基于CAN總線的數控測井站之綜合接口設計

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，測井發展至今已有80多年了，大多數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據，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，進行數據傳遞，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協議，這樣就避免為測量多種數據而重復測井，從而大大提高了工作效率。CAN總線具有傳輸速率快、傳輸穩定、容量大，是國際上應用最廣泛的現場總線之一，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字節的內部存儲器和64kB的外部數據存儲器，同時具有低功耗、在系統編程，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實現阻抗匹配后送入AD977進行模數轉換，轉換結果送至MCU，MCU與AD977的通訊采用SPI協議，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協議。SJA1000主要完成CAN的通訊協議，實現報文的裝配和拆分、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

AD977是一個高速串行輸出的模數轉換器，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

實時數據采集系統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網絡是常見的硬件濾波，采用軟件實現的數字濾波常見的有中值濾波、算數平均濾波、去極值平均濾波、加權平均濾波、滑動平均濾波、低通濾波等。本系統采用的是中值濾波法，連續采樣N次（N為奇數），對這N次結果進行大小排序，取其中間值。其優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，傳輸到計算機進行記錄和分析。

測試采用baseCAN標準幀格式，通過分析計算機的接收到的5幀數據數據，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總線在連續十幾個小時的傳輸中，運行良好，沒有誤碼出現，實驗證明系統的測量精度與穩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，整個系統具有測量精度高、傳輸穩定、容量大的特點，能夠很好地滿足當代數控測井站的實際要求。

[1]周立功等.CAN現場總線原理與應用[M].北京航天航空大學出版社,2007.

[2]李正軍.現場總線及其應用技術[M].北 京:機械工業出版社,2005.

[3]BroADer Field bus Standards Will Improve System Functionality,Linda L.Pierson.CONTROL ENGINEERING,1994(I 1).

[4]How Field bus Can Inf l uence Your Next Project,Terry Blevins,CONTROL ENGINEERING,1996(9).