[摘 要]：为了了解钻井管柱在井下的真实状况，本文设计了一种用于井下高温、高压环境的随钻井下管柱参数测量系统；解决了井下工作环境恶劣、对元器件要求高、节能等技术难题，并详细介绍了系统组成、主要技术指标、软硬件设计以及TMS320LF2407A数字信号处理器的特点。 1 引言油气井，尤其是复杂结构井在钻井过程中井下管柱的受力与运动状况，一直是钻井科技人员关注的问题之一。由于受到井下工作环境、测试技术、电子元器件技术水平、信号传输、研究成本等多方面因素的影响，井下钻柱的力学行为是石油钻井领域研究的一个难点。20世纪80年代后，随着随钻测量技术（MWD）和随钻测井技术（LWD）的日趋成熟以及电子技术的发展，人们才得以有条件进行井下钻柱受力和运动实测方面的系统研究。本文在国内外钻柱井下受力实测成果的基础上，研究设计了一种基于DSP的井下管柱参数实测系统。该系统可以测量钻柱的轴向力、扭矩、钻压、加速度和环境温度等9个参数，并可根据测得的基本数据对井下管柱的受力和运动状态进行分析，实现了井下钻柱力学及运动参数的实时测量。 2 DSP简介 DSP作为数字信号处理专用芯片，是一种特别适用于进行数字信号处理的微处理器，DSP芯片的内部采用程序和数据分开的哈佛结构，具有专门的硬件乘法器，采用流水线操作，提供特殊的DSP指令，可以快速的实现各种数字信号处理算法。DSP具有集成度高、运算速度快、计算精度高、功耗低、实时性好等特点，弥补了传统单片机计算速度慢、精度低的缺陷。本文采用TI公司的TMS320LF2407A（以下简称2407A）作为系统的主控芯片，供电电压为3.3V，16血的定点低功耗DSP芯片，片内带Flash程序存储器。2407A内部集成了高速的CPU内核和各种外设器件：指令的执行速度可达40MIPS，指令周期仅为25ns，运算速度快；具有544字片内双存取RAM（DARAM），2k单存取RAM（SARAM）和32k的闪速存储器（FLASHRAM）；两个事件管理器模块EVA和EVB；16通道A/D转换器；多种通讯外设接口（SCI，SPI，CAN）等。 2407A的结构便于设计高集成度的数字产品，减小了整个系统的体积，使得电路的设计简单化，提高了系统的可靠性和抗干扰性，适合井下作业。 3 测量系统组成随钻井下管柱参数测量系统主要完成随钻测量过程中数据的采集、存储与传输等任务。在钻井过程中实时测量钻柱的轴向力、扭矩、钻压、弯曲应力、加速度、内、外压力和环境温度等9个参数。硬件结构框图如图1所示。
该系统主要由以下几部分组成：电源（电池）、传感器、信号调理电路、DSP、存储器、通信接口等。主要分为两大部分：井下仪器部分，以DSP作为主；地面部分，完成数据分析及显示。测试系统是由DSP构成的存贮式高速采样系统，系统的主要技术指标：井眼尺寸：118～119mm；最高耐压：60MPa；最高环境温度：125℃；最大允许振动：200m/s2；测量通道：9路；数据存储容量：4Mb；工作时间：20h。根据以上技术指标，要求系统能在高温、高压及大的冲击、振动条件下工作，这给元器件提出了很高的要求，是测量系统的技术难点。由于工作时间很长，要求系统具有较低的功耗和合理的工作方式。随钻井下管柱参数测量系统使用时安装在一个特制的短节内，作为一个接头接在钻柱上，随钻工作。采集的数据在测量过程中不需要用电缆向上传输，在井下进行测量和数据记录存储；待测完后下井仪器从井中取出后，通过通用串行接口（RS-232）及接口电路与地面计算机相连，并进一步分析处理。整个测量系统以DSP为核心，主要完成数据采集、滤波、存取、与地面主机通信等。 3．1 信号调理电路轴向力、钻压、扭矩等9路信号经过传感器转换为电压量，输出的电压比较微弱，所以必须加信号调理电路。本系统选用B-B公司的仪表放大器INA326。它采用独特的拓扑结构，可实现电源正负限输入/输出，具有共模抑制比高、功耗低、精度高等特点，非常适用于单电源、低功耗和精密测量的应用场合。INA326是CMOS输人类型，将传感器输出的微弱信号放大为0～3.3V的标准电压信号。用轨至轨运算放大器OP496GS构成一级具有深度负反馈的电压增益接近1的电压跟随器，主要作用是降低信号调理模块的输出阻抗，减少信号的衰减，以便于DSP对其进行采集与处理。 