東莞理工學院城市學院計算機與信息科學系 唐志輝 謝 俊

1.引言

地球物理測井或石油測井，是利用巖層的化學特性、導電特性、聲學特性、放射性等地球物理特性測量地球物理參數(shù)的方法，屬于應用地球物理方法之一。測井方法眾多，電、聲、放射性是三種基本方法，測井發(fā)展至今已有80多年了，大多數(shù)廠家推出的測井設備都是一個探頭或者只能和自家的探頭配合使用，每次只能一個探頭下井，如果需要測量多種數(shù)據(jù)，則需要更換探頭重復測井，因此，工作效率低。本文提出了一種基于CAN總線的數(shù)控測井站的綜合接口模塊，測井設備的井上和井下部分通過此綜合接口模塊連接，進行數(shù)據(jù)傳遞，基于CAN總線的綜合接口模塊能使不同 廠家不同功能的探頭組合起來使用，只要各探頭均采用CAN協(xié)議，這樣就避免為測量多種數(shù)據(jù)而重復測井，從而大大提高了工作效率。CAN總線具有傳輸速率快、傳輸穩(wěn)定、容量大，是國際上應用最廣泛的現(xiàn)場總線之一，其性能能夠很好地滿足測井站的實際要求。

2.硬件結構

基于CAN總線的綜合接口模塊由以下部分組成：

（1）單片機；

（2）ADC轉換模塊；

（3）CAN傳輸模塊；

（4）傳感器模塊；本系統(tǒng)最多可同時傳輸8路傳感器信號，其工作原理如下：傳感器采集的信號經過A/D轉換后，經MCU封裝成報文，然后送到CAN模塊，CAN控制器對報文進行過濾識別，識別后的信號通過CAN收發(fā)器送到CAN總線上傳輸，最后送到上位機進行處理、顯示和保存等。

2.1 主控芯片及A/D模塊

主控芯片選擇了性能價格比較高的NXP公司的P89V51RC2單片機，它是一款80C51微控制器，操作頻率為0～40MHz，包含32kB Flash，1024字節(jié)的內部存儲器和64kB的外部數(shù)據(jù)存儲器，同時具有低功耗、在系統(tǒng)編程，多時鐘模式等特點，值得一提的是它的X2方式選項。利用該特性可在相同時鐘頻率下獲得2倍的吞吐量，或者時鐘頻率減半而保持特性不變，這樣可以極大地降低電磁干擾(EMI)。MCU引腳在系統(tǒng)中的分配見表1。

A/D模塊由A/D轉換芯片AD977、8選1模擬開關CD4051、跟隨器OP07組成。8路傳感器采集到的模擬信號通過CD4051選通一個信號，經過OP07實現(xiàn)阻抗匹配后送入AD977進行模數(shù)轉換，轉換結果送至MCU，MCU與AD977的通訊采用SPI協(xié)議，快速16位AD977具有100 kSPS的吞吐速率，其最大功耗只有100毫瓦，并且具有高速SPI串行接口。AD模塊電路原理圖如圖1所示。

2.2 CAN模塊

CAN模塊由CAN控制器SJA1000和CAN收發(fā)器CTM1050組成，SJA1000是一個獨立的CAN控制器，它是Philips公司另一個CAN控制器PCA82C200的替代產品，且增加了一種新的工作模式(Peli CAN)，這種模式支持CAN2.0B協(xié)議。SJA1000主要完成CAN的通訊協(xié)議，實現(xiàn)報文的裝配和拆分、接收信息的過濾和校驗等。CTM1050是一款帶隔離的高速CAN收發(fā)器模塊，具有CAN-bus總線過電壓保護作用，該模塊內部集成了所有必需的CAN隔離及CAN收、發(fā)器件，模塊的主要功能是將CAN控制器的邏輯電平轉換為CAN總線的差分電平，并且具有DC 2500V的隔離功能。SJA1000的TXO與RXO可直接與CTM1050的TXD、RXD相連，可以大大減少CAN-Bus硬件線路的難度。CAN模塊的電路原理圖如圖2所示。

3.軟件設計

3.1 A/D轉換程序的實現(xiàn)

AD977是一個高速串行輸出的模數(shù)轉換器，我們采用的是模擬SPI時序的方法來獲取轉換結果。AD977基本時序如圖3所示，由圖可知當RC信號拉低，AD977開始一次轉換，轉換時BUSY持續(xù)高電平，當轉換結束時BUSY信號將變低電平。參考程序如下：

表1 MCU引腳分配表

圖1 A/D模塊電路原理圖

圖2 CAN模塊的電路原理圖

圖3 AD977基本時序圖

3.2 軟件濾波

實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為了消除傳感器通道中的干擾信號的影響常采用濾波技術，RLC網(wǎng)絡是常見的硬件濾波，采用軟件實現(xiàn)的數(shù)字濾波常見的有中值濾波、算數(shù)平均濾波、去極值平均濾波、加權平均濾波、滑動平均濾波、低通濾波等。本系統(tǒng)采用的是中值濾波法，連續(xù)采樣N次（N為奇數(shù)），對這N次結果進行大小排序，取其中間值。其優(yōu)點是能有效克服因偶然因素引起的波動干擾，對溫度、液位的變化緩慢的被測參數(shù)有良好的濾波效果。

4.測試

在實驗室進行了A/D轉換精確度和CAN總線傳輸穩(wěn)定性測試，測試設備包括：井溫流體探管，2000M電纜，福祿克15B萬用表，臺式PC、綜合接口模塊、紅外線數(shù)字溫度計等。測試方法如下：在室內對一定濃度的鹽水進行加熱至40℃～100℃，使用井溫流體探管對鹽水進行測量，測量結果通過2000M電纜和綜合接口，傳輸?shù)接嬎銠C進行記錄和分析。

測試采用baseCAN標準幀格式，通過分析計算機的接收到的5幀數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)，包含20次AD轉換的結果，得到A/D的實際轉換精度達到0.1mv，CAN總線在連續(xù)十幾個小時的傳輸中，運行良好，沒有誤碼出現(xiàn)，實驗證明系統(tǒng)的測量精度與穩(wěn)定性完全能滿足井溫流體測試的要求。

5.結束語

本文提出了一種基于CAN總線的數(shù)控物探測井站的綜合接口模塊的設計方案，采用16位快速A/D轉換芯片，整個系統(tǒng)具有測量精度高、傳輸穩(wěn)定、容量大的特點，能夠很好地滿足當代數(shù)控測井站的實際要求。

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[2]李正軍.現(xiàn)場總線及其應用技術[M].北 京:機械工業(yè)出版社,2005.

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