一種基于STM32的嵌入式無線射孔控制系統(tǒng)

第一作者簡介：易啟興（1999-），男，碩士研究生。研究方向為嵌入式軟件。

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2024.16.031

摘" 要：目前油井下頁巖氣勘測仍依靠傳統(tǒng)磁性定位儀，絞車電纜連接方式作業(yè)，所采集到的井下CCL信號較不穩(wěn)定，具有識別接箍信號困難的問題。為解決這一難題，設計開發(fā)一套應用于油井頁巖氣勘測的無線射孔系統(tǒng)，該套系統(tǒng)基于ARM Cortex M架構的微處理器STM32H735IGT6，搭建外圍硬件電路實現(xiàn)指定功能，模擬前端板采集井下CCL信號后分別經過兩級放大器，實現(xiàn)信號衰減和平級放大的功能，并將信號輸出至無線射孔控制系統(tǒng)。主時鐘頻率為400 MHz，通用定時器每毫秒驅動16位ADC采樣模擬前端信號，結合“乒乓緩存”、DMA+SPI高速緩存的方式將采樣數(shù)據存儲到外設FLASH芯片，并基于python設計一套上位機串口控制程序，實現(xiàn)對無線射孔系統(tǒng)的控制，包括數(shù)據處理、控制采樣、射孔參數(shù)導入等功能。實際模擬測試結果表明，采樣接箍信號并控制存儲滿足設計要求。

關鍵詞：無線射孔系統(tǒng)；CCL信號；嵌入式；微處理器；FLASH芯片；乒乓緩存

中圖分類號：TE927" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）16-0132-04

Abstract： At present， the shale gas exploration under the oil well still relies on the traditional magnetic locator and the winch cable connection. The CCL signal collected is unstable， and it is difficult to identify the collar signal. In order to solve this problem， a wireless perforating system applied to shale gas exploration in oil Wells is designed and developed. Based on the microprocessor STM32H735IGT6 of ARM Cortex M architecture， the system builds peripheral hardware circuit to realize the specified function. After collecting downhole CCL signals from the analog front board， the system passes through two amplifiers. Realize the function of signal attenuation and amplification， and output the signal to the wireless perforating control system. The master clock frequency is 400 MHz， the universal timer drives 16-bit ADC every millisecsecond to sample analog front-end signals， and stores the sampled data to the peripheral FLASH chip by means of \"Ping pong cache\" and DMA+SPI cache. A set of host computer serial port control program based on python is designed to realize the control of wireless perforating system. Including data processing， control sampling， perforation parameter import and other functions. The simulation results show that sampling collar signal and control storage meet the design requirements.

Keywords： wireless perforating system; CCL signal; Embedded; Microprocessor; FLASH chip; Ping-pong cache

射孔一般是指使用較特殊功能的器材進入井眼預定層位進行爆炸開孔的活動，使勘測井下地層內流體進入預定孔眼，該技術主要應用于常規(guī)石油、頁巖氣、煤田及水源的勘測開采[1]。目前，油井下射孔勘測主要采用如電纜傳輸射孔、油管傳輸射孔的傳統(tǒng)有線射孔技術。但是，有線射孔技術存在著種種問題，為了解決油井頁巖氣勘測中傳統(tǒng)有線射孔作業(yè)的缺陷，通常電纜長度會限制電纜傳輸射孔，從而導致無法對高深度底層的頁巖層進行射孔作業(yè)[2-3]；油管傳輸射孔會受到人工操作、器材安裝等不可避免因素影響而出現(xiàn)超校準范圍起爆時間、非完整性引爆等情況，導致頁巖氣勘測過程中射孔作業(yè)不成功。

隨著科學技術和現(xiàn)代化生產力的飛速發(fā)展，油氣勘測對自動化技術的需求越來越大，主要體現(xiàn)在對系統(tǒng)化、集成化和智能化的追求[4]。本文所研究的嵌入式無線射孔系統(tǒng)不僅可以完成油氣勘測對自動化的要求，極大減小人工操作對油氣井中射孔作業(yè)的不利影響，也能解決電纜長度對射孔深度的限制[5]。本文基于ARM-Cortex M架構設計了一款應用于油氣勘測的射孔控制系統(tǒng)，使用高集成度控制模塊實現(xiàn)傳感器收集、數(shù)據存儲、上位機通信。

1" 嵌入式無線射孔控制系統(tǒng)框架

無線射孔控制系統(tǒng)整體框圖如圖1所示，由CCL傳感器模塊、硬件控制模塊（MCU核心控制模塊、采樣信號處理、片外存儲）、驅動電路模塊三大模塊組成。在油氣勘測工程應用中，CCL傳感器對套筒內管的CCL電感信號進行采樣，經模擬前端板處理后，將信號傳遞至硬件控制模塊。MCU（Microcontroller Unit 微控制器單元）作為本設計系統(tǒng)的嵌入式核心處理器，控制采樣信號處理模塊對輸入數(shù)據進行處理，并將數(shù)據存入片外存儲芯片中。硬件控制模塊將信號輸出至火工品電路模塊，實現(xiàn)對射孔槍的引爆。

