CN100334324C

CN100334324C - 一种适用于光纤陀螺油井连续测斜仪的控制系统

Info

Publication number: CN100334324C
Application number: CNB2006100028712A
Authority: CN
Inventors: 张春熹; 高爽; 颜廷洋; 朱奎宝; 李敏; 罗光明; 简红清; 李晨; 牛清红
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University; Beijing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2006-02-09
Filing date: 2006-02-09
Publication date: 2007-08-29
Anticipated expiration: 2026-02-09
Also published as: CN1811127A

Abstract

本发明公开了一种适用于光纤陀螺油井连续测斜仪的控制系统，包括计算机、一井下控制器和测斜仪标定测试装置。井下控制器由处理器DSP、可编程逻辑器CPLD、通讯电路和电源电路组成；测斜仪标定测试装置由参数设置模块、惯性传感器测试模块、测斜仪标定模块和连续测量模块组成，其放置于计算机内。本发明提供了一种通过模块化的井下控制器在井下完成对采集数据进行实时解算后，由通讯电路上传给地面的计算机进行油井井眼轨迹输出处理，有效地克服了环境因素造成的信号误差影响，以及信号在传输过程中的衰减造成的轨迹形成的精度影响。

Description

一种适用于光纤陀螺油井连续测斜仪的控制系统

技术领域

本发明涉及一种对传感器采集信息进行控制、处理的系统，更特别地说，是指一种基于惯性测量技术的光纤陀螺油井连续测斜仪的控制系统。

背景技术

随着世界石油资源的日益紧张，石油油井井眼轨迹的精确测量越来越显示出其重要性，这就需要有高精度的油井测斜仪器。目前国内各油田广泛使用的测斜仪器均采用磁通门传感器或机械陀螺传感器，由于这两种传感技术的局限，导致现有仪器有精度不足、使用范围受限和寿命短等弊病。光纤陀螺轻型的固态结构使其具有可靠性高、寿命长、能够耐冲击和振动、瞬时启动、功耗低以及有较宽的动态范围等优点，是一种适用于油井测斜仪的角度传感器。

此外，对采集数据的处理一般为地面(井上)处理，是将井下传感器测得的原始数据通过电缆传输给地面计算机部分进行综合处理，获得表征被测油井井眼轨迹的参数信息。由于井下与井上环境差异导致采集数据在传输上造成信号形变、延迟等，以及部分并下参数不能及时传输至井上计算机进行实时处理，影响了油井井眼轨迹形成的精度。

发明内容

本发明的目的是提供一种适用于光纤陀螺油井连续测斜仪的控制系统，该控制系统通过模块化的并下控制器在井下完成对采集数据进行实时解算后，由通讯电路上传给地面的计算机进行油井井眼轨迹输出处理，有效地克服了环境因素造成的信号误差影响，以及信号在传输过程中的衰减造成的轨迹形成的精度影响。

本发明是一种适用于光纤陀螺油井连续测斜仪的控制系统，包括计算机、一井下控制器和测斜仪标定测试装置。

井下控制器，由处理器DSP、可编程逻辑器CPLD、通讯电路和电源电路组成；

所述可编程逻辑器CPLD用于实时接收由光纤陀螺输出的角速率信息和加速度计输出的比力信息，并将接收的所述角速率信息和所述比力信息进行定时累加、存储；

所述处理器DSP用于提供可编程逻辑器CPLD的定时时钟信号；接收可编程逻辑器CPLD的存储数据，同时清空可编程逻辑器CPLD中存储器的数据；处理器DSP对接收的实时数据按航迹推算法进行处理，解算出表征被测油井井眼轨迹的参数信息并回传至可编程逻辑器CPLD；

