7基于CAN总线通信技术的随钻测井系统.docxVIP

 PAGE \* MERGEFORMAT 5 基于CAN总线通信技术的随钻测井系统 摘要：随钻测井技术在新型油、气钻井工程中的应用具有广泛的推广价值。使用CAN总线构建随钻测井系统，对于助推我国随钻测井技术，油、气钻井产业的发展与进步，具有广阔的市场需求和应用前景。选用AT90CAN32 单片机为核心控制器，设计了一个多路数据采集处理系统。通过某些芯片自身集成的温度传感器对井内温度进行采集，经由三轴加速度传感器和三轴磁阻传感器对近钻头位置及状态进行重力和磁场上的确定，利用闪烁计数器对γ射线强度进行计数，采取感应测井对井内电导率进行记录。基于随钻测井原理，设计随钻测井的系统方案及其CAN总线通信方案，实现近钻头的数据采集和远距离的实时通信[1]，旨在提高系统的数据传输速率、可靠性和降低生产制造成本等。最后将测得的各种参数进行报文封装，并通过CAN总线发送到地面上位机，再由地面上位机根据各个参数以及钻井深度等予以综合判断，正确指导钻进。 关键词：随钻测井；CAN总线；钻井通信；单片机 0 引言 随着国民经济的飞速发展，石油、天然气等矿产资源在工业和生活中的作用也日益突出，国民经济对油气资源的依赖性也日益增加，钻井测井工程显得尤为重要。随着勘探对象的复杂化，如大斜度井、超深井的发掘，油、气资源开发的难度也日益增大，电缆测井难度加大或风险变高以致于不能顺利进行钻井时，显然，随钻测井技术是唯一的选择[2]。本文选用军用级单片机AT90CAN32-15AZ作为系统的主控芯片，满足井下高温高压环境需求，同时其内置CAN控制器，简化了线路连接。将CAN总线通信技术引入随钻测井系统，顺利解决了井下测量模块与地面CAN节点之间的远程通信问题；加之，双绞线价格便宜和芯片合理选型，也大大降低了系统成本[3]。 1 系统结构设计 基于CAN总线通信技术的随钻测井系统结构如图1所示，系统主要由两大部分组合而成：井下测量模块和地面CAN节点模块。将这些测量数据通过CAN总线传送至地面上的CAN节点模块，地面上的上位机将采收到的数据进行分析、存储和处理等远程操作，并最终制定出合理的调度方案，以指导钻头在有利的地层进行钻进，在安全有效钻井的前提下实现近钻头测井。 2 测井节点硬件设计 测井节点也即井下测量模块，其主要功能是实现井下近钻头处方位角、工具面角、井斜角、温度、电导率和伽马射线强度的测量，以及对这些数据进行编码，使其数据帧的形式通过CAN总线发送至地面CAN节点。测井节点以单片机AT90CAN32-15AZ作为主控制器，因系统需要井下节点与地面节点进行远距离的CAN总线通信，使用其内置CAN控制器可以很方便地进行CAN总线通信，简化了CAN通信硬件电路的搭建和通信程序编写；测井硬件节点结构如图2所示。 图1 随钻测井系统结构图 图2 测井硬件节点结构 主控制器模块以Atmel公司的AVR单片机AT90CAN32-15AZ微处理器为核心，是一款性能高、能耗低的8位单片机；拥有强大的精简指令集结构（RISC）：100多条单字节指令，8个32位的通用工作寄存器和8个外部中断；可编程看门狗，双通道16位同步时钟，8通道10位ADC，丰富的I/O接口，通过这些I/O口与CAN接口电路，传感器模块以及光耦隔离等外围模块相连。 CAN接口模块主要采用波特率可调的增强型差动收发芯片PCA82C251作为CAN总线收发器。它对总线具有差动发送能力，对CAN控制器具有差动接收能力。采用单片机AT90CAN32内部集成的CAN控制器来实现CAN协议中数据链路层功能。内置CAN控制器的TXCAN和RXCAN脚不直接与收发器PCA82C251相连接，他通过使用一对光耦隔离器来实现信号的隔离传送，必须同时隔实现CAN数据信号的隔离和收发器使用的电源、地与系统之间的隔离。该模块的采用5V大小的双电源供电，低频工作。 传感器模块主要由三轴加速度传感器、三轴磁阻传感器和温度传感器组成，三轴磁阻传感器主要是选用霍尼韦尔公司的集成单路芯片HMC1043，其输出信号通过低噪声、低功耗、增益可调的集成单电源仪表放大器AD623进行放大输出。实时对该数据进行采集能确定X、Y和Z轴上的场强变化。它能测量-6G至+6G范围内的磁场强度，分辨率为120μG。三轴加速度传感器选用三轴微型芯片ADXL345[4]来实现三维地理坐标系中三轴方向上的重力加速度的测量，进而解算出方位角和工具面角的大小；结合三轴磁阻传感器的使用，可以得出方位角的大小。温度传感器选择集成于HMC1043内部温度传感器，既满足系统功能需求，又节约了成本，简化了电路搭建。 岩层参数测量模块主要包括感应测井设计和伽马射线强度测量电路两大部分。感应测井电路主要由DDS信号发生电路和幅相检测电路组成。采用AD9851获