【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 圖 9 CCL信號(hào)預(yù)處理電路原理圖從井下儀做CCL信號(hào)采樣端的交流小信號(hào)分析所得的幅頻特性和相頻特性如圖10所示。圖 10 CCL信號(hào)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(shí)際測(cè)井時(shí)只關(guān)心CCL信號(hào)峰值什么時(shí)候到來(lái)，至于峰值是多少，倒并不關(guān)心。因此所設(shè)計(jì)電路完全滿足設(shè)計(jì)要求。陀螺儀電流信號(hào)處理陀螺儀供電流是差分信號(hào)，同時(shí)在次差分信號(hào)疊加有很高的共模電壓，有時(shí)達(dá)到200V以上， 在原數(shù)控測(cè)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(jì)選用了美國(guó)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(jí)別)，這枚特別為針對(duì)高共模電壓(177。250伏)應(yīng)用的AD629，可用來(lái)在高共模電壓下抽取出一個(gè)細(xì)小的差分信號(hào)。與傳統(tǒng)的差分放大器只擁有一個(gè)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(huì)受到損壞。陀螺測(cè)斜儀供電電流經(jīng)采樣電阻將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)后在經(jīng)過(guò)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(hào)處理磁標(biāo)記信號(hào)也是確定井下儀器深度的重要參考信號(hào)，它是一個(gè)低頻信號(hào)，跟電纜速率有關(guān)。，當(dāng)磁化的電纜經(jīng)過(guò)井口的線圈和放大電路后便產(chǎn)生磁標(biāo)記信號(hào)。具體產(chǎn)生過(guò)程如圖12所示。圖 12 磁標(biāo)記信號(hào)產(chǎn)生過(guò)程電纜磁化長(zhǎng)度，陀螺測(cè)斜時(shí)電纜速率，實(shí)際測(cè)井時(shí)磁標(biāo)記信號(hào)的頻率。這和CCL信號(hào)的頻率一致，但是在磁標(biāo)記信號(hào)上疊加有十幾伏的共模電壓，差模信號(hào)的幅度也非常小，只有400mV左右。因此處理時(shí)要先提取微弱的磁標(biāo)記差模信號(hào)，然后再濾除工頻干擾和耦合進(jìn)來(lái)的其它高頻信號(hào)，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(hào)處理電路在單片機(jī)中每隔10mS就對(duì)五路模擬信號(hào)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(hào)和磁標(biāo)記信號(hào)則可以在上位機(jī)上完全恢復(fù)出來(lái)，因?yàn)椴蓸宇l率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于信號(hào)頻率。圖14為上位機(jī)恢復(fù)此標(biāo)記信號(hào)的測(cè)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(hào)圖 深度信號(hào)處理陀螺測(cè)斜系統(tǒng)中深度測(cè)量是必不可少的，因?yàn)橄到y(tǒng)需要根據(jù)深度測(cè)量信息對(duì)其他測(cè)量模塊所采集數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)應(yīng)，本設(shè)計(jì)的深度模塊可以實(shí)現(xiàn)光電碼盤(pán)（馬丁代克）深度系統(tǒng)的測(cè)量。深度系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理深度信號(hào)是由光電碼盤(pán)產(chǎn)生的，光電碼盤(pán)在不透光的背景上開(kāi)出有透明扇形區(qū)組成的編碼圖案，光線透過(guò)碼盤(pán)上各碼道的透明區(qū)，耦合到徑向排列在碼盤(pán)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(pán)的編碼圖案由一系列等間距輻射狀透光窄縫組成，用來(lái)獲取精密光學(xué)投影的光學(xué)窄縫有兩組，它們相互錯(cuò)開(kāi)1/4個(gè)節(jié)距，一個(gè)節(jié)距等于一個(gè)窄縫的寬度和一個(gè)間距之和。這種安排使得布置在這兩個(gè)窄縫后面的光敏元件所產(chǎn)生的兩路光電輸出信號(hào)產(chǎn)生π/2的相位差。把這兩路信號(hào)接入圖15(a)所示的信號(hào)處理電路時(shí)，根據(jù)電路的輸出可以判斷碼盤(pán)的旋轉(zhuǎn)方向。當(dāng)碼盤(pán)按順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電路f端輸出脈沖序列，表示碼盤(pán)正傳；當(dāng)碼盤(pán)反轉(zhuǎn)時(shí)，電路g端輸出脈沖序列。電路各點(diǎn)波形與碼盤(pán)旋轉(zhuǎn)方向的對(duì)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(dòng)一個(gè)可逆計(jì)數(shù)器，當(dāng)碼盤(pán)正傳時(shí)，f端正轉(zhuǎn)脈沖輸出使計(jì)數(shù)器做加法計(jì)數(shù)；當(dāng)碼盤(pán)反轉(zhuǎn)時(shí)，g端使計(jì)數(shù)器做減法計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)器的數(shù)字增量就是碼盤(pán)的相對(duì)轉(zhuǎn)角。