù)，CH451在其上升沿加載移位寄存器中的12 位數(shù)據(jù)，作為操作命令分析并處理。也就是說，LOAD的上升沿是串行數(shù)據(jù)幀的幀完成標(biāo)志，此時無論移位寄存器中的12 位數(shù)據(jù)是否有效，CH451都會將其當(dāng)作操作命令。為了節(jié)約單片機(jī)引腳，三片CH451共用了DIN和DCLK引腳。為了降低功耗，禁止了看門狗功能和鍵盤掃描功能。 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(biāo)[16]。為了滿足基帶傳輸?shù)囊螅瑔螛O性脈沖序列必須經(jīng)過適當(dāng)?shù)幕鶐Ь幋a，以保證傳輸碼型中無直流分量，有一定的自檢能力和適應(yīng)不同信源的統(tǒng)計性的能力。在基帶傳輸中，常用的碼型有：傳號極性交替碼——AMI碼、三階高密度雙極性碼——HDB3碼、4B3T碼、傳號翻轉(zhuǎn)碼——CMI碼以及雙相碼——Manchester碼等。由于曼徹斯特碼在每個碼元間隔的中心部分都存在電平跳變，因此在頻譜中存在很強(qiáng)的定時分量，且不受信源統(tǒng)計特性的影響。此外，由于方波周期內(nèi)正、負(fù)電平各占一半，因而不存在直流分量，非常利于基帶傳輸，而且編解碼也非常方便，因此選用曼徹斯特碼作為接口箱和井下儀器通信的碼型。井下儀通信模塊包含發(fā)碼驅(qū)動電路和收碼濾波電路兩部分，前者主要是將單片機(jī)輸出的編碼信號進(jìn)行放大和電平整合，后者主要是濾除干擾信號（耦合進(jìn)收碼回路的CCL信號和工頻干擾信號），并將波形整形以防便單片機(jī)進(jìn)行解碼。這里重點介紹解碼回路的設(shè)計。在測井電纜上除了傳輸曼徹斯特編碼信號和CCL信號外，還要給井下儀器供電，工頻干擾和開關(guān)電源開關(guān)頻率干擾也難免會耦合進(jìn)來，同時幾千米的測井電纜的分布參數(shù)也不容忽視，這些分布參數(shù)將使曼徹斯特信號產(chǎn)生畸變[17]。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(jìn)行整形。要正確解碼，就要使濾波回路帶寬盡可能寬，這樣輸出信號會更接近輸入波形，但是增加帶寬，干擾信號和干擾信號的諧波就會混進(jìn)來，影響到正確解碼，因此比須處理好這一對矛盾。實際測試表明：要正確解碼，濾波器的通帶必須滿足[18]： () () 其中：是曼徹斯特碼的頻率，是濾波器通頻帶的上限截至頻率，是濾波器通頻帶的下限截至頻率。本系統(tǒng)，因此由公式()和()可得：帶通濾波電路的上限截至頻率，下限截至頻率。因此對接收到的編碼信號的處理包括：信號衰減（防止超出運放線形范圍）、50Hz陷波（濾除工頻干擾）、高通濾波（濾除CCL信號）低通濾波（濾除大于20kHz開關(guān)頻率干擾信號）、信號放大（驅(qū)動比較器解碼）、脈沖整形等。由于要濾除50Hz工頻干擾，又要保證在至少86Hz在系統(tǒng)的通帶內(nèi)，過渡帶較窄，如果用高通濾波器，會使濾波器的節(jié)數(shù)很多，會大大增加電路設(shè)計的復(fù)雜度，因此這里采用50Hz陷波器[18]，具體電路如圖18所示。圖 18 解碼回路電路圖從井下儀做比較器輸入端的交流小信號分析所得的幅頻特性和相頻特性如圖19所示。圖 19 收碼回路幅頻特性和相頻特性由圖19可知，，陷波中心點衰減42dB，49Hz衰減27dB， dB，，；相頻特性在50Hz附近發(fā)生畸變，而在通帶內(nèi)變化還比較平緩。因此解碼電路完全符合技術(shù)指標(biāo)，在實際測試時，通信誤碼率小于105，滿足系統(tǒng)設(shè)計要求。 上位機(jī)通信模塊在陀螺測斜系統(tǒng)中，上位機(jī)需要完成對下位機(jī)的控制操作，具體來說就是需要完成對下位機(jī)的讀寫操作，而這些操作則需要通過上位機(jī)和下位機(jī)之間的通信來完成。因此上位機(jī)和下位機(jī)之間的通信質(zhì)量是極其關(guān)鍵的，它關(guān)系到整個系統(tǒng)的成功與否，如果通信不正常，則系統(tǒng)就不能正常工作。我們采用的上下位機(jī)之間的通信模式為USB模式。USB系統(tǒng)具有如下特點[2,20,21]：l USB為所有的USB外設(shè)提供了單一的、易于操作的標(biāo)準(zhǔn)的連接類型。這樣一來就簡化了USB外設(shè)的設(shè)計，同時也簡化了用戶在判斷哪個插頭對應(yīng)哪個插槽的任務(wù)，實現(xiàn)了單一的數(shù)據(jù)通用接口。減少了硬件的復(fù)雜性和對端口的占用，整個的USB的系統(tǒng)只有一個端口和一個中斷，節(jié)省了系統(tǒng)資源；l USB支持熱插拔(hot plug)，也就是說在不關(guān)PC的情況下可以安全的插上和斷開USB設(shè)備，動態(tài)的加載驅(qū)動程序。