測(cè)井起源于法國(guó)，1927年法國(guó)人斯侖貝謝兄弟發(fā)明了電測(cè)井，開始在歐洲勘探煤和油氣，兩年后傳到美國(guó)和前蘇聯(lián)。自1927年發(fā)明測(cè)井以來(lái)，測(cè)井儀器發(fā)展經(jīng)歷了模擬時(shí)代、數(shù)字時(shí)代、數(shù)控時(shí)代，到現(xiàn)在已發(fā)展到成像時(shí)代。

    我國(guó)的測(cè)井技術(shù)研究開始于1939年，測(cè)井地面系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了模擬測(cè)井地面系統(tǒng)、數(shù)字測(cè)井地面系統(tǒng)、數(shù)控測(cè)井地面系統(tǒng)，現(xiàn)在已發(fā)展到成像測(cè)井地面系統(tǒng)。我國(guó)的數(shù)控測(cè)井技術(shù)是從上世紀(jì)80年代初引進(jìn)Atlas、Schlumberger、Halliburton等測(cè)井公司的數(shù)控測(cè)井設(shè)備開始的，隨后我國(guó)自行研究的測(cè)井儀器裝備也取得了重大的突破，獲得了迅猛的發(fā)展，相繼生產(chǎn)出一系列填補(bǔ)國(guó)內(nèi)空白的數(shù)控測(cè)井設(shè)備，如HCS數(shù)控測(cè)井系統(tǒng)等。總的來(lái)說(shuō),我國(guó)對(duì)國(guó)際上比較流行的成像測(cè)井技術(shù)的應(yīng)用剛剛起步,正在廣泛運(yùn)用數(shù)控測(cè)井技術(shù)并不斷進(jìn)行改進(jìn)[1]。
1 數(shù)控測(cè)井地面系統(tǒng)的基本概念
    測(cè)井是獲取地層地質(zhì)信息的過(guò)程。它在石油勘探和開發(fā)中，是一門不可缺少的學(xué)科技術(shù)。對(duì)于數(shù)控測(cè)井地面系統(tǒng)，不管它是國(guó)產(chǎn)的還是進(jìn)口的，一般來(lái)說(shuō)，它們的硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)都比較龐大。在硬件系統(tǒng)上，其龐大主要體現(xiàn)在硬件箱體比較多，元器件比較多，焊點(diǎn)比較多，因此，一般來(lái)說(shuō)，這些地面系統(tǒng)維護(hù)成本不低，可靠性不高，出現(xiàn)故障后排除故障不易。在軟件系統(tǒng)上，其龐大主要體現(xiàn)在程序種類多、測(cè)井之前輸入?yún)?shù)多，因此，一般來(lái)說(shuō)，這些軟件使用起來(lái)比較煩瑣，給使用者帶來(lái)不便。在電子技術(shù)、信息技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)高度發(fā)達(dá)的今天，完全可以在不降低功能和性能甚至功能和性能更高的前提下大大簡(jiǎn)化硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)。
2 系統(tǒng)核心的數(shù)據(jù)采集箱
    本文要開發(fā)的數(shù)據(jù)采集箱，作為數(shù)控測(cè)井地面系統(tǒng)的核心部分，包括采集箱硬件電路和采集箱軟件兩部分。采集箱在整個(gè)數(shù)控測(cè)井地面系統(tǒng)中所要完成的功能和任務(wù)如圖1所示。

