基于NI數(shù)采模塊測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

介紹：

　　測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)是用于對(duì)各種置于地層中的井下儀器產(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)行采集、處理并對(duì)井下儀器進(jìn)行控制的油田基礎(chǔ)測(cè)控設(shè)備。由于專業(yè)性極強(qiáng)，以往系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集及控制單元通常是以自我設(shè)計(jì)為主，因此導(dǎo)致系統(tǒng)的開發(fā)周期長(zhǎng)、成本高、穩(wěn)定性較差。現(xiàn)在，我們硬件使用National Instruments 公司的數(shù)據(jù)采集卡，軟件使用VC++結(jié)合 Measurement Studio 軟件包，實(shí)現(xiàn)了測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)采集和控制單元的基于標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與開發(fā)，大幅度的降低了系統(tǒng)的開發(fā)和維護(hù)成本，縮短了系統(tǒng)的開發(fā)周期，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。目前這套系統(tǒng)已制造20余套，成功應(yīng)用于全國(guó)各大油田，取得了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

　　系統(tǒng)原理

　　測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)主要由工控機(jī)、NI通用數(shù)據(jù)采集卡、信號(hào)調(diào)理模塊、繪圖儀、綜合控制箱、直流電源、交流電源、UPS電源、示波器等構(gòu)成。系統(tǒng)原理框圖如圖1。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　主機(jī)1主要用于系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、處理和控制。繪圖儀用于測(cè)井曲線實(shí)時(shí)出圖。深度信號(hào)調(diào)理模塊對(duì)光電編碼器信號(hào)及其它井口信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，并控制深度顯示；數(shù)字信號(hào)調(diào)理模塊用于配接各類編碼（例如，曼徹斯特編碼）傳輸?shù)木聝x器，如雙源距C/O能譜測(cè)井儀、脈沖中子氧化化測(cè)井儀等；脈沖信號(hào)調(diào)理模塊主要配接采用脈沖、周期信號(hào)傳輸?shù)木聝x器以及各種脈沖編碼類型的儀器。如：井壁超聲成像測(cè)井儀等；直流信號(hào)調(diào)理模塊主要配接采用直流量、低頻模擬信號(hào)傳輸?shù)木聝x器。直流電源為井下儀器提供直流供電、交流電源為井下儀器提供交流、泵、閥、繼電器和釋放器的供電。綜合控制箱負(fù)責(zé)完成纜芯切換、供電控制。UPS電源用以保證在停電或外部供電不正常時(shí)，維持一段時(shí)間的供電，以免測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)因得不到及時(shí)存儲(chǔ)而丟失。以上各單元統(tǒng)一安裝到兩組19英寸標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜中。關(guān)于信號(hào)的流程，從圖1中可以看出。我們把進(jìn)入數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)的信號(hào)歸結(jié)為兩類：井口信號(hào)和井下信號(hào)。井口信號(hào)來(lái)自井口和電纜絞車，它包括電纜張力信號(hào)、電纜磁記號(hào)和深度系統(tǒng)的光電編碼信號(hào)。井下信號(hào)是指來(lái)自井下儀器的信號(hào)。來(lái)自井下儀器的感應(yīng)型或脈沖型信號(hào)、深度系統(tǒng)的兩路光電編碼信號(hào)、井口的張力信號(hào)及電纜磁記號(hào)，通過(guò)電纜線進(jìn)入采集箱內(nèi)的深度調(diào)理模塊、脈沖信號(hào)調(diào)理模塊或直流信號(hào)調(diào)理模塊，經(jīng)過(guò)調(diào)理后，輸出到NI數(shù)據(jù)采集卡。井下儀器編碼信號(hào)經(jīng)過(guò)綜合控制電路的分離及預(yù)處理后通過(guò)電纜線進(jìn)入到數(shù)字信號(hào)調(diào)理模塊，進(jìn)行信號(hào)調(diào)理、解碼。解碼后的信號(hào)同樣輸出到NI數(shù)據(jù)采集卡。NI數(shù)據(jù)采集卡控制數(shù)據(jù)采集的方式、采樣的間隔，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)脈沖信號(hào)、直流信號(hào)和數(shù)字信號(hào)的實(shí)時(shí)采集，采集到的數(shù)據(jù)以DMA方式傳給主機(jī)內(nèi)的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，由系統(tǒng)軟件按不同的采樣方式控制數(shù)據(jù)的顯示、處理、打印和存盤。

