盧俊強鞠曉東

(1.中國石油大學(北京)油氣資源與探測國家重點實驗室, 北京 102249；2.北京市地球探測與信息技術重點實驗室, 北京 102249)

0 引言

隨鉆測井(logging while drilling, LWD)是自20世紀90年代以來迅速崛起的先進測井技術，隨鉆聲波測井技術也是20世紀90年代中后期推出發(fā)展，因其兼?zhèn)錅蚀_評價地層、進行地層對比和儲層描述等特點，現(xiàn)逐步應用于測井現(xiàn)場服務。隨鉆聲波測井儀與其它隨鉆測井儀相比電子系統(tǒng)更為復雜，功耗更大，故常采用多路供電工作方式。鋰電池因其能量密度高、放電電壓穩(wěn)定等特點而被廣泛在隨鉆聲波測井儀的供電電源部分，目前國內隨鉆測井儀采用高溫鋰電池供電，一般將多組鋰電池串聯(lián)成電池組，但使用鋰電池的不足之處就是續(xù)航時間短，因此隨鉆聲波測井儀不具備其他電纜聲波測井儀長時間連續(xù)工作的特點。為保證隨鉆聲波測井儀在鋰電池供電條件下長時間間歇式工作，需在電源管理部分進行高效設計[1-3]。本文通過PIC單片機作為主控制器來對四通道開關的閉合進行控制，以達到分段管理、持續(xù)工作時間更長、根據(jù)測量需要有效的開啟與關斷的目的。

1 電源管理模塊控制電路設計

本文設計的電源管理模塊主要以PIC單片機為核心，外圍電路主要分為：供電電源部分、CAN通訊部分、UART通訊部分、RTC實時時鐘部分、開關陣列部分。電源管理模塊主要負責將電源如何有效的分配給系統(tǒng)中的不同部件，降低各組件間閑置時的功耗，延長電池壽命[4-7]。電源管理模塊設計框圖如圖1所示。

圖1 電源管理模塊設計結構框圖

1.1 主控制器部分

PIC單片機主要負責控制開關陣列，通過CAN總線和UART與上位機進行通訊來下發(fā)工作參數(shù)和自檢，讀取時鐘信息并返還到上位機進行井深與數(shù)據(jù)對比，本文設計選用的電源管理模塊的主控制器為美國Microchip公司推出的PIC18F46K80單片機，這是一款采用nano Watt XLP技術、自帶ECAN模塊、低功耗、44引腳的工業(yè)級增強型閃存單片機，其工作電壓范圍1.8～5.5 V，工作頻率最高可達64 MHz，具有片上3.3 V穩(wěn)壓器、64 KB的片上閃存Flash程序存儲器、1024字節(jié)的EEPROM數(shù)據(jù)存儲器和3.6 KB的片內通用SRAM寄存器，體積小并且價格低廉，內部資源豐富，廣泛應用于工業(yè)控制領域。單片機采用外部晶振，DCDC選用靜態(tài)工作電流138 uA的TPS54260，通過DCDC將輸入電壓24 V轉變?yōu)檩敵鲭妷?.3 V供給單片機。

1.2 RTC實時時鐘電路

目前LWD主要采用泥漿脈沖上傳數(shù)據(jù)，傳輸效率較低，因此在現(xiàn)場測井中只有少數(shù)處理數(shù)據(jù)實時上傳至地面，大部分原始數(shù)據(jù)還保留在儀器主控存儲板中，由于LWD儀器無測量井深的能力，這就需要通過時間對照將井深與原始數(shù)據(jù)完全對應[8]。通過設計實時鐘電路利用PIC單片機對時鐘芯片的編程開發(fā)，為井下數(shù)據(jù)提供時間信息并與地面系統(tǒng)測量井深時間進行對比，完成井下存儲數(shù)據(jù)與井深的映射，實現(xiàn)井下隨鉆儀器精準定位。

