鉆柱振動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

摘要：為了實(shí)時(shí)獲取反映井下工況信息的鉆柱振動(dòng)信號(hào)，文中設(shè)計(jì)了鉆柱振動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)。采用壓電式加速度傳感器實(shí)現(xiàn)三維振動(dòng)信號(hào)的測(cè)量變送，針對(duì)井場(chǎng)復(fù)雜布線情況，選用nRF905射頻模塊進(jìn)行無(wú)線信號(hào)傳輸，利用時(shí)鐘電路和看門(mén)狗電路提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。系統(tǒng)可完成對(duì)三維振動(dòng)信號(hào)的采集存儲(chǔ)，具有穩(wěn)定性強(qiáng)，存儲(chǔ)容量大的特點(diǎn)，為后續(xù)鉆柱振動(dòng)信號(hào)的處理提供了高質(zhì)量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
關(guān)鍵詞：鉆柱振動(dòng)測(cè)量；壓電式加速度傳感器；三維振動(dòng)信號(hào)采集；保護(hù)電路；無(wú)線通信

    在鉆井過(guò)程中，鉆頭與地層的沖擊、鉆頭的偏心鉆進(jìn)、鉆柱與井壁之間的摩擦碰撞，都會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的振動(dòng)。鉆柱振動(dòng)信號(hào)包含了大量的鉆井工況信息，通過(guò)采集這些振動(dòng)數(shù)據(jù)，分析其特征并做出合理的故障診斷，對(duì)于減少鉆井事故、優(yōu)化鉆井參數(shù)、提高鉆進(jìn)速度都具有非常重要的意義。對(duì)鉆柱振動(dòng)信號(hào)的采集方法分為隨鉆測(cè)量方法和地面測(cè)量方法。隨鉆測(cè)量方法是將隨鉆測(cè)量裝置安裝在鉆頭附近，用無(wú)線或有線的方式將振動(dòng)信號(hào)傳輸?shù)降孛?。這種方法采集到的數(shù)據(jù)失真較小，但由于井下條件惡劣(如高溫、高壓和高沖擊等)，對(duì)測(cè)振裝置的壽命及可靠性影響很大，且數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性較差，因此應(yīng)用于振動(dòng)信號(hào)提取的隨鉆測(cè)量技術(shù)目前未能普遍應(yīng)用。地面測(cè)量方法是利用能將井底振動(dòng)的主要信息傳遞到地面的鉆柱作為介質(zhì)，對(duì)其傳遞的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采集，以識(shí)別鉆柱共振、鉆頭磨損、鉆柱與井壁摩擦等工況特征，根據(jù)特征值判斷鉆頭遇卡、溜鉆、頓鉆等故障。與井下振動(dòng)測(cè)量相比，地面測(cè)量的風(fēng)險(xiǎn)較小，數(shù)據(jù)傳輸可靠性高，易于推廣。
    目前，國(guó)內(nèi)正逐漸形成一股研究鉆柱振動(dòng)信號(hào)的熱潮，劉志國(guó)等人已設(shè)計(jì)出一套振動(dòng)信號(hào)的采集與分析系統(tǒng)，但存在著穩(wěn)定性不足、振動(dòng)測(cè)量信息反饋不全面等問(wèn)題。因此，本文設(shè)計(jì)了具有強(qiáng)穩(wěn)定性，大存儲(chǔ)空間的鉆柱振動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)。在微控制器外部添加NAND flash存儲(chǔ)器以擴(kuò)展對(duì)特征信號(hào)的存儲(chǔ)空間，在系統(tǒng)中設(shè)置了外部看門(mén)狗和時(shí)鐘電路對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，配合軟件對(duì)異常情況進(jìn)行及時(shí)備份并恢復(fù)正常工作狀態(tài)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
    鉆柱振動(dòng)信號(hào)測(cè)量系統(tǒng)需要具備對(duì)鉆柱的三維振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)及傳輸?shù)墓δ?。本系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集模塊、存儲(chǔ)模塊、無(wú)線傳輸模塊以及保護(hù)模塊組成。為了更全面地測(cè)量鉆柱振動(dòng)信號(hào)，系統(tǒng)以鉆柱的三維振動(dòng)信號(hào)為被測(cè)對(duì)象，通過(guò)三軸壓電式加速度傳感器將振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路調(diào)整送入C8051F005微控制器處理。由于鉆井平臺(tái)布線困難，系統(tǒng)選用nRF905射頻模塊，將數(shù)據(jù)以無(wú)線的方式傳送到附近的上位機(jī)進(jìn)行處理、存儲(chǔ)和顯示，增強(qiáng)了系統(tǒng)的靈活性。惡劣的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境要求系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性，本系統(tǒng)應(yīng)用了外部看門(mén)狗和時(shí)鐘模塊，使得系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控自身異常，配合軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)自我備份和恢復(fù)。
