基于ARM的聲波測井儀發射聲系測試方法研究

盧俊強,鞠曉東,門百永,吳文河

(中國石油大學油氣資源與探測國家重點實驗室,北京102249)

基于ARM的聲波測井儀發射聲系測試方法研究

盧俊強,鞠曉東,門百永,吳文河

(中國石油大學油氣資源與探測國家重點實驗室,北京102249)

設計了一種用于調試多極子陣列聲波測井儀(MPAL)發射聲系的工裝測試設備。通過分析MPAL發射聲系的結構,提出具體的測試要求。采用主從式結構,主機和前端機通過以太網互聯,前端機基于ARM7技術,處理器中運行uClinux嵌入式操作系統。發射接口電路通過擴展I/O總線與核心板連接,發射控制電路與發射接口電路之間的控制命令通過串行差分驅動的方式傳輸,并進行了光電隔離。軟件設計中網絡通信基于服務器/客戶端的模式,采用套接字編程的方法實現。測試表明,單極高壓激勵脈沖為3 800 V/30μs,偶極激勵脈沖為1 800 V/ 200μs,四極激勵脈沖2 800 V/30μs,滿足MPAL發射聲系測試的要求。

聲波測井儀;發射聲系;調試臺架;嵌入式技術;網絡互聯

0 引 言

國產多極子陣列聲波測井儀(Multi-Pole Array Acoustic Logging Tool,MPAL)在結構和電子線路方面比較復雜,功能模塊較多,包括主測控電子線路、接收聲系、隔聲體、發射聲系和發射電子線路等[1-6]。為了保證在儀器制造、維護和現場使用等各個環節的工作高質量和高效地開展,研發了聲波測井儀調試臺架,對發射聲系和發射電子線路進行調試是該調試臺架的重要功能之一。

1 MPAL發射聲系結構及測試要求分析

MPAL的最底部是發射電子線路短節,發射聲系直接與發射電子線路短節連接,由這2個短節激發聲波信號。發射聲系結構比較復雜,裝配工序多,且裝配周期較長,有必要在裝配前對各種換能器和各個變壓器進行功能測試和驗證,裝配結束后要在工裝車間對整個短節的功能進行測試。

MPAL發射聲系的結構如圖1所示[5-6],主要由各種模式的發射換能器和發射變壓器組成。換能器部分包括1個單極發射換能器、2個同深度相互垂直的偶極發射換能器和1個四極發射換能器。單極發射換能器和2個垂直方向的偶極發射換能器各需要1道激勵信號,四極發射換能器的 X和Y方向同時工作,因此需要2道激勵信號。同時,四極換能器的 X方向既可以與Y方向同相位工作,又可以與Y方向反相位工作,這就需要對 X方向的激勵信號進行相位反轉切換。為了使發射換能器充分激勵產生足夠的能量向地層輻射,需要激勵電壓達到數千伏,激勵源中必須設計升壓脈沖變壓器。單極、偶極及四極發射換能器的工作頻率和發射功率不同,如單極需要大約3 800 V、30μs的高壓激勵脈沖,偶極需要大約1 800 V、200μs的高壓激勵脈沖,四極激勵脈沖大約2 800 V、30μs,這就需要發射測試電路控制靈活,發射參數易于設置和實現[6-8]。對發射聲系測試的具體要求如下。

圖1 MPAL發射聲系結構框圖

(1)能夠代替MPAL發射電子線路短節,且功能與發射電路短節相同。這樣,可以用來對儀器發送的發射控制命令進行診斷,測試發射聲系短節,同時可以用于快速判斷發射聲系與發射電路短節兩者之間的故障所在部位。

(2)能夠以各種工作模式單獨工作,不受儀器其他短節的控制。該工作方式下,由主機發送控制命令,可以對發射聲系的各個換能器進行單獨測試,也可以仿真儀器實際工作時的發射模式對整體發射聲系進行測試。

根據發射聲系的結構、測試要求以及現代電子系統的技術特點設計發射聲系測試臺架,其主要的組成單元包括上位機與下位機交互控制接口單元(ARM主控電路)、下位機與測控單元的接口電路、儀器系統命令接口電路、發射控制電路、命令譯碼邏輯以及供電等。