時鐘電路采用的是PCA8565芯片，它是一款低功耗的CMOS實時時鐘芯片，并且還可以提供年、月、天、工作日、小時、分和秒等信息，具有閏年自動補償功能，其正常工作電壓在1.8～5.5 V，溫度最高可達到125°，采用雙線IIC接口與PIC進行通訊，最大傳輸速度可達400 kbit/s，讀/寫地址分別為A3H/A2H。PCA8565可外接32.768 Hz晶振，具有內部電源復位以及定時功能，在進行讀或寫操作之后，其內部地址寄存器具有自動增加功能。芯片引腳SDA、SCL分別與PIC單片機的IIC接口數(shù)據(jù)線和時鐘線相接，此外芯片的SDA和SCL分別上拉2.2 k電阻，使得在總線空閑時，SDA和SCL均保持高電平。

1.3 ECAN總線驅動電路

井下儀器工作參數(shù)是上位機通過CAN總線下發(fā)到PIC，主控板掉電后保存參數(shù)通過CAN總線上發(fā)到主控PC，數(shù)據(jù)接口板中存儲的數(shù)據(jù)通過CAN總線傳輸，儀器預訂參數(shù)、時間信息、掉電提醒和定時功能也都是通過CAN總線進行通訊[9-10]。本文設計ECAN總線驅動電路采用的是MAX公司生產(chǎn)的低電源MAX3050芯片，其在高速模式下數(shù)據(jù)最大傳輸速率可達2 Mbps。當總線或CAN驅動器超過4 ms不工作時，該芯片還具有自動關閉功能。芯片的1、4引腳作為CAN總線發(fā)送與接收分別與PIC單片機的CANTX、CANRX相連。由于本文設計不需要此芯片的自動關閉功能，故該芯片第5引腳置0或接地。芯片的CANH和CANL之間需串聯(lián)一個終端電阻進行阻抗匹配，用以消除在通訊過程中的信號反射。

1.4 開關電路

開關電路采用反相驅動器與MOS管組合成控制開關，驅動器的輸入端通過上拉電阻以保證不工作情況下輸入端始終保持高電平使開關處于閉合狀態(tài)，驅動器輸出端通過三極管與穩(wěn)壓二極管連接PMOS管，穩(wěn)壓二極管選用穩(wěn)定電壓為10 V，通過外部供電電壓與穩(wěn)定電壓壓差來控制MOS管的通斷，在PMOS輸出端并聯(lián)濾波電容來保證輸出電壓的穩(wěn)定性。

2 軟件設計

電源管理系統(tǒng)的設計共包括上位機和下位機兩部分，其中通過上位機軟件的操作，經(jīng)CAN模塊與下位機軟件通訊，可將工作參數(shù)命令等信息下發(fā)到下位機以實現(xiàn)各種不同控制。在上位機軟件中設置儀器的工作參數(shù)，比如在隨鉆預置模式下設置CAN參數(shù)，用于下井前在地面通過CAN對儀器主要參數(shù)進行預設置。

下位機軟件主要利用MPLAB開發(fā)環(huán)境通過C語言編寫而成，遵循模塊化設計原則，其中包括主程序和各類子程序。主程序有系統(tǒng)初始化及配置位設置，讀取EEPROM中系統(tǒng)配置參數(shù)，通過判斷收到的下發(fā)命令來進行不同的處理工作。主要子程序有實時時鐘芯片讀/寫子程序，EUSART通訊子程序，ECAN發(fā)送/接收子程序，定時器中斷子程序，EEPROM讀寫子程序。此外程序設計了空閑模式和休眠模式，充分利用PIC18F系列單片機的空閑模式典型電流值為880 nA，休眠模式典型電流值為13 nA的特點，在進入定時中斷子程序時，CPU停止工作，僅外設工作，以及在完成電源管理控制任務后不切斷總電源的情況下，實現(xiàn)休眠模式中掉電檢測標志位清零，掉電電流低于5 uA的掉電狀態(tài)而無需手動斷電。電源控制程序包括主程序和子程序，總體實現(xiàn)電源管理程序結構如圖2所示。