    圖中A套件和B套件是完全一樣的箱體，其中一套用作備份系統(tǒng)，當(dāng)?shù)孛嫦到y(tǒng)在測(cè)井過(guò)程中出現(xiàn)故障時(shí)，操作員可以通過(guò)軟件操作立即切換到備份系統(tǒng)，減少了許多不必要的麻煩。圖中電源箱用于給井下儀器和地面系統(tǒng)供電；綜控箱完成常規(guī)信號(hào)處理、井下儀器控制和電纜選擇；采集箱主要完成各種信號(hào)的處理與采集，它是地面系統(tǒng)的核心。在采集箱軟件的控制下，從井下上來(lái)的測(cè)井信號(hào)(包括電阻率、放射性測(cè)井的脈沖等)和來(lái)自地面的深度、張力、磁記號(hào)信號(hào)都進(jìn)入相應(yīng)的采集卡進(jìn)行采集，采集的數(shù)據(jù)通過(guò)串口進(jìn)入工控機(jī)。
    隨著電子技術(shù)的高速發(fā)展，可編程邏輯器件的集成度越來(lái)越高，這給數(shù)控測(cè)井微型地面系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來(lái)了極大的靈活性和可靠性,完全可以采用FPGA技術(shù)，使設(shè)計(jì)高度集成，減少采集卡的數(shù)量和面積，實(shí)現(xiàn)數(shù)控測(cè)井微型地面系統(tǒng)進(jìn)一步微型化。同時(shí)，由于Nios的出現(xiàn)和發(fā)展改變了人們使用CPU的傳統(tǒng)觀念，用戶可以在任何有Altera FPGA的單板上使用CPU。有些CPU甚至只是用戶作系統(tǒng)調(diào)試或者測(cè)試時(shí)用到，而將在正式發(fā)布的產(chǎn)品中去掉。畢竟，人們可以用Nios實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)CPU無(wú)法實(shí)現(xiàn)的功能和想法。設(shè)計(jì)傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)時(shí)，CPU和外設(shè)均采用分立器件，在PCB上互連，大量分立器件占用了不少PCB的空間,因此集成度較差。如果采用Nios系統(tǒng)，單板上只需一個(gè)Altera FPGA即可實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)，這樣大大提高了系統(tǒng)的集成度和可靠性。原來(lái)許多要通過(guò)專用集成電路(ASIC)完成的部分，全都用VHDL語(yǔ)言設(shè)計(jì)成NiosII系統(tǒng)功能子模塊，同NiosII軟核一起集成到Cyclone II系列FPGA中，從而提高了整個(gè)系統(tǒng)的性能[2]。
3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)原理
3.1 數(shù)控測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)采集箱的實(shí)現(xiàn)原理
    本系統(tǒng)可作為一個(gè)完整的測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)采集和記錄系統(tǒng),通過(guò)該系統(tǒng)可方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)不同類型的測(cè)井信號(hào)（模擬量、脈沖量和數(shù)字量）進(jìn)行程控?cái)?shù)據(jù)采集、測(cè)井狀態(tài)控制、下井儀器供電的監(jiān)測(cè)和調(diào)整等。根據(jù)實(shí)際要求，采集箱系統(tǒng)需要完成以下幾個(gè)任務(wù)：
    (1) 實(shí)時(shí)地接收并執(zhí)行上位機(jī)的命令(包括硬件和軟件的設(shè)置)。
    (2) 發(fā)送命令，采集測(cè)井信號(hào)(包括深度信號(hào)、張力、模擬信號(hào)如電阻率、脈沖信號(hào)等)。
    (3) A/D不斷地采集模擬信號(hào)，NiosII軟核在中斷發(fā)出后讀取最新的采樣值，經(jīng)過(guò)處理后傳給上位機(jī)。
    (4) 通過(guò)RS232串口，向上位機(jī)傳送測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)。
3.2 NiosII系統(tǒng)資源及使用原理
    NiosII系統(tǒng)各外圍設(shè)備(Peripherals)內(nèi)核都是以IP核的形式提供給用戶的，用戶可以根據(jù)實(shí)際需要把這些IP核集成到NiosII系統(tǒng)中去。一般包括：EPCS控制器、定時(shí)器、SDRAM控制器、CFI控制器、System ID和UART等。
4 系統(tǒng)方案的具體實(shí)現(xiàn)
4.1 系統(tǒng)方案概述
    考慮到NiosII系統(tǒng)的CPU核強(qiáng)大的運(yùn)算處理功能,設(shè)計(jì)采用有豐富的I/O資源DE2開發(fā)板,采用以RS232串口通信的數(shù)控測(cè)井地面系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)包括深度信息處理及速度計(jì)算模塊、A/D測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)采樣模塊、放射性測(cè)井脈沖信號(hào)采集模塊、曼徹斯特編解碼模塊以及上位機(jī)與NiosII軟核數(shù)據(jù)通信部分。總的系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理框圖如圖2所示[3-5]。