圖 15 增量值編碼器的光電輸出波形和信號(hào)處理電路深度系統(tǒng)電路實(shí)現(xiàn)光電碼盤(pán)A相和B相輸出端為開(kāi)漏結(jié)構(gòu)，其輸出的電壓幅度跟光電碼盤(pán)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(hào)接到C8051F340內(nèi)集成的比較器之前要先對(duì)深度信號(hào)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(hào)處理電路結(jié)構(gòu)單片機(jī)的PWM輸出經(jīng)過(guò)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(hào)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(cuò)誤的計(jì)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(dòng)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(gè)整合了數(shù)碼管顯示驅(qū)動(dòng)和鍵盤(pán)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(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)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(shí)還可以進(jìn)行64 鍵的鍵盤(pán)掃描；CH451 通過(guò)可以級(jí)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(mén)狗等監(jiān)控功能。CH451具有硬件實(shí)現(xiàn)的高速4線串行接口，包括4個(gè)信號(hào)線：串行數(shù)據(jù)輸入線DIN、串行數(shù)據(jù)時(shí)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(hào)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(shí)鐘之前，先在DIN上輸出一個(gè)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(shí)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(lèi)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(gè)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(shí)鐘頻率大于10MHz，從而可以實(shí)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(shuō)，LOAD的上升沿是串行數(shù)據(jù)幀的幀完成標(biāo)志，此時(shí)無(wú)論移位寄存器中的12 位數(shù)據(jù)是否有效，CH451都會(huì)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(mén)狗功能和鍵盤(pán)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?，單極性脈沖序列必須經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)幕鶐Ь幋a，以保證傳輸碼型中無(wú)直流分量，有一定的自檢能力和適應(yīng)不同信源的統(tǒng)計(jì)性的能力。在基帶傳輸中，常用的碼型有：傳號(hào)極性交替碼——AMI碼、三階高密度雙極性碼——HDB3碼、4B3T碼、傳號(hào)翻轉(zhuǎn)碼——CMI碼以及雙相碼——Manchester碼等。由于曼徹斯特碼在每個(gè)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(shí)分量，且不受信源統(tǒng)計(jì)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(dòng)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(hào)進(jìn)行放大和電平整合，后者主要是濾除干擾信號(hào)（耦合進(jìn)收碼回路的CCL信號(hào)和工頻干擾信號(hào)），并將波形整形以防便單片機(jī)進(jìn)行解碼。這里重點(diǎn)介紹解碼回路的設(shè)計(jì)。在測(cè)井電纜上除了傳輸曼徹斯特編碼信號(hào)和CCL信號(hào)外，還要給井下儀器供電，工頻干擾和開(kāi)關(guān)電源開(kāi)關(guān)頻率干擾也難免會(huì)耦合進(jìn)來(lái)，同時(shí)幾千米的測(cè)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(hào)產(chǎn)生畸變[17]。因此，在提取曼徹斯特編碼信號(hào)時(shí)除了要濾除干擾信號(hào)外，還要利用比較器對(duì)編碼信號(hào)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(hào)會(huì)更接近輸入波形，但是增加帶寬，干擾信號(hào)和干擾信號(hào)的諧波就會(huì)混進(jìn)來(lái)，影響到正確解碼，因此比須處理好這一對(duì)矛盾。實(shí)際測(cè)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(duì)接收到的編碼信號(hào)的處理包括：信號(hào)衰減（防止超出運(yùn)放線形范圍）、50Hz陷波（濾除工頻干擾）、高通濾波（濾除CCL信號(hào)）低通濾波（濾除大于20kHz開(kāi)關(guān)頻率干擾信號(hào)）、信號(hào)放大（驅(qū)動(dòng)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(guò)渡帶較窄，如果用高通濾波器，會(huì)使濾波器的節(jié)數(shù)很多，會(huì)大大增加電路設(shè)計(jì)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(hào)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(diǎn)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(shí)際測(cè)試時(shí)，通信誤碼率小于105，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。 