所述通讯电路接收由可编程逻辑器CPLD串并转换处理后的连续测量参数信息，并将所述连续测量参数信息通过测井七芯铠装电缆传输给计算机；

所述电源电路提供井下控制器所需的电源；

一测斜仪标定测试装置，由参数设置模块、惯性传感器测试模块、测斜仪标定模块和连续测量模块组成，所述测斜仪标定测试装置放置于计算机内；

所述参数设置模块用于提供所述航迹推算法所需的初始值；

所述惯性传感器测试模块完成对惯性传感器输出数据的实时监测和采集；

所述测斜仪标定模块完成惯性测量组合的误差修正；

所述连续测量模块根据所述参数设置模块、所述惯性传感器测试模块和所述测斜仪标定模块得到的数据信息进行航迹推算法实时测量处理，获得用于表征被测油井井眼轨迹的参数信息。

所述的光纤陀螺油井连续测斜仪的控制系统，其处理器DSP U6选取TMS320VC33芯片，可编程逻辑器CPLD U1选取ACEX_EP1K100芯片，通讯电路由变频电路U12、隔离电路U13A和U13B、逻辑组合电路U14A、U14B、U14C和U9和功率放大器U11组成，电源电路(图9所示)由三个电源芯片U7A、U7B和U7C组成。

本发明光纤陀螺油井连续测斜仪的控制系统的优点在于：(1)采用DSP处理器提高了对采集数据的解算速度；(2)采用具有先进先出功能的可编程逻辑器CPLD完成对输入的油井井眼轨迹数据的传输，以及对处理器DSP处理后数据的上传，提高了计算机获得数据信息的时间；(3)井下控制器采用模块化、小型化设计满足了光纤陀螺测斜仪对井下机械部分一体化设计要求。

附图说明

图1是本发明控制系统的结构框图。

图2是处理器DSP的控制流程图。

图3是测斜仪标定测试装置的参数设置模块的界面。

图4是测斜仪标定测试装置的惯性传感器测试模块的界面。

图5是测斜仪连续测量模块的界面。

图6是可编程逻辑器CPLD的电路原理图。

图6A是可编程逻辑器CPLD的电平转换电路原理图。

图6B是可编程逻辑器CPLD的外围电路。

图7是处理器DSP的电路原理图。

图7A是处理器DSP的第一存储器电路图。

图7B是处理器DSP的第二存储器电路图。

图8是通讯电路的电路原理图。

图9是电源电路的电路原理图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。

光纤陀螺油井连续测斜仪是基于惯性导航技术的惯性测量系统，是一种不依赖任何外部设备、完全自主的实时而快速的测量仪器。其基本原理是根据牛顿提出的相对惯性空间的力学定律，利用光纤陀螺、加速度计敏感仪器沿油井井眼运动过程中的角速度、加速度，通过实时测量解算，得到油井井眼各位置的倾斜角、方位角和相应的深度增量等参数，用以描述油井井眼轨迹。光纤陀螺油井连续测斜仪包括地面设备和井下设备，井下设备又由机械骨架、光路、电路组成。本发明的控制系统，主要是针对井下部分采集的数据进行实时解算处理、控制输出至地面的计算机进行综合处理。

本发明是一种适用于光纤陀螺油井连续测斜仪的控制系统，包括计算机、一并下控制器和测斜仪标定测试装置，井下控制器与计算机通过测井七芯铠装电缆连接。

井下控制器，由处理器DSP、可编程逻辑器CPLD、通讯电路和电源电路组成，请参见图1所示。

所述通讯电路接收由可编程逻辑器CPLD串并转换处理后的连续测量参数信息，并将其通过测井七芯铠装电缆传输给计算机；

所述电源电路提供井下控制器所需的电源；

一测斜仪标定测试装置，由参数设置模块、惯性传感器测试模块、测斜仪标定模块和连续测量模块组成，其放置于计算机内；

所述参数设置模块用于提供所述航迹推算法所需的初始值；

所述测斜仪标定模块完成惯性测量组合的误差修正；

在本发明中，处理器DSP U6选取TMS320VC33芯片，可编程逻辑器CPLD U1选取ACEX_EP1K100芯片，通讯电路由变频电路U12、隔离电路U13A和U13B、逻辑组合电路U14A、U14B、U14C和U9和功率放大器U11组成，电源电路(图9所示)由三个电源芯片U7A、U7B和U7C组成，电源电路为井下控制器提供1.8V、2.5V和3.3V的电源；适用于光纤陀螺油井连续测斜仪的控制系统信号传输的主要端子(在本发明中未表述的各芯片端子一般为常规连接)联接为：