    鉆柱振動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
    鉆柱振動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)按照功能分為數(shù)據(jù)采集模塊、單片機(jī)微控制器模塊、擴(kuò)展Flash存儲(chǔ)器模塊、無(wú)線通信模塊和保護(hù)模塊。
2．1 數(shù)據(jù)采集模塊
    系統(tǒng)選用三軸型壓電式加速度傳感器作為測(cè)振元件，此傳感器具有靈敏度高，體積小，重量輕，使用壽命長(zhǎng)，動(dòng)態(tài)范圍大，頻率范圍寬，堅(jiān)固耐用，受外界干擾小等特點(diǎn)。
    本系統(tǒng)的壓電式傳感器主要參數(shù)選擇：三軸；量程范圍±10 g；靈敏度500 mv／g；頻率范圍0～2 000 Hz；溫度范圍-40～125℃。
2．2 微控制器
    本系統(tǒng)采用C8051F005作為主控芯片，它是Silicon Lab公司的12位單片機(jī)，具有64管腳TQFP封裝，SPI串行接口，12位8通道的AD，供電電壓為5 V。其中12位的AD滿足對(duì)所采集振動(dòng)信號(hào)的精度要求。若所處環(huán)境要求苛刻，可適當(dāng)提高芯片品級(jí)；若需提高現(xiàn)場(chǎng)芯片的數(shù)字運(yùn)算能力，也可采用DSP替代。
2．3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊
    要完成振動(dòng)信號(hào)的實(shí)時(shí)采集和存儲(chǔ)，要求系統(tǒng)具備足夠的存儲(chǔ)空間并且具有較高的存儲(chǔ)速率，需擴(kuò)展外部高速存儲(chǔ)器。本系統(tǒng)采用三星公司的NAND結(jié)構(gòu)的Flash存儲(chǔ)芯片——K9F1G08UOM。此芯片的各端口與C8051F005的端口連接，通過(guò)C8051F005控制端口的輸入輸出，即可方便實(shí)現(xiàn)對(duì)Flash存儲(chǔ)器的讀取與寫(xiě)入操作。
2．4 無(wú)線通信模塊
    無(wú)線技術(shù)的應(yīng)用省去了現(xiàn)場(chǎng)布線的麻煩，為系統(tǒng)的安裝提供了更多的選擇。由于系統(tǒng)長(zhǎng)期處于戶外作業(yè)，對(duì)信號(hào)保真度的要求較高。此外為了更好地對(duì)鉆井作業(yè)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，對(duì)異常情況及時(shí)作出調(diào)整，需要有較高的信號(hào)傳輸速率。綜合考慮，本系統(tǒng)采用Nordi公司的nRF905射頻收發(fā)模塊實(shí)現(xiàn)無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)，并提供RS-232接口，實(shí)現(xiàn)與PC機(jī)的實(shí)時(shí)直連通信。nRF905由頻率合成器、接收解調(diào)器、功率放大器、晶體振蕩器和調(diào)制器組成，具有低功耗的Shock Burst工作模式，可自動(dòng)完成前導(dǎo)碼的工作，可由片內(nèi)硬件自動(dòng)完成曼徹斯特解碼，使用SPI接口與微控制器通信，配置非常方便。
2. 5 保護(hù)模塊
    由于本系統(tǒng)應(yīng)用于鉆井平臺(tái)，不會(huì)經(jīng)常性地更換或維護(hù)，要求系統(tǒng)有自我檢測(cè)和恢復(fù)的能力。因此，本系統(tǒng)引入了看門(mén)狗電路和時(shí)鐘電路，通過(guò)軟硬件的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自我檢測(cè)、現(xiàn)場(chǎng)自我恢復(fù)等保護(hù)功能。
2．5．1 看門(mén)狗電路
    本系統(tǒng)選用的X5045是一種集看門(mén)狗、電壓監(jiān)控和串行EEPROM 3種功能于一身的可編程芯片。這種組合設(shè)計(jì)減少了電路對(duì)電路板空間的需求。芯片中的看門(mén)狗對(duì)系統(tǒng)提供了保護(hù)功能，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生程序故障時(shí)，自動(dòng)通過(guò)RESET信號(hào)向微控制器發(fā)出復(fù)位請(qǐng)求。
2．5．2 時(shí)鐘電路