　　數(shù)據(jù)采集方案設(shè)計(jì)

　　測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心是其數(shù)據(jù)采集方案設(shè)計(jì)。數(shù)據(jù)采集方案設(shè)計(jì)主要由系統(tǒng)深度數(shù)據(jù)采集和深度中斷管理方案設(shè)計(jì)；多路復(fù)合信號(hào)實(shí)時(shí)同步采集方案設(shè)計(jì)；復(fù)雜編碼格式數(shù)字信號(hào)高速傳輸與采集模式設(shè)計(jì)；直流信號(hào)高精度采集方案設(shè)計(jì)；系統(tǒng)狀態(tài)及井下儀器控制方案設(shè)計(jì)等構(gòu)成。由于專業(yè)性極強(qiáng)，以往系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集及控制單元通常是以自我設(shè)計(jì)為主，因此系統(tǒng)的開發(fā)周期長(zhǎng)、成本高、而且穩(wěn)定性較差，并經(jīng)常導(dǎo)致使用過(guò)程中，系統(tǒng)死機(jī)、深度測(cè)量不準(zhǔn)等問(wèn)題的出現(xiàn)，使系統(tǒng)的維護(hù)成本成倍增長(zhǎng)，同時(shí)由于技術(shù)水平的限制，自己開發(fā)的系統(tǒng)只能配接一些信號(hào)類型簡(jiǎn)單和傳輸速率低的井下儀器，不具備多路信號(hào)實(shí)時(shí)同步采集以及高速傳輸?shù)臄?shù)字信號(hào)采集和處理能力。為了克服現(xiàn)有系統(tǒng)的缺陷，我們?cè)诔浞终{(diào)研和試用各大公司的數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，選擇了NI 公司生產(chǎn)的系列數(shù)據(jù)采集卡和Measurement Studio 軟件開發(fā)包，經(jīng)過(guò)對(duì)NI各個(gè)采集卡的仔細(xì)研究和深度開發(fā)，我們僅用了３個(gè)月的時(shí)間就完成了過(guò)去需要２年以上的系統(tǒng)核心設(shè)計(jì)，并在業(yè)界首次實(shí)現(xiàn)了全部基于標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品的測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，同時(shí)使系統(tǒng)在采樣精度，深度控制，采集速度等主要技術(shù)指標(biāo)上得到了全面的大幅度的提升。

　?。?）系統(tǒng)深度數(shù)據(jù)采集和深度中斷管理方案設(shè)計(jì)：

　　系統(tǒng)深度模塊是該系統(tǒng)中行業(yè)性最強(qiáng)的一個(gè)模塊，它需要對(duì)正交光電編碼器信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，得到系統(tǒng)當(dāng)前的深度數(shù)據(jù)，同時(shí)它還要根據(jù)當(dāng)前的深度數(shù)據(jù)生成用于同步各信號(hào)采集的深度等距觸發(fā)信號(hào)。例如，在光電編碼器順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，每隔固定位移間隔（例如5 cm） 產(chǎn)生一個(gè)觸發(fā)信號(hào)，這個(gè)觸發(fā)信號(hào)通知系統(tǒng)對(duì)所有測(cè)量信號(hào)進(jìn)行采集，如果系統(tǒng)光電編碼器突然反方向轉(zhuǎn)動(dòng)，則不產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)，系統(tǒng)不做任何采集，從而使系統(tǒng)只按照單方向等位移的狀態(tài)采集數(shù)據(jù)。此外，該模塊還要具備對(duì)正交光電編碼