其他普通的外圍連接標(biāo)準(zhǔn)，如SCSI設(shè)備等必須在關(guān)掉主機(jī)的情況下才能增加或移走外圍設(shè)備；l USB支持PNP。當(dāng)插入USB設(shè)備的時候，計算機(jī)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(jìn)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。USB直接連接到Hub或者是連接到Host的設(shè)備可以通過USB電纜供電，也可以通過電池或者其它的電力設(shè)備來供電，或使用兩種供電方式的組合。并且支持節(jié)約能源的掛機(jī)和喚醒模式；l 。；l 為了適應(yīng)各種不同類型外圍設(shè)備的要求，USB提供了四種不同的數(shù)據(jù)傳送類型；l USB使得多個外圍設(shè)備可以跟主機(jī)通信。一個主USB接口通過集線器可擴(kuò)展連接127個外設(shè)。用USB接口作為上位機(jī)和下位機(jī)交互的接口，極大的方便了系統(tǒng)連接，提高了系統(tǒng)的可靠向和數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性。C8051F340片內(nèi)集成了USB接口，但只支持低速傳輸和中速傳輸兩種速度模式，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖所示。圖 20 C8051F340內(nèi)部USB接口原理圖C8051F340內(nèi)部的USB控制器集成了收發(fā)器和1kB的端點FIFO RAM。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）。有1KB的RAM塊被用作USB FIFO空間，該FIFO空間被分配給端點03；端點13 的FIFO可以被配置為輸入（IN）、輸出（OUT）或輸入/輸出（分割模式）。最大的FIFO大小為512字節(jié)（端點3）。片內(nèi)4倍時鐘乘法器和時鐘恢復(fù)電路允許使用內(nèi)部高精度振蕩器作為USB時鐘源，實現(xiàn)全速和低速通信。外部振蕩器也可以與4倍時鐘乘法器配合使用來產(chǎn)生USB時鐘。CPU時鐘源與USB時鐘相互獨立。，并包含內(nèi)部匹配和上拉電阻。上拉電阻可以被用軟件使能/禁止，可以根據(jù)軟件選擇的速度設(shè)置（全速或低速）出現(xiàn)在D+或D引腳[11]。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(jī)傳輸大量數(shù)據(jù)，端點2作為OUT端點，用于接收主機(jī)發(fā)送的控制命令，工作在中斷方式，這樣可以保證上位機(jī)到下位機(jī)由足夠的帶寬，實現(xiàn)對下位機(jī)的實時控制。 監(jiān)控模塊監(jiān)控模塊的作用是把系統(tǒng)板中比較關(guān)心的中間處理信號引出[2]，從而可以接到示波器上進(jìn)行觀測，要觀測信號切換是經(jīng)過上位機(jī)程序控制實現(xiàn)的。監(jiān)控模塊結(jié)構(gòu)如圖21所示，可監(jiān)測16路敏感信號。圖 21 監(jiān)控模塊結(jié)構(gòu) 本章小結(jié)系統(tǒng)板在保證系統(tǒng)設(shè)計功能的前提下，盡可能的采用以軟件代替硬件的技術(shù)，并且采用了高集成度的芯片，大幅度減少了硬件設(shè)備；使用體積小、重量輕的開關(guān)電源，電路采用模塊化結(jié)構(gòu)、低功耗CMOS 器件及省電運行方式。一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計使硬件結(jié)構(gòu)簡潔，使用維護(hù)簡便可靠。這樣的系統(tǒng)硬件接口箱體積不超過250150200() ，重量在4kg 以內(nèi)，一個人就可以很方便地攜帶和操作。采用C8051F340單片機(jī)后，大大提高了系統(tǒng)板上時鐘速度，使系統(tǒng)板上最高時鐘可達(dá)48M，此時訪問片內(nèi)XRAM的速度小于100ns，連續(xù)讀寫USB端點FIFO的速度1Mbyte/S，充分發(fā)揮了USB接口的性能。USB技術(shù)的應(yīng)用也是本次陀螺測斜接口設(shè)計的一個亮點。 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)。本課題的主要任務(wù)是實現(xiàn)陀螺測斜儀接口的專用化和小型化，實現(xiàn)五路模擬信號的采集、深度信號的處理、數(shù)據(jù)的顯示、陀螺儀通信和上位機(jī)通信等功能，由于功能的繁多，怎樣控制數(shù)據(jù)流向是系統(tǒng)設(shè)計時的關(guān)鍵問題，為了和井下儀器兼容，我們采用了以下設(shè)計，數(shù)據(jù)流向如圖22所示。圖 22 陀螺測斜儀接口數(shù)據(jù)流向圖陀螺測斜主要采取“點”測模式，即