圖1" 無線射孔控制系統(tǒng)整體框架圖

2" 無線射孔控制系統(tǒng)硬件電路架構

2.1" 模擬前端電路結構框架

無線射孔控制系統(tǒng)在油氣井勘測應用中，對CCL傳感器模塊采樣的信號進行處理（圖1），其過程如圖2所示。輸入信號從CCL傳感器模塊到模擬前端控制，最后輸出到核心控制模塊。模擬前端控制板對采樣到的CCL信號進行處理，其電路架構如圖3所示。

圖2" 模擬前端控制框架圖

CCL傳感器模塊采集信號后，信號從輸入端進入模擬前端板經過第一級放大器實現(xiàn)信號幅值衰減，后經過第二級放大器進行等比例增益放大輸出至控制模塊。由于實際CCL信號里的接箍信號幅值高達24 V左右，遠遠高于系統(tǒng)采樣信號幅值范圍，故設計第一級放大器實現(xiàn)信號衰減、降幅，使輸入信號符合幅值范圍。第二級運放作用在于對前級輸出信號進行1∶1放大，實現(xiàn)穩(wěn)定信號的作用，并將信號輸出至控制模塊。圖3中，使用了X9C103、X9C104芯片分別對Rp1、Rp2進行控制，從而實現(xiàn)對運算放大器增益的調節(jié)。

圖3" 模擬前端電路架構

2.2" 核心控制模塊硬件電路框架

基于ARM Cortex M架構的STM32H735IGT6嵌入式微處理器芯片搭建外圍控制電路，實現(xiàn)對輸入信號的處理、存儲等。核心控制模塊硬件電路架構如圖4所示，核心控制模塊由微處理器模塊、電源模塊、片外存儲模塊、I/O模塊組成。微處理器模塊是無線射孔控制系統(tǒng)的核心，即控制、輔助系統(tǒng)運行的硬件單元，在無線射孔控制系統(tǒng)中發(fā)揮著不可或缺的關鍵作用，包括信號處理軟件、系統(tǒng)控制軟件；其中信號處理軟件模塊針對采樣數(shù)據進行處理，并傳遞給系統(tǒng)控制軟件模塊；系統(tǒng)控制軟件模塊將采樣數(shù)據存儲在片外閃存，發(fā)送脈沖信號至后端火工品電路模塊。片外存儲模塊內部采用華邦W25Q512JVFIQ存儲芯片，基于SPI總線通信協(xié)議實現(xiàn)與微處理器模塊的數(shù)據交互，系統(tǒng)控制軟件實現(xiàn)采樣數(shù)據寫入/導出存儲芯片的功能（頁寫、塊寫、頁擦除和整片擦除）。I/O模塊包含串口模塊、GPIO、USB模塊，主要實現(xiàn)3個功能：數(shù)據輸入、數(shù)據輸出、控制外部設備，其中串口模塊旨在與上位機建立通信；GPIO包括LED燈、按鍵，在無線射孔控制系統(tǒng)板（以下簡稱“控制板”）上實現(xiàn)按鍵控制系統(tǒng)開始/停止采樣。USB模塊實現(xiàn)控制板與PC端連接實現(xiàn)數(shù)據交互。電池給電源模塊提供電源。整套核心控制模塊處理采樣數(shù)據，并將數(shù)據高速、精確地存入片外芯片，驅動火工品電路實現(xiàn)預定功能。

3" 無線射孔控制系統(tǒng)軟件

3.1" 射孔控制系統(tǒng)軟件框架

無線射孔系統(tǒng)嵌入式軟件架構由軟件驅動程序、人工智能算法信號識別、井下深度定位3個模塊組成，如圖5所示。軟件驅動程序包含數(shù)據存儲、上位機通信、火工品驅動、循環(huán)檢測、采樣存儲控制和慣性測量。數(shù)據存儲用于儲存采樣數(shù)據和日志，實現(xiàn)FLASH芯片程序驅動和循環(huán)緩存；循環(huán)緩存主要作用在于防止采樣數(shù)據在傳輸過程中溢出，從而導致數(shù)據異常丟失；FLASH芯片驅動作用于片外存儲芯片的讀寫控制。本系統(tǒng)上位機通信用于實現(xiàn)上位機與硬件控制板的通信，上位機控制控制板實現(xiàn)預定功能，包括機硬件復位、開始采樣、導出數(shù)據，以及對外設存儲芯片的讀寫擦除控制。火工品驅動電路實現(xiàn)對射孔槍中火工品的引爆。基于人工智能算法，結合卷積神經網絡識別油井下CCL信號中的接箍信號（CCL傳感器經過井下節(jié)箍時產生的特定序列），對比提前下載到FLASH芯片的接箍信號表。井下深度定位模塊基于卷積神經網絡對射孔器材裝置進行深度定位。