信號(hào)防抖動(dòng)，防滑動(dòng)處理的功能。在系統(tǒng)開發(fā)過(guò)程中，我們發(fā)現(xiàn) NI PCI-660X 系列產(chǎn)品的用戶手冊(cè)上沒(méi)有實(shí)現(xiàn)該工作模式的基本功能。為了實(shí)現(xiàn)該功能，我們經(jīng)過(guò)深入研究和開發(fā)，通過(guò)利用PCI-6602處理光電編碼器信號(hào)的計(jì)數(shù)器通道所能生成的某種特殊狀態(tài)信號(hào)，同時(shí)結(jié)合其它計(jì)數(shù)器通道的脈沖生成功能，最終生成了我們所需要的連續(xù)的深度等距觸發(fā)信號(hào)。在最終的產(chǎn)品設(shè)計(jì)中我們利用PCI-6602的5個(gè)計(jì)數(shù)器通道通過(guò)程序初始化控制實(shí)現(xiàn)了這個(gè)功能。這是我們首次通過(guò)使用標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)數(shù)據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn)深度數(shù)據(jù)的精確讀取和觸發(fā)信號(hào)的定距輸出，它為整個(gè)系統(tǒng)得成功研制奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

　?。?）多路復(fù)合信號(hào)實(shí)時(shí)同步采集方案設(shè)計(jì)：

　　測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)通常需要根據(jù)定距或定時(shí)觸發(fā)信號(hào)對(duì)多路直流信號(hào)、脈沖信號(hào)和數(shù)字信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)同步測(cè)量。這就需要系統(tǒng)保證對(duì)多個(gè)采集卡間以及同一采集卡內(nèi)部的多個(gè)測(cè)量通道間的數(shù)據(jù)采集的同一性和實(shí)時(shí)性，否則得到的數(shù)據(jù)就不能反映井下儀器在地層中真實(shí)狀況。我們采用具有RTSI（實(shí)時(shí)同步接口）總線的 NI 6070E 或 NI6024E 用于直流信號(hào)的測(cè)量，PCI-6602 或 PCI-6601 用于脈沖信號(hào)和深度信號(hào)的測(cè)量，PCI-6534 或 PCI-6533用于數(shù)字信號(hào)的測(cè)量。系統(tǒng)中任何一塊卡都可以根據(jù)工作模式的不同作為主卡來(lái)生成同步觸發(fā)信號(hào)或用作從卡來(lái)接收同步觸發(fā)信號(hào)。我們把主卡產(chǎn)生的同步觸發(fā)信號(hào)加載到RTSI 總線上，由RTSI來(lái)同步其它從卡上的各個(gè)測(cè)量通道的數(shù)據(jù)采集，各塊采集卡采集到的數(shù)據(jù)都以DMA方式傳給主機(jī)內(nèi)各自的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。由于整個(gè)觸發(fā)和采集過(guò)程都是由系統(tǒng)硬件獨(dú)立控制完成的，使得各個(gè)測(cè)量通道的采集延時(shí)可以控制在納秒級(jí)。所有采集卡都采用DMA模式傳輸數(shù)據(jù)，這與以往系統(tǒng)多采用中斷模式相比，極大的提高了系統(tǒng)工作效率。

　　通過(guò)RTSI總線我們把原來(lái)需要通過(guò)系統(tǒng)軟件輪詢依次讀取各通道數(shù)據(jù)的工作方式轉(zhuǎn)變成通過(guò)初始化各個(gè)采集卡的工作狀態(tài)，然后由各采集卡（即系統(tǒng)硬件）的RTSI來(lái)控制采集的同步。這種工作方式的轉(zhuǎn)變，不但降低了系統(tǒng)負(fù)荷，而且使系統(tǒng)測(cè)量的同步性和實(shí)時(shí)性得到了顯著提高。這也是我們選用NI 公司數(shù)據(jù)采集卡來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的一個(gè)重要原因。

