CN103291282B - 钻车随钻测量系统 - Google Patents
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Abstract
本发明钻车随钻测量系统包括传感器模块、信号棒、CPU模块和显示器，所述传感器模块包括三轴加速度计、三轴陀螺仪、三轴磁强计、温度传感器和电流传感器；所述信号棒包括DSP处理器和电源模块，所述DSP处理器含有与电源模块相连接的电源接口和与传感器模块相连接的通讯接口模块；所述CPU模块包括CAN串行通讯接口和现场总线接口，所述现场总线接口与钻车主控制台相连。本发明钻车随钻测量系统，能够对钻车钻头进行实时准确定位，获取的数据信息精确性好，可靠性高，具备较强的可实施性，适合于强振动、大扭矩的现场恶劣环境。
Description
技术领域
本发明涉及一种钻车随钻测量系统。
背景技术
钻车随钻测量系统广泛应用于石油开采、管线铺设、地下挖掘等设备。目前传统的钻车随钻测量系统由地下发射部分和地面接收部分构成，成本相对较低并且易于实施，但是由于钻车钻头定位不准确，无线信号传播的局限性以及调制解调电路带来的信号误差，使得钻车随钻测量系统获取的数据信息不够精确。在钻车随钻测量系统中，惯性传感器是经常使用的测量手段，但是惯性传感器容易受到振动、磁场、温度等的干扰，会导致数据信息不准确，甚至失效。
发明内容
本发明在于克服上述不足，提供一种能够对钻车钻头进行实时准确定位，获取的数据信息精确性好，具备良好可实施性的钻车随钻测量系统。
本发明的目的是这样实现的：
一种钻车随钻测量系统包括传感器模块、信号棒、CPU模块和显示器，所述传感器模块包括三轴加速度计、三轴陀螺仪、三轴磁强计、温度传感器和电流传感器，所述三轴加速度计和三轴陀螺仪设有UART串行通讯接口，所述三轴磁强计设有SPI串行通讯接口，所述温度传感器和电流传感器设有AD串行通讯接口；所述信号棒包括DSP处理器和电源模块，所述DSP处理器含有与电源模块相连接的电源接口和与传感器模块相连接的通讯接口模块，所述通讯接口模块包括UART串行通讯接口、SPI串行通讯接口、AD串行通讯接口和CAN串行通讯接口；所述CPU模块包括CAN串行通讯接口和现场总线接口，所述现场总线接口与钻车主控制台相连。
本发明钻车随钻测量系统，所述传感器模块与DSP处理器封装在舱体内，所述舱体与无磁钻铤通过机械连接。
本发明钻车随钻测量系统，所述DSP处理器和钻杆之间、钻杆与钻杆之间通过CAN串行通讯接口相连。
本发明钻车随钻测量系统，所述显示器为五个多段红色数码管。
本发明钻车随钻测量系统，传感器数据在DSP处理器、传感器模块和CPU模块之间通过CAN总线进行传递。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明钻车随钻测量系统，基于DSP处理器的嵌入式系统技术研制的钻车随钻测量系统，可以快速处理多个传感器数据；利用CAN总线传输打包的传感器数据，共模抑制能力强，数据更加准确可靠；使用卡尔曼滤波数据融合算法保证了随钻测量系统的数据可靠性和精确性；使用CPU模块和显示器实时显示的方法，可以在线实时为钻头纠偏提供帮助；电源模块和传感器模块尺寸小，集成度高，方便实施，实用性强；钻车随钻测量系统模块化程度高，适合于强振动、大扭矩的现场恶劣环境。
附图说明
图1为本发明钻车随钻测量系统安装结构示意图；
图2为本发明钻车随钻测量系统结构框图；
具体实施方式
如图1所示，本发明钻车随钻测量系统包括传感器模块、信号棒、CPU模块和显示器，所述传感器模块包括三轴加速度计、三轴陀螺仪、三轴磁强计、温度传感器和电流传感器，所述三轴加速度计和三轴陀螺仪设有UART串行通讯接口，所述三轴磁强计设有SPI串行通讯接口，所述温度传感器和电流传感器设有AD串行通讯接口；所述信号棒包括DSP处理器和电源模块，所述DSP处理器的核心芯片TMS320F28335具备强大的浮点数处理能力，运算速度高达150MHz，所述DSP处理器含有与电源模块相连接的电源接口和与传感器模块相连接的通讯接口模块，所述通讯接口模块包括UART串行通讯接口、SPI串行通讯接口、AD串行通讯接口和CAN串行通讯接口；所述电源模块含有多路输出电压，满足各种传感器需要；所述CPU模块有ARM9内核，所述CPU模块设有CAN串行通讯接口、显示器驱动接口和现场总线接口，所述现场总线接口与钻车主控制台相连；所述显示器为五个多段红色数码管，所述显示器实时显示钻头的横滚角、俯仰角、偏航角信息、环境温度以及钻头电流强度信息。
所述三轴加速度计、三轴陀螺仪、三轴磁强计通过一块硬件电路板对数据进行预处理，然后通过UART串行通讯接口与DSP处理器相连，温度传感器和电流测量传感器则直接接入DSP处理器的AD串行通讯接口；传感器模块与DSP处理器封装在一个圆柱形舱体内，所述圆柱形舱体与无磁钻铤通过机械连接，所述无磁钻铤是为了保证传感器模块的数据不受铁磁场影响而专门设计；