请参见图6A所示，光纤陀螺的输出信号FOG1+I端、FOG1-I端、FOG2+I端、FOG2-I端、FOG3+I端和FOG3-I端分别经一个上拉电阻R4～R9后引入电平转换芯片U2中，经电平转换后各输入信号被转换为FOG1+O端、FOG1-O端、FOG2+O端、FOG2-O端、FOG3+O端和FOG3-O端；加速度计的输出信号ACC1I端、ACC2I端和ACC3I端分别经一个上拉电阻R3～R1后引入电平转换芯片U2中，经电平转换后各输入信号被转换为ACC1O端、ACC2O端和ACC3O端；电平转换芯片U2的其它管脚为常规连接；光纤陀螺和加速度计的输出信号经电平转换芯片U2的转换是为了适宜于后续处理电路I/O口工作电平所需；

请参见图6、图6A、图6B所示，图6B是可编程逻辑器CPLD的外围电路，该芯片U5的各端子为常规连接；图6A所示的电平转换芯片U2输出的信号FOG1+O端、FOG1-O端、FOG2+O端、FOG2-O端、FOG3+O端、FOG3-O端、ACC1O端、ACC2O端和ACC3O端与可编程逻辑器CPLD U1的197端、195端、193端、191端、189端、187端、205端、199端和202端相连；电平转换芯片U2与可编程逻辑器CPLD U1的连接是将光纤陀螺检测的角速率信息和加速度计测量的比力信息实时引入数据处理单元；

请参见图6所示，可编程逻辑器CPLD U1的I/O端口53端和54端与处理器DSP U6的I/O端口116端和117端相连，实现本发明所规定的在一定时间内对CPLD内部数据的锁存和清除，以方便检测惯性器件(光纤陀螺和加速度计)采集数据的读取与更新；可编程逻辑器CPLD U1的应答输入信号172端和173端与通讯电路的逻辑组合电路的应答输出信号e0端和e1端相连；可编程逻辑器CPLD U1的应答输出信号174端和175端与通讯电路的功率放大器的应答输入信号pa端和pb端相连；可编程逻辑器CPLD U1的时钟183端接一晶振电路为可编程逻辑器CPLD提供18.432MHz的时钟信息；可编程逻辑器CPLD U1的其它管脚端为常规连接；图8中的e0端、e1端作为实时数据处理单元数据结果输出应答状态信息，用于启动可编程逻辑器CPLD通讯逻辑接口信息；图8中的pa端、pb端是将经可编程逻辑器CPLD处理后的井眼轨迹解算数据输出，图8中的逻辑启动信号c0端、c1端经一变压器转换后，通过电缆与井上的计算机连接实现实时数据的传输再现。计算机接收到相关数据后通过如图3～5所示的界面(参数设置模块、惯性传感器测试模块、和连续测量模块)进行实时监测和显示。在参数设置模块界面中测点的经度和纬度、以及当地重力加速度信息作为航迹推算法的初始数据；惯性传感器测试模块界面完成对惯性器件(光纤陀螺和加速度计)的工作状态实时监测；连续测量模块界面用于实时显示已获得的用于表征被测油井井眼轨迹的参数信息。