    當(dāng)上位機(jī)向下發(fā)出控制命令時(shí)，深度信號(hào)處理模塊根據(jù)所得到的脈沖中斷數(shù)(發(fā)出一次中斷所用的脈沖個(gè)數(shù))按時(shí)發(fā)出中斷，當(dāng)NiosII軟核收到中斷信號(hào)后，將由AD0809采樣得到的模擬信號(hào)張力、電阻率以及由脈沖頻率計(jì)數(shù)器采集的放射性脈沖信號(hào)連同由深度信號(hào)處理模塊得到的深度信息一并發(fā)送給上位機(jī)，通過(guò)上位機(jī)編寫的串口通信程序?qū)⑸鲜鰷y(cè)井信號(hào)經(jīng)過(guò)標(biāo)度變換予以顯示。
4.2 數(shù)據(jù)采集箱子系統(tǒng)
    該數(shù)據(jù)采集箱子系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上主要分硬件和軟件兩部分。其中硬件部分包括： SD卡外設(shè)、串口UART和JTAG_UART、LCD及七段數(shù)碼管顯示、音頻接口、按鍵開關(guān)及DPDT、LED、存儲(chǔ)器Flash及SDRAM等；通過(guò)開發(fā)自己的用戶功能模塊，并與Altera提供的IP資源在SoPC Builder中進(jìn)行有效的整合，通過(guò)Avalon總線與NiosII軟核構(gòu)成一個(gè)完整的系統(tǒng)。軟件部分主要是使用基于Eclipse IDE構(gòu)架的集成軟件開發(fā)環(huán)境NiosII IDE以及上位機(jī)串口通信程序。 NiosII IDE用來(lái)編寫自己的C/C++應(yīng)用程序代碼，完成NiosII 處理器系統(tǒng)的所有軟件開發(fā)任務(wù)。C/C++應(yīng)用程序代碼主要用來(lái)編寫NiosII系統(tǒng)與DE2開發(fā)板外設(shè)間的控制命令以及NiosII核內(nèi)各個(gè)模塊間的信號(hào)流程和控制。該系統(tǒng)的SoPC Builder資源如圖3所示。

4.3 系統(tǒng)部分測(cè)試結(jié)果
    系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果包括深度信號(hào)采集仿真、脈沖信號(hào)采集仿真、深度及速度信息的采集顯示等。在此，以深度處理模塊中深度計(jì)數(shù)部分為例。具體深度計(jì)數(shù)仿真波形如圖4所示。在深度計(jì)數(shù)部分設(shè)計(jì)了一個(gè)32位的可逆計(jì)數(shù)器，在A、B信號(hào)的作用下，計(jì)數(shù)器做加減計(jì)數(shù)。從圖4中可以看出，當(dāng)系統(tǒng)復(fù)位信號(hào)有效時(shí)，深度計(jì)數(shù)的初始值為80000000H。在101 ns前，即A超前B時(shí)，方向信號(hào)為低，說(shuō)明儀器被上提，計(jì)數(shù)器從80000000H做減計(jì)數(shù)，當(dāng)減到EFFFFFE7H時(shí)，深度信號(hào)發(fā)生改變，B超前A,方向信號(hào)為高，儀器被下放，計(jì)數(shù)器從EFFFFFE7H開始做加計(jì)數(shù)。

    目前在我國(guó)各大油田，雖然也擁有成像測(cè)井地面系統(tǒng)，但由于其測(cè)井成本較高，一般只在比較復(fù)雜的探井測(cè)井中才使用，而對(duì)于大量的測(cè)井任務(wù)還是使用數(shù)控測(cè)井地面系統(tǒng)，而且在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)，數(shù)控測(cè)井地面系統(tǒng)仍將是各測(cè)井公司的主力設(shè)備。本文將NiosII軟核成功應(yīng)用于數(shù)控測(cè)井地面系統(tǒng)中，使得地面系統(tǒng)進(jìn)一步微型化，穩(wěn)定性進(jìn)一步提高。
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