所述电源模块采用锂聚合物，提供5V、9V、12V电压输出，供传感器模块和DSP处理器使用，所述电源模块安装在DSP处理器之后，所述电源模块与无磁钻铤通过机械连接；
所述DSP处理器的CAN串行通讯接口与钻杆的CAN串行通讯接口相连进行数据传输，所述钻杆的两端均设有CAN串行通讯接口，以保证数据传输通畅。
末端钻杆的CAN串行通讯接口与CPU模块相连接，用来接收传感器数据，同时对传感器数据解析，并对一些诸如短路和断路的基本故障进行诊断，并将结果发送至钻车主控制台。此外，CPU模块还负责将采集的传感器数据在显示器中动态显示。
如图2所示，图2为本发明钻车随钻测量系统结构框图，传感器数据首先使用传感器模块进行采集，然后送至DSP处理器进行处理并按预定的协议打包，再经过CAN总线逐次通过多个钻杆到达CPU模块；CPU模块解析传感器数据，并将传感器数据在显示器中更新，同时将传感器数据发送至钻车主控制台；钻车主控制台下达的命令沿图中数据流方向逆行达到DSP处理器，并最终达到传感器模块。
图2的工作原理如下：由钻车主控制台下达指令，指令经预定通讯接口发送至CPU模块，CPU模块经过命令解析后指定系统的工作模式为主动式或被动式，主动式是钻车主控制台和传感器数据之间的应答模式，被动式指的是传感器数据在钻车主控制台的动态刷新模式。主动式可以在钻头停止工作时工作，此时传感器数据更加准确；被动式的数据不精确，但可以随时反应钻头的工作状况。CPU模块指定工作模式后，将传感器数据打包经CAN总线发送至DSP处理器，DSP处理器接到传感器数据请求后向传感器模块发出请求信息，传感器模块在接到所有的传感器数据之后，DSP处理器会首先对三轴陀螺仪、三轴加速度计和三轴磁强计的数据分别进行钻头位置计算，之后进行卡尔曼滤波数据融合算法得到钻头稳定准确的空间位置数据。同时，DSP处理器解析温度传感器和电流传感器的数据，并且使用温度传感器对钻头的空间位置数据进行温度补偿。最后，将完整的传感器数据，包括钻头的横滚角、俯仰角、偏航角信息、环境温度以及钻头电流强度信息按照预定协议打包，然后经过CAN总线发送至CPU模块。CPU模块解析数据，并参考上次数据，进行初步故障诊断，若无故障发生则将此数据在显示器中更新，并且发送至钻车主控制台；若发生故障，则在显示器中显示故障信息，并将故障信息发送至钻车主控制台。
Claims (5)
1.一种钻车随钻测量系统，包括传感器模块、信号棒、CPU模块和显示器，其特征是：所述传感器模块包括三轴加速度计、三轴陀螺仪、三轴磁强计、温度传感器和电流传感器，所述三轴加速度计和三轴陀螺仪设有UART串行通讯接口，所述三轴磁强计设有SPI串行通讯接口，所述温度传感器和电流传感器设有AD串行通讯接口；所述信号棒包括DSP处理器和电源模块，所述DSP处理器含有与电源模块相连接的电源接口和与传感器模块相连接的通讯接口模块，所述通讯接口模块包括UART串行通讯接口、SPI串行通讯接口、AD串行通讯接口和CAN串行通讯接口；所述CPU模块包括CAN串行通讯接口和现场总线接口，所述现场总线接口与钻车主控制台相连；
由钻车主控制台下达指令，指令经预定通讯接口发送至CPU模块，CPU模块经过命令解析后指定系统的工作模式为主动式或被动式，主动式是钻车主控制台和传感器数据之间的应答模式，被动式指的是传感器数据在钻车主控制台的动态刷新模式；
CPU模块指定工作模式后，将传感器数据打包经CAN总线发送至DSP处理器，DSP处理器接到传感器数据请求后向传感器模块发出请求信息，传感器模块在接到所有的传感器数据之后，DSP处理器会首先对三轴陀螺仪、三轴加速度计和三轴磁强计的数据分别进行钻头位置计算，之后进行卡尔曼滤波数据融合算法得到钻头稳定准确的空间位置数据，同时DSP处理器解析温度传感器和电流传感器的数据，并且使用温度传感器对钻头的空间位置数据进行温度补偿，最后将完整的传感器数据，包括钻头的横滚角、俯仰角、偏航角信息、环境温度以及钻头电流强度信息按照预定协议打包，然后经过CAN总线发送至CPU模块，CPU模块解析数据，并参考上次数据，进行初步故障诊断，若无故障发生则将此数据在显示器中更新，并且发送至钻车主控制台；若发生故障，则在显示器中显示故障信息，并将故障信息发送至钻车主控制台。
2.根据权利要求1所述的一种钻车随钻测量系统，其特征是：所述传感器模块与DSP处理器封装在舱体内，所述舱体与无磁钻铤通过机械连接。
3.根据权利要求1或2所述的一种钻车随钻测量系统，其特征是：所述DSP处理器和钻杆之间、钻杆与钻杆之间通过CAN串行通讯接口相连。
4.根据权利要求1或2所述的一种钻车随钻测量系统，其特征是：所述显示器为五个多段红色数码管。
5.根据权利要求1或2所述的一种钻车随钻测量系统，其特征是：传感器数据在DSP处理器、传感器模块和CPU模块之间通过CAN总线进行传递。
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