3．2 采样模块 A/D转换器在测量系统中有着十分重要的地位和作用，在嵌入式系统中用于对外界信号的采集。减少A/D转换可能带来的不稳定性的最好手段就是将A/D集成在电路中，如2407A。 2407A内部自带10位16通道的模数转换模块ADC，具有流水线结构，能达到500ns以内的转换速度。有自动排序的能力，有两个独立的、最多可选择8个模拟转换通道的排序器（SEQ1和SEQ2），可以独立工作在双排序器模式，或者级联成16个通道的排序器模式；可单独访问16个结果缓冲寄存器（RESULT0—RESULT15），用来存储转换结果；多个触发源可以启动A/D转换。本系统采用级联模式工作，9路调理后的信号进入DSP中进行A/D采样，转换后暂存在RESULT0～8中。 3．3 存储器模块 2407A片内具有32k字FLASH程序存储器，可满足DSP系统程序存储要求。2.5k字RAM就不能完全满足数据存储要求了，需要外扩存入大容量的存储器中。另外，由于地下采集到的数据需要在断电的情况下还能保存，以便系统取到地面以后再由PC机从中提取数据进行后续分析处理，所以选择了非易失性的存储器：本系统选用了ATMEL公司研制的串行FLASH芯片AT45DB321C。它具有4M字节的存储容量，2.7～3.6V供电，低功耗，典型的读取电流为10mA，待机电流仅为6μA，可以反复擦除/修改上百万次。它包含1个非易失性的主存储体和2个528b的静态RAM缓冲页，共有8192页，每页528b。
3．4 通信模块通信模块主要完成DSP与PC机的信息交换。2407A有一个片上异步串行接口（SCI）。该串行接口可以外接一个MAX232串行接口芯片，实现DSP和PC机的数据交换。MAX232芯片功耗低，集成度高，＋5V供电；2407A采用＋3.3V供电，所以在MAX232与2407A之间必须加电平转换电路，采用一片SN54LS245就能满足要求。 4 软件设计随钻井下管柱参数测量系统的软件部分包括下位DSP软件设计和上位PC机设计。 4．1 DSP软件设计 DSP测量部分程序主要有DSP系统初始化、数据采集、FFT滤波和存储等几个功能。编程环境使用TI公司的集成开发软件CCS，在具体编写程序时，充分利用DSP的一些特殊指令可以节省很多时间。系统采用C语言和汇编语言混合编程，主程序采用C语言；子程序采用汇编语言，如数据采集、FFT滤波。程序流程如图3所示。
4．2 上位机设计上位机设计主要是人机界面的设计，对采集数据进行显示、分析、曲线绘制、打印等。人机界面采用VB编制，按功能可划分为4部分：用户界面、通信接口、数据处理及曲线绘制。（1）用户界面主要是由系统主菜单和一系列的对话框组成，如标定对话框、参数设置对话框、通信对话框等。通过菜单和对话框，用户可以与计算机进行交互操作。（2）通信接口根据井下仪器与地面计算机之间的通信约定，编制相应的通信程序，实现井下仪器与地面计算机之间交换数据，包括井下仪器的测试、参数设置以及接收采集的数据。数据通讯采用CRC校验，提高通讯可靠性。（3）数据处理包括标定数据处理、现场数据处理和数据保存等功能。标定数据是在对仪器进行标定时所录入的数据，标定数据处理是用户通过对话框，交互地完成标定工作并把处理后的标定数据保存起来；现场数据处理是把井下传感器所采集的电压值，利用标定数据根据一定的算法换算出实际的测量值，并保存下来。（4）曲线绘制在弹出的窗口中根据数据文件的数据绘制出9个参数随时间变化的曲线，可以弹出多个窗口同时观察多条曲线。 5 结束语对：厂随钻井下管柱参数测量系统，由于工作环境恶劣，干扰和不可靠因素很多，应充分考虑系统的抗干扰性。系统采用硬件和软件两种抗干扰措施。硬件抗干扰措施主要是合理安排PCB板的器件布局设计与布线以及加密闭和防水防潮措施等。软件抗干扰措施是利用2407A内部看门狗（WD）定时器和软件陷阱技术，监视软件和硬件的运行，有效的防止程序“跑飞”，确保程序“跑飞”后可自动复位。系统经井下实践，效果良好，数据采样及存贮可靠，该测量系统能较精确地描述钻柱在井下的受力和运动情况。由于采用了DSP作为系统核心，硬件结构得到简化，功耗较低，性能稳定，实时性好，有较高的可靠性和抗干扰能力。 来源：中国仪器仪表