请参见图7、图7A、图7B所示，处理器DSP U6含有第一存储器U3和第二存储器U4，此单元的主要功能有：初始数据装订、存储光纤陀螺及石英挠性加速度计的标定系数、实时井眼轨迹姿态解算和解算参数计算、惯性测量系统误差修正计算和分析工作指令转换工作状态等；处理器DSP U6的地址线A3端、A4端、A6端、A7端、A8端、A23端、PAGE0端和PAGE2端分别与可编程逻辑器CPLD U1的地址线95端、96端、97端、99端、100端、92端、93端和94端相连；处理器DSPU6的数据线D0～D31端分别与可编程逻辑器CPLD U1的数据线24～31端、36～41端、44端、45端、56～58端、60～65端和67～75端相连；处理器DSPU6的中断信号122端、120端和119端分别与可编程逻辑器CPLD U1的88端、55端和87端相连；处理器DSP U6的控制信号41端、42端与可编程逻辑器CPLDU1的86端、85端相连；处理器DSP U6的时钟130端接一个晶振电路为处理器DSP提供15MHz的外部时钟；第一存储器U3通过45端设置为1M byte存储容量；第一存储器U3和第二存储器U4的其它管脚均为常规连接；处理器DSP U6的其它管脚端均为常规连接。

在本发明中，处理器DSP对信息的处理流程如下，系统上电后，通过系统初始化处理启动DSP内部的定时器，然后，根据定时器设定的时间常数来执行启动DSP的中断服务程序；中断服务程序主要完成对CPLD存储数据的读写操作，并根据初始数据完成实时解算，请参见图2所示。

下面将对本发明采用的硬件进行说明

(一)计算机

在本发明中，计算机最低配置PIII，256M内存，10G硬盘。软件运行环境：Windows 9X/ME/2000/XP/2003操作系统。

(二)处理器DSP

微计算机芯片作为实时解算的核心，它的选择将决定仪器的功能和精度。DSP数字信号处理器芯片是被设计为一种特别适合用于进行数字信号处理的微处理器。DSP不仅在运算速度上有了很大的提高，而且在通用性和灵活性方面有了极大地改进。此外，DSP芯片的成本、体积、重量和功耗也都有了很大程度的下降。本设计选择美国TI公司3000系列中的32位浮点DSP芯片TMS320VC33，该芯片在15MHz外部时钟时的峰值运算速度可达150MFLOPS，且具有低功耗的特性(＜200mw@150MFLOPS)，同时具有丰富的中断资源，考虑到井下高温的恶劣工作环境，低功耗是选择器件的首要标准，故此芯片适宜于用作测斜仪下井仪器中的实时数据处理单元的处理器。

本设计采用DSP定时器中断，控制航迹推算法主程序的更新周期，从而简化了CPLD内部的复杂时序设计，并实现利用DSP的可编程逻辑器CPLD接口修改定时器控制字可方便的更改主程序解算周期，提高了仪器的在不同测速时的使用灵活性。

(三)可编程逻辑器CPLD

CPLD是目前主流的可编程逻辑器，具有反复擦除、编程，可方便的修改和升级设计，灵活地定义管脚功能，具有丰富的触发器资源，易于实现时序逻辑，非常适宜于接口电路设计。本设计采用Altera公司ACEX_1K1系列的ACEX_1K100芯片，该芯片提供10万可用门，其多电压引脚可以驱动2.5V、3.3V、5.0V的器件。使用CPLD完成所有的接口任务，包括读取惯性器件的测量数据、接受地面上传数据的指令、上传数据的并串转换(相应具体接口参见)。

(四)井下连续测量参数上传的通讯电路

要通过7000多米的测井七芯铠装电缆传输CPLD的输出信号，常规的通讯方式是行不通的，在本设计中，井下连续测量参数上传驱动电路首先接受来自地面计算机下发的8KHz声波逻辑数据上传请求信号，并对此信号进行变频、隔直和逻辑整合处理后，传送给CPLD请求数据上传，CPLD在接受到相应的请求信号后，将并串转换后的数据传送给井下连续测量参数上传驱动电路，此电路在对数据进行双极性归零码后，结合功率放大器，将待上传数据调节到一定的幅度，使之能够在通过电缆传输后地面计算机能够准确识别传输的相应信息。