圖2 電源管理程序結構框圖

圖3 系統(tǒng)總體設計結構框圖

3 電源管理板在隨鉆儀器中的應用

整個系統(tǒng)的結構框如圖3所示，本文設計的電源管理模塊是為了實現(xiàn)對主控板的工作參數(shù)保存與下發(fā)，采集電路板的采集功能以及前置放大板和發(fā)射電路板的功能控制。PIC單片機及其外圍電路作為整個系統(tǒng)的控制單元，上電初始化完畢后，主控板先向電源管理板請求采集序列號，之后等待接收工作參數(shù)下發(fā)命令。而電源管理板一上電先提供采集序列號，然后進入循環(huán)，主動轉發(fā)工作命令。而電源管理板是通過CAN總線接收上位機軟件命令，其中包括工作參數(shù)下發(fā)命令，時間信息，采集序列號和掉電提醒等擴展信息，不同命令內容采用不同功能字節(jié)進行識別。當電源管理板接收到不同命令時，通過SCI接口發(fā)送給主控板，主控板同樣也通過SCI接口返回應答。其中時間信息是采集循環(huán)時主控板向電源管理板隨時請求的，由PIC單片機通過IIC接口讀取時鐘芯片，將讀回的時間信息通過SCI接口發(fā)給主控板，在上位機軟件中可設置定時時間，實時控制電源的開啟與關閉，利用定時時間來確定隨鉆測井儀器的工作時間，也可以設置固定的通斷時間。采集序列號的發(fā)送是雙向的過程，上電時由電源管理板發(fā)給主控板，掉電時由主控板發(fā)給電源管理板，同樣，定時發(fā)送/應答和錯誤重發(fā)，直到正確為止。電源管理板可隨時下發(fā)斷電命令，主控板收到斷電命令后先進行工作參數(shù)與測井數(shù)據(jù)的保存，然后通過給電源管理板返回應答實現(xiàn)斷電。

電源管理中控制開關的通斷主要是對PIC單片機引腳賦高低電平，如本設計中，當上位機軟件設置開啟電源開關，該命令通過CAN總線下發(fā)到單片機中，單片機會通過SCI接口將該命令傳給主控板，同時主控板也會回傳給單片機應答(如果收到正確應答，則進行下一步工作，否則繼續(xù)等待接收應答)，此時PIC單片機中的RA5、RB4、RE0、RE1引腳會相應賦給低電平來開啟電源開關，關閉電源開關同上。當上位機軟件設置定時閉合開關，控制閉合時間是通過PIC單片機向PCA8565芯片中定時地址中寫入相應定時時間，等到達設定的定時時間則會引發(fā)單片機外部中斷，在中斷中通過標志位來判定對應的定時時間以及對開關的閉合，其中掉電提醒功能也是通過定時發(fā)送命令直到收到正確響應實現(xiàn)，當?shù)竭_定時時間或手動斷電時，PIC單片機與主控板發(fā)生握手，直到主控板完成保存數(shù)據(jù)和下發(fā)參數(shù)時返回給PIC應答才執(zhí)行掉電命令。上位機軟件還可隨時下發(fā)斷電命令以防止突發(fā)情況。

4 實驗測試及驗證

測試電路主要由邏輯電路、驅動器、PMOS管、穩(wěn)壓二極管、分壓電阻以及濾波電容構成，穩(wěn)壓二極管的穩(wěn)定電壓為10 V，PMOS管的門檻電壓最小為4 V，柵源電壓最大為10 V，因此本次測試分別選用14 V和16 V作為供電電壓。在邏輯電路的輸入端由PIC控制，在輸出端連接至負載，通過調節(jié)負載大小，觀察在不同電壓下開關的通斷時間和比較輸出電壓。