　?。?）復(fù)雜編碼格式數(shù)字信號(hào)高速傳輸與采集模式設(shè)計(jì)：

　　由于測(cè)井儀器種類繁多，一個(gè)設(shè)計(jì)合理的測(cè)井系統(tǒng)，必須考慮能與不同編碼格式的井下儀器配接使用。由于PCI-6534通常情況下具有40MS/s的采樣率，我們?cè)谙到y(tǒng)設(shè)計(jì)中，充分開發(fā)PCI-6534的Pattern I/O功能，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜高速傳輸?shù)臄?shù)字的采集和解碼，同時(shí)根據(jù)井下儀器的特點(diǎn)，可以把調(diào)理模塊觸發(fā)PCI-6534的信號(hào)加載到RTSI 總線上，以同步系統(tǒng)深度和其它數(shù)據(jù)的采集，也可以通過(guò)RTSI總線把定距或定時(shí)觸發(fā)信號(hào)加載到PCI-6534上，以控制數(shù)字信號(hào)的采集模式。PCI-6534與系統(tǒng)前端數(shù)字信號(hào)調(diào)理模塊配合使用，使系統(tǒng)具備了配接各種傳輸速率高、編碼協(xié)議復(fù)雜的測(cè)井井下儀器的能力。

　?。?）直流信號(hào)高精度采集方案設(shè)計(jì)：

　　有些測(cè)井儀器上傳的信號(hào)中，既有直流量也有脈沖量還有數(shù)字量，而且其直流量的采樣頻率一般要求達(dá)到1MS/ s。采集系統(tǒng)除了要完成井下儀器直流信號(hào)的高速采集外還要以定時(shí)或定距的模式和較低的采樣率采集其它直流信號(hào)和脈沖信號(hào)。我們?cè)谠O(shè)計(jì)中，通過(guò)對(duì)NI 6070E、PCI-6024E、PCI-6602、PCI-6534這四塊卡綜合編程控制，采用多通道多次復(fù)合同步觸發(fā)技術(shù)，同時(shí)充分開發(fā)PCI-6534的數(shù)字信號(hào)模式觸

　　發(fā)控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了定時(shí)或定距觸發(fā)條件下以高采樣率采集井下儀器的直流信號(hào)，同時(shí)以低采樣率采集井下儀器的脈沖信號(hào)、井口的直流信號(hào)和數(shù)字信號(hào)的工作模式。這是整個(gè)測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。

　?。?）系統(tǒng)狀態(tài)及井下儀器控制方案設(shè)計(jì)：

　　在系統(tǒng)調(diào)理模塊和井下儀器狀態(tài)控制設(shè)計(jì)中，我們選用PCI-6601, 利用它的Digital I/O功能，建立起了一套控制能力強(qiáng)大的32位命令輸出體系。選用PCI-6601,主要是為了降低系統(tǒng)的總成本，根據(jù)需要也可以選擇專門的數(shù)字I/O卡，或其它多功能卡。

　　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)軟件主要由現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控及數(shù)據(jù)采集軟件和測(cè)后數(shù)據(jù)分析處理軟件構(gòu)成，在軟件開發(fā)上，我們選擇使用VC++ 與NI 公司Measurement Studio 軟件包相結(jié)合的開發(fā)方式，用VC++開發(fā)與操作系統(tǒng)底層相關(guān)的程序和曲線打印輸出程序，使用Measurement Studio和CVI提供的類庫(kù)開發(fā)與數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集和曲線顯示相關(guān)的程序。這種開發(fā)方案不但可以對(duì)操作系統(tǒng)進(jìn)行靈活的控制而且充分利用了NI 公司提供的開發(fā)工具，從而極大的縮短了系統(tǒng)軟件的開發(fā)時(shí)間。我們僅用了三個(gè)月的時(shí)間就完成了系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)，開發(fā)和測(cè)試工作。圖2為系統(tǒng)軟件中的脈沖中子氧活化測(cè)井及解釋軟件序界面。圖3為系統(tǒng)軟件總體框圖。

　　結(jié)論

　　我們使用NI公司的數(shù)據(jù)采集卡和軟件開發(fā)工具實(shí)現(xiàn)了測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)的基于標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與開發(fā)。大幅度地降低了系統(tǒng)的開發(fā)和維護(hù)成本，縮短了系統(tǒng)的開發(fā)周期，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。此外，我們可以根據(jù)用戶的需要對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行多種組合或把系統(tǒng)更新為PXI總線系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)功能各有側(cè)重的測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)。目前這套系統(tǒng)已生產(chǎn)20余套，成功應(yīng)用于大慶油田和全國(guó)其它油田，取得了可觀的經(jīng)濟(jì)效益，具有相當(dāng)廣闊的應(yīng)用前景。