2 基于ARM的嵌入式系統設計

通過網絡互聯的主從式系統構架是儀器臺架設計的總體思路,采用了基于ARM7TDMI技術的S3C44B0X[9]作為嵌入式硬件核心,ARM(Advanced RISC Machines)處理器中運行uClinux嵌入式操作系統[10-13]。核心板卡通過10 M網絡與主機連接,主機可以實時發送控制命令到前端機,同時,前端機能夠快速上傳數據到主機,相關的人機交互及后續處理任務交由高性能主機完成。各種功能的控制電路通過擴展總線與母板連接。這種架構具備較好的通用性和靈活的擴展功能。

基于主從式架構設計的MPAL發射聲系測試臺架總體構成原理見圖2所示。計算機通過以太網與ARM7主控電路連接,實現上位機與前端機(下位機)的數據傳輸。發射接口電路以積木式結構插接到主控電路,接收主控電路發送的命令,并可以向主控電路傳送數據。發射接口電路以串行差分的方式發送控制命令到發射控制電路,同時為了防止發射控制電路中的高壓(最大可達4 000 V)影響主控系統,兩者之間的連接以光電隔離形式實現。

ARM核心電路板由ARM7處理器、程序存儲器、數據存儲器、文件系統存儲器、以太網接口、UART接口、譯碼器[14]和總線擴展接口等組成。板上集成的2個UART分別用于超級終端和井下儀器供電控制,10Base-T以太網接口實現下位機與PC機的數據交互,系統I/O擴展總線利用ARM7的Bank8空間,數據寬度16 bit,擴展總線具有系統時鐘、中斷、DMA和傳輸同步控制等功能。在電路板制作工藝上,ARM主控電路板采用4層布線,應用表明該板的性能完全達到設計要求,工作十分穩定。

圖2 發射聲系測試臺架整體構架

3 發射接口電路和發射控制電路的硬件設計

發射接口電路原理框圖見圖3。由CPLD實現與ARM核心電路板的接口,通過ARM擴展總線接收控制命令,對接收到的命令進行譯碼,并按照預先定義的串行命令協議依次輸出控制命令,由這些命令設定測試臺架的工作模式以及發射模式選擇、發射脈沖寬度、重復工作周期和發射間隔等參數。當測試臺架的工作方式受控于儀器系統時,所有的工作參數由儀器系統的控制命令總線設置。

發射接口電路輸出的控制信號通過高速光耦與臺架主控系統電氣隔離,可有效減小各個功能電路之間的互相干擾,同時保護臺架主控系統不受換能器激發高壓產生的影響。隔離后的信號以差分的方式輸出,具有較好的抗干擾能力,傳輸可靠,速率高,能夠實現點對點以及點(驅動)對多點(接收)的信號傳輸方式。

發射控制電路原理框圖見圖4,發射控制器由CPLD器件EPM1270[11]實現,完成的功能是命令譯碼、工作模式選擇、發射換能器選擇、發射啟動以及發射脈沖寬度控制等。

圖3 發射接口電路框圖

圖4 發射控制電路框圖

高壓儲能電路由整流濾波電路、大功率充電電阻和儲能電容構成。供電電路輸出的高壓經整流濾波后,通過限流電阻給發射儲能電容充電,產生大約400 V高壓。每種工作模式的周期大約為40～70 ms,在此期間必須先通過充電電阻為儲能電容快速充電,確保在接收到發射命令時儲能電容儲存的能量達到最大值,否則可影響發射功率及激發頻率。驅動電路由電平轉換電路和互補驅動電路構成,為發射激勵控制電路中大功率MOS器件提供大電流的驅動信號,使脈沖激勵器件能夠快速導通和截止。四極 X方向發射激勵方式有2種情況,1種是與四極Y同相位,另1種激勵方式與四極Y反相位,這就需要由大功率繼電器根據工作方式進行切換。

4 軟件設計

軟件設計包括嵌入式前端軟件和主機應用軟件。嵌入式軟件以RTOS為核心,完成在特定用戶環境下的實時多任務調度、數據處理和任務進程間的可靠通訊。嵌入式軟件系統開發包括引導程序設計、專有硬件驅動程序(如IO擴展總線驅動)編寫、RTOS代碼移植、TCP/IP協議棧移植以及頂層用戶應用程序設計等[14]。