    軟件實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘需要編寫(xiě)的程序復(fù)雜，代碼多，且單片機(jī)軟件開(kāi)銷(xiāo)大，時(shí)間信息也不易長(zhǎng)期保存。為避免以上問(wèn)題，本系統(tǒng)采用美國(guó)Dall as公司的DS1305實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片非易失性地保存時(shí)間信息。它有20腳的TSSOP、16腳的DIP兩種封裝方式，工作電壓范圍從2．0～5．5V。DS1305采用BCD碼表示實(shí)時(shí)時(shí)鐘的秒、分、小時(shí)、星期、日、月和年的時(shí)間信息，并且自動(dòng)對(duì)小月和閏年的日期進(jìn)行調(diào)整，兼有帶AM／PM指示12小時(shí)和24小時(shí)兩種時(shí)間指示格式。
    系統(tǒng)硬件功能結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)軟件部分完成單片機(jī)系統(tǒng)初始化、數(shù)據(jù)采集、AD轉(zhuǎn)換、FLASH讀寫(xiě)、與上位機(jī)通信等功能。軟件采用C語(yǔ)言編程以增加可讀性和可移植性。
    通過(guò)壓電式加速度傳感器的轉(zhuǎn)換，將振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)化成電壓信號(hào)。利用C8051F005內(nèi)部自帶的12位AD將模擬電壓量轉(zhuǎn)換成為數(shù)字量保存至微處理器存儲(chǔ)單元。程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)3路通道的電壓信號(hào)循環(huán)采集，將采集到的振動(dòng)特征數(shù)據(jù)寫(xiě)入到外部Flash存儲(chǔ)器中暫存。
    無(wú)線通信部分，在nRF905正常工作前，必須根據(jù)需要寫(xiě)好配置寄存器。發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，先通過(guò)微控制器把nRF905置于待機(jī)模式，通過(guò)SPI總線把發(fā)送地址和待發(fā)送的數(shù)據(jù)都寫(xiě)入相應(yīng)的寄存器中，之后把nRF905置于發(fā)送模式，配置成功后數(shù)據(jù)就會(huì)自動(dòng)發(fā)送出去。若射頻配置寄存器中的自動(dòng)重發(fā)位設(shè)為有效，數(shù)據(jù)包就會(huì)被重復(fù)發(fā)出，直到微控制器退出發(fā)送模式為止。接收數(shù)據(jù)時(shí)，微控制器先在nRF905的待機(jī)狀態(tài)中寫(xiě)好射頻配置寄存器中的接收地址，然后將nRF905置于接收模式，nRF905就會(huì)自動(dòng)接收空中的載波。當(dāng)收到有效數(shù)據(jù)時(shí)，微控制器在檢測(cè)到這個(gè)信號(hào)后，可以將nRF905置為待機(jī)模式，然后通過(guò)SPI總線從接收數(shù)據(jù)寄存器中讀出有效數(shù)據(jù)。
    軟件設(shè)計(jì)中為了增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性，加入了時(shí)鐘和看門(mén)狗程序。
    系統(tǒng)的整體程序流程圖如圖3所示。

4 結(jié)束語(yǔ)
    文中根據(jù)鉆柱三維振動(dòng)測(cè)量的需要，對(duì)鉆柱振動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)進(jìn)行了硬件和軟件的設(shè)計(jì)。
    硬件系統(tǒng)以C8051F005單片機(jī)作為控制核心，利用朗斯LC0111壓電式加速度傳感器采集三維振動(dòng)信號(hào)，通過(guò)三星FLASH存儲(chǔ)器K9F1G08UOM擴(kuò)展存儲(chǔ)容量，利用nRF905射頻模塊進(jìn)行無(wú)線通信完成數(shù)據(jù)傳輸。利用X5045芯片、DS1035時(shí)鐘芯片增加了看門(mén)狗和時(shí)鐘電路，增強(qiáng)了系統(tǒng)本身的獨(dú)立工作能力。整個(gè)系統(tǒng)硬件配置合理，可滿足實(shí)際測(cè)量的需求。
    軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了三維振動(dòng)信號(hào)的數(shù)據(jù)采集，對(duì)Flash存儲(chǔ)器的讀、寫(xiě)操作，通過(guò)nRF905射頻模塊實(shí)現(xiàn)與上位PC的通信以及對(duì)看門(mén)狗和定時(shí)器的設(shè)定。
    該系統(tǒng)可對(duì)包含豐富井下工況信息的鉆柱振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采集、存儲(chǔ)與傳輸，對(duì)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可以提取反映鉆井工況的信息，從而指導(dǎo)鉆井作業(yè)，這將大大提高鉆進(jìn)速度和鉆井安全性，為實(shí)現(xiàn)安全、優(yōu)質(zhì)、高效鉆井提供技術(shù)保障。