圖4為實際電路中14 V和16 V供電電壓下，負載電流為100 mA時輸出信號對比圖。圖5為空載情況下14 V和16 V供電電壓下，負載電流為100 mA時輸出信號對比圖。圖6為空載情況下14 V和16 V供電電壓下開關閉合時間對比圖。分析可得供電電壓為14 V、負載電流為100 mA時的輸出電壓為13 V，而供電電壓為16V時輸出電壓得到穩(wěn)定的16 V，且14 V的供電電壓濾波效果明顯比16 V的供電電壓效果差。

圖4 實際電路中14 V和16 V供電下輸出線號對比圖

圖5 空載情況下14 V和16 V供電下輸出線號對比圖

圖6 空載情況下14 V和16 V供電下開關閉合曲線對比圖

當供電電壓與穩(wěn)壓二極管穩(wěn)定電壓之間壓差剛好達到最低門檻電壓時，即供電電壓為14 V，調節(jié)負載電流，分別觀察在有無濾波電容時開關的通斷時間。

圖7是14 V供電電壓下空載情況和實際電路中開關的開啟與閉合時間對比，在負載電流從0變化到1 A時，發(fā)現(xiàn)無濾波電容比有濾波電容開關通斷時間要短，且當電流在0.1 A時出現(xiàn)峰值。

圖7 14 V供電電壓下空載情況和實際電路中開關的開啟與閉合時間對比圖

隨著負載電流的增大，開關開啟時間迅速上升，且在負載電流為0.1 A時，開關開啟時間達到最大，隨后迅速下降并逐漸趨于穩(wěn)定。開關閉合時間隨著負載電流的增大先迅速下降，在負載電流為0.1 A之后下降呈緩慢趨勢且逐漸趨于穩(wěn)定。開關通段時間均為微秒級。

通過實驗測試觀察在空載情況和實際電路中輸出電壓對比中發(fā)現(xiàn)，隨著負載電流的增大，輸出電壓均逐漸減小，在負載電流最小時輸出電壓達到最大且小于供電電壓14 V，說明在供電電壓為14 V的情況下，MOS管沒有完全導通。綜上所述，當剛剛到達PMOS管的門檻電壓時，輸出電壓與開關通斷時間均不穩(wěn)定且不能滿足實際需求，故不能應用于實際電路中。

當供電電壓與穩(wěn)壓二極管穩(wěn)定電壓之間壓差大于最低門檻電壓且小于柵源電壓，即供電電壓為16 V時，調節(jié)負載電流，分別觀察在有無濾波電容時開關的通斷時間。

圖8是16 V供電電壓下空載情況和實際電路中開關的開啟與閉合時間對比，在負載電流從0變化到1 A時，無濾波電容均比有濾波電容的開關通斷時間短，空載情況下開關開啟時間約為5 us，開關閉合時間最大為32 us，實際電路中開關開啟時間穩(wěn)定為100 us，開關閉合時間最大為400 us，且輸出電壓穩(wěn)定在16 V，MOS管完全導通。在實際電路中開關的通斷時間均為微秒級，電源管理板供電電壓為20 V，計算所得功耗為0.116 W，可以運用到實際電路中。

圖8 16V供電電壓下開關通斷時間對比圖

5 結論

電源管理模塊采用PIC單片機實現(xiàn)對隨鉆聲波測井儀中系統(tǒng)主電路的控制，實驗測試結果表明，所設計的電源控制電路功耗低，抗干擾能力大幅度提高，開關通斷時間滿足實際電路需求，通過單片機與主控板之間握手應答可以避免掉電丟失數(shù)據(jù)和工作參數(shù)的風險，采用間接式工作方式能夠延長電池使用壽命、提高電池的工作效率，能夠滿足隨鉆聲波測井儀的工作要求。