設計中采用uClinux操作系統,該系統是針對沒有內存管理單元(MMU)的處理器而設計的,具有Linux的絕大部分特性,具有內核小、效率高、源代碼開放等優點,還內含了完整的 TCP/IP網絡協議棧,uClinux操作系統下網絡應用程序的開發基于流行的BSD Socket(套接字)實現。

調試臺架上位機采用基于X86處理器的高性能筆記本電腦,主機、前端機和外部設備之間組成多節點虛擬對等網絡,通過交換機形成星形連接。上位機軟件系統開發環境采用流行的Visual Studio. Net開發平臺和面向對象的設計思想,由于不需要實際的硬件驅動,所有的代碼均工作在X86的Ring的3個層(非特權層)。基于TCP/IP協議的數據通訊模塊,采用Winsock套接字編程,完成應用系統命令、狀態和測試數據的收發。

Socket接口包括流式 Socket(SOCK_ STREAM)、數據報Socket(SOCK_DGRAM)和原始Socket等3種類型。設計中采用流式Socket,提供可靠的、面向連接的通信流,保證數據傳輸的正確性和有序性。基于服務器(上位機)與客戶端(前端機)的網絡連接的流程見圖5。服務器端先通過API調用WSAStartup()說明網絡套接字的版本,接著創建套接字,設置好本地IP地址和網絡連接端口后,將其綁定到已經創建的套接字,隨后將先前創建的套接字置于監聽狀態,對即將發生的連接進行監聽,最后通過調用accept()析取連接,該過程是阻塞調用,直到客戶端連接或者出錯才能夠返回。客戶端的連接步驟是先初始化1個套接字,設置好服務器的IP地址和連接端口,然后連接服務器。服務器與客戶端的連接成功建立后,就可以使用send()和recv()發送和接收數據。在上位機和前端機編程設計中,使用多線程編程技術,例如,網絡通信在輔助線程中實現,保證應用程序高效、穩定地運行。

圖5 服務器/客戶端網絡連接流程

5 結 論

測試表明,該裝置可滿足MPAL儀器發射聲系測試所需要的激勵脈沖。同時,發射接口電路與發射控制電路之間的連接采用串行差分方式,且進行了光電隔離,傳輸可靠,并可有效避免高壓發射電路工作時對嵌入式主控系統產生影響。該設計中的系統主控板具有很好的通用性,方便擴展,可用于大多數測控場合。這種架構的設計對其它測控系統的研制和開發具有很好的借鑒意義。

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Study on Test Method for Transmitter Mandrel of Acoustic Logging Tool Based on ARM

LU Junqiang,JU Xiaodong,MEN Baiyong,WU Wenhe
(State Key Laboratory of Petroleum Resources and Prospecting,China University of Petroleum,Beijing 102249,China)

A kind of tooling test equipment used in test for transmitter mandrel of multi-pole array acoustic logging tool(MPAL)is introduced.The specific testing requirements are put forward according to analyzing architecture of transmitter mandrel of MPAL.In system design, principal and subordinate structure is used;the host and front-computer are interconnected via Ethernet.The front-computer is based on ARM7 technique,and the ARM7 processor runs uClinux which is a kind of embedded operating system.Firing interface circuits are linked to core board by expanded I/O bus.Control commands transmit by means of serial differential-driven approach between the firing interface circuits and firing control circuits,and the two parts are isolated each other by photocouplers.Net communications based on server/client mode are implemented by socket program.Tests indicate that monopole firing pulse is 3 800 V/30μs,dipole firing pulse is 1 800 V/200μs,and quadrupole firing pulse is 2 800 V/30μs.All of these are fully satisfied with test demands for transmitter mandrel of MPAL.

acoustic logging tool,transmitter mandrel,test-bench,embedded technique;network connection

P631.81

A

2009-12-15 本文編輯 李總南)

1004-1338(2010)04-0389-04

國家自然科學基金重點項目(10534040);國家自然科學基金(40574049,40874097);高等學校博士學科點專項科研基金(20070425028);油氣資源與探測國家重點實驗室開放基金(PRPDX2008-08)資助

盧俊強,男,1978年生,講師,博士,研究方向為石油測井方法和裝備。