本发明光纤陀螺油井连续测斜仪的控制系统，较大幅度地提高井眼轨迹的测量精度，为油田开发提供强有力的技术支持，减少和避免油田开发过程中的经济损失，具有良好的经济效益和社会效益。

Claims

1、一种适用于光纤陀螺油井连续测斜仪的控制系统，包括计算机，其特征在于还包括：

一井下控制器，由处理器DSP、可编程逻辑器CPLD、通讯电路和电源电路组成；

所述电源电路提供井下控制器所需的电源；

所述参数设置模块用于提供所述航迹推算法所需的初始值；

所述测斜仪标定模块完成惯性测量组合的误差修正；

所述连续测量模块根据所述参数设置模块、所述惯性传感器测试模块和所述测斜仪标定模块得到的数据信息进行航迹推算法实时测量处理，获得用于表征被测油井井眼轨迹的参数信息；

处理器DSP选取TMS320VC33芯片，可编程逻辑器CPLD选取ACEX_EP1K100芯片，通讯电路由变频电路、隔离电路、逻辑组合电路和功率放大器组成，电源电路由三个电源芯片组成；用于光纤陀螺油井连续测斜仪的控制系统中信号传输的主要端子联接为：

光纤陀螺的输出信号FOG1+I端、FOG1-I端、FOG2+I端、FOG2-I端、FOG3+I端和FOG3-I端分别经一个上拉电阻R4～R9后引入电平转换芯片U2中，经电平转换后各输入信号被转换为FOG1+O端、FOG1-O端、FOG2+O端、FOG2-O端、FOG3+O端和FOG3-O端；

加速度计的输出信号ACC1I端、ACC2I端和ACC3I端分别经一个上拉电阻R3～R1后引入电平转换芯片U2中，经电平转换后各输入信号被转换为ACC1O端、ACC2O端和ACC3O端；电平转换芯片U2的其它管脚为常规连接；

电平转换芯片U2输出的信号FOG1+O端、FOG1-O端、FOG2+O端、FOG2-O端、FOG3+O端、FOG3-O端、ACC1O端、ACC2O端和ACC3O端与可编程逻辑器CPLD U1的197端、195端、193端、191端、189端、187端、205端、199端和202端相连；

可编程逻辑器CPLD U1的I/O端口53端和54端与处理器DSP U6的I/O端口116端和117端相连；可编程逻辑器CPLD U1的应答输入信号172端和173端与通讯电路的逻辑组合电路的应答输出信号e0端和e1端相连；可编程逻辑器CPLD U1的应答输出信号174端和175端与通讯电路的功率放大器的应答输入信号pa端和pb端相连；可编程逻辑器CPLD U1的时钟183端接一晶振电路为可编程逻辑器CPLD提供18.432MHz的时钟信息；可编程逻辑器CPLD U1的其它管脚端为常规连接；

处理器DSP U6含有第一存储器U3和第二存储器U4，处理器DSP U6的地址线A3端、A4端、A6端、A7端、A8端、A23端、PAGE0端和PAGE2端分别与可编程逻辑器CPLD U1的地址线95端、96端、97端、99端、100端、92端、93端和94端相连；处理器DSP U6的数据线D0～D31端分别与可编程逻辑器CPLD U1的数据线24～31端、36～41端、44端、45端、56～58端、60～65端和67～75端相连；处理器DSP U6的中断信号122端、120端和119端分别与可编程逻辑器CPLD U1的88端、55端和87端相连；处理器DSP U6的控制信号41端、42端与可编程逻辑器CPLD U1的86端、85端相连；处理器DSP U6的时钟130端接一个晶振电路为处理器DSP提供15MHz的外部时钟；第一存储器U3通过45端设置为1M byte存储容量；第一存储器U3和第二存储器U4的其它管脚均为常规连接；处理器DSP U6的其它管脚端均为常规连接。