上位機(jī)通信模塊在陀螺測(cè)斜系統(tǒng)中，上位機(jī)需要完成對(duì)下位機(jī)的控制操作，具體來(lái)說(shuō)就是需要完成對(duì)下位機(jī)的讀寫(xiě)操作，而這些操作則需要通過(guò)上位機(jī)和下位機(jī)之間的通信來(lái)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(gè)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(diǎn)[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(lèi)型。這樣一來(lái)就簡(jiǎn)化了USB外設(shè)的設(shè)計(jì)，同時(shí)也簡(jiǎn)化了用戶在判斷哪個(gè)插頭對(duì)應(yīng)哪個(gè)插槽的任務(wù)，實(shí)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(duì)端口的占用，整個(gè)的USB的系統(tǒng)只有一個(gè)端口和一個(gè)中斷，節(jié)省了系統(tǒng)資源；l USB支持熱插拔(hot plug)，也就是說(shuō)在不關(guān)PC的情況下可以安全的插上和斷開(kāi)USB設(shè)備，動(dòng)態(tài)的加載驅(qū)動(dòng)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U(xiǎn)SB設(shè)備的時(shí)候，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)檢測(cè)該外設(shè)并且通過(guò)自動(dòng)的加載相關(guān)的驅(qū)動(dòng)程序來(lái)對(duì)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(guò)USB電纜供電，也可以通過(guò)電池或者其它的電力設(shè)備來(lái)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(lèi)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(lèi)型；l USB使得多個(gè)外圍設(shè)備可以跟主機(jī)通信。一個(gè)主USB接口通過(guò)集線器可擴(kuò)展連接127個(gè)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?shí)時(shí)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(diǎn)FIFO RAM。共有8個(gè)端點(diǎn)：一個(gè)雙向控制端點(diǎn)（端點(diǎn)0）和三對(duì)輸入/輸出端點(diǎn)（端點(diǎn)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(diǎn)03；端點(diǎn)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(diǎn)3）。片內(nèi)4倍時(shí)鐘乘法器和時(shí)鐘恢復(fù)電路允許使用內(nèi)部高精度振蕩器作為USB時(shí)鐘源，實(shí)現(xiàn)全速和低速通信。外部振蕩器也可以與4倍時(shí)鐘乘法器配合使用來(lái)產(chǎn)生USB時(shí)鐘。CPU時(shí)鐘源與USB時(shí)鐘相互獨(dú)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(jì)用端點(diǎn)端點(diǎn)1作為IN端點(diǎn)，工作在批量方式，用于向上位機(jī)傳輸大量數(shù)據(jù)，端點(diǎn)2作為OUT端點(diǎn)，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(shí)現(xiàn)對(duì)下位機(jī)的實(shí)時(shí)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(hào)引出[2]，從而可以接到示波器上進(jìn)行觀測(cè)，要觀測(cè)信號(hào)切換是經(jīng)過(guò)上位機(jī)程序控制實(shí)現(xiàn)的。監(jiān)控模塊結(jié)構(gòu)如圖21所示，可監(jiān)測(cè)16路敏感信號(hào)。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(jì)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(kāi)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(yùn)行方式。一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，使用維護(hù)簡(jiǎn)便可靠。這樣的系統(tǒng)硬件接口箱體積不超過(guò)250150200() ，重量在4kg 以內(nèi)，一個(gè)人就可以很方便地?cái)y帶和操作。采用C8051F340單片機(jī)后，大大提高了系統(tǒng)板上時(shí)鐘速度，使系統(tǒng)板上最高時(shí)鐘可達(dá)48M，此時(shí)訪問(wèn)片內(nèi)XRAM的速度小于100ns，連續(xù)讀寫(xiě)USB端點(diǎn)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(cè)斜接口設(shè)計(jì)的一個(gè)亮點(diǎn)。 第三章 陀螺測(cè)斜接口固件程序設(shè)計(jì)本章內(nèi)容：主要介紹陀螺測(cè)斜系統(tǒng)固件程序設(shè)計(jì)，首先介紹陀螺測(cè)斜系統(tǒng)各個(gè)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(gè)子程序模塊的設(shè)計(jì)，最后給出本章的總結(jié)。本課題的主要任務(wù)是實(shí)現(xiàn)陀螺測(cè)斜儀接口的專(zhuān)用化和小型化，實(shí)現(xiàn)五路模擬信號(hào)的采集、深度信號(hào)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(jì)時(shí)的關(guān)鍵問(wèn)題，為了和井下儀器兼容，我們采用了以下設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)流向如圖22所示。圖 22 陀螺測(cè)斜儀接口數(shù)據(jù)流向圖陀螺測(cè)斜主要采取“點(diǎn)”測(cè)模式，即