圖4" 核心控制模塊硬件架構

圖5" 無線射孔控制系統(tǒng)軟件架構

3.2" 循環(huán)緩存方式

循環(huán)緩存又稱“乒乓緩存”，是一種常用的數(shù)據結構類型，主要有以下幾種作用：緩沖數(shù)據、實現(xiàn)流水線機制、平滑數(shù)據流和緩解系統(tǒng)負載[6]。循環(huán)緩存能有效解決數(shù)據傳輸過程中緩存溢出和數(shù)據丟失的問題。在無線射孔控制系統(tǒng)中，傳感器模塊采集數(shù)據包括但不限于溫度、CCL信號、下降速度等，采集數(shù)據均需要通過內存管理模塊寫入片外存儲芯片。由于實際采樣頻率高、數(shù)據流易過載，本文采用循環(huán)緩存的方式實現(xiàn)軟件算法寫入數(shù)據至片外存儲芯片。主要實現(xiàn)流程如圖6所示，通過軟件控制數(shù)據流寫入和數(shù)據幀格式編譯后，完成結構體成員變量初始化、檢查緩存中步進尺寸是否滿足要求、判斷當前相位是否等待刷新等。

圖6" 循環(huán)緩存實現(xiàn)流程圖

在內存中開辟2個特定容量的緩存塊，如圖7所示。數(shù)據存入某一個緩存塊（簡稱“緩存塊A”）。該塊寫滿后，新的緩存數(shù)據存入另一個緩存塊（簡稱“緩存塊B”），同時使用DMA將緩存塊A中的數(shù)據寫入外存。當緩存塊B存滿時，DMA已將緩存塊A中的數(shù)據搬運完畢，于是新的緩存數(shù)據重新存入緩存塊A，同時使用DMA將緩存塊B中的數(shù)據寫入外存。2個緩存塊交替工作，可以保證數(shù)據隨時可以存入緩存，同時待寫入到外存的數(shù)據不會被意外修改，解決在采樣數(shù)據傳輸過程中緩存溢出和數(shù)據丟失的問題，提高系統(tǒng)執(zhí)行可靠性。

圖7" 循環(huán)緩存功能圖

無線射孔控制系統(tǒng)存儲模塊中以數(shù)據幀格式定義的結構體變量見表1，容量大小為16字節(jié)，記錄有關CCL信號變量、溫度、運動速度和接箍信號開始結束等。本文定義的數(shù)據幀格式結構體接收指定數(shù)據長度，若數(shù)據段長度過小，無法達到最低數(shù)據幀長度16字節(jié)初始化結構體變量就能完美解決該問題。

表1" 無線射孔系統(tǒng)結構體格式

4" 功能測試

本文測試無線射孔控制系統(tǒng)的可行性，總共分為以下幾個部分：自動射孔器材數(shù)據采集上位機軟件（以下簡稱“上位機軟件”）、數(shù)據存儲模塊、接箍信號識別。基于Python編寫的無線射孔上位機控制軟件主要實現(xiàn)相關配置信息導入、程序燒錄、調試測試、數(shù)據導出和數(shù)據可視化處理等功能。本文測試模塊主要對上位機軟件的控制采樣、導出數(shù)據功能進行測試，如圖8所示。

第一步，通過上位機軟件的“開始采樣”控制本系統(tǒng)的傳感器采樣模塊對感生電動勢進行采樣，核心控制模塊處理采樣數(shù)據并通過內存管理載入片外存儲芯片。

第二步，上位機軟件控制本系統(tǒng)的數(shù)據存儲模塊，將數(shù)據導出并打印。

圖8" 上位機軟件控制采樣與存儲模塊

第三步，通過上位機軟件的數(shù)據處理功能實現(xiàn)數(shù)據可視化，對傳感器模塊采樣數(shù)據進行處理如圖9所示，顯示識別到CCL信號中的接箍信號，且特征明顯。在傳感器模塊采樣序列中，接箍信號呈現(xiàn)雙峰特征且電壓幅值擺動較大，呈尖峰狀。

5" 結束語

基于ARM Cortex M結構設計了一款應用于油氣井勘測領域的嵌入式無線射孔控制系統(tǒng)，本文分別從控制系統(tǒng)硬件電路設計、驅動軟件方面進行介紹。經過功能測試，該控制系統(tǒng)功能滿足設計要求，從傳感器模塊采樣CCL信號、采樣數(shù)據高效存儲、上位機軟件控制等整套流程來看具有功能實現(xiàn)穩(wěn)定、可靠性高的特點。綜上，該系統(tǒng)必然會極大地推動油氣井勘測領域的技術發(fā)展，突破傳統(tǒng)有線射孔技術的瓶頸。

參考文獻：

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