CN103529731A

CN103529731A - 一种用于石油钻井绞车设备的编码方法及其编码器

Info

Publication number: CN103529731A
Application number: CN201310470835.9A
Authority: CN
Inventors: 喻言; 王洁; 黄思越; 宋阳
Original assignee: Dalian University of Technology
Current assignee: Dalian University of Technology
Priority date: 2013-10-06
Filing date: 2013-10-06
Publication date: 2014-01-22
Anticipated expiration: 2033-10-06
Also published as: CN103529731B

Abstract

一种用于石油钻井绞车设备的编码方法及其编码器，通过构造六路相对延时严格为一个触发时钟周期的编码信号进行逻辑判断和编码计数实现八倍频高精度编码算法，八倍频测量精度高于0.01Hz。使用该编码方法的无线编码器包括脉冲测频模块、微处理模块、通信模块和电源模块。编码测频模块包括电压隔离单元和脉冲测频计数单元；微处理模块包括单片机低功耗MCU、可电擦除可编程只读大容量存储器EEPROM、时钟电路以及拨码开关通信模块包括RS485通信串口以及无线接口；本发明的无线编码器编码灵活、测试精度高、可靠性好、集成度高，编码器体积小功耗低、易于布设维护，降低了钻井现场人工工作量，具有普遍的实用价值。

Description

一种用于石油钻井绞车设备的编码方法及其编码器

技术领域

本发明属于石油钻井设备检测技术领域，涉及一种用于石油钻井绞车设备的编码方法及其编码器，特别涉及一种基于八倍频计数用于石油钻井绞车设备的编码方法及其编码器,

背景技术

石油钻井是石油气资源开采中的重要一步，其投入费用占石油勘探开发总投入的50%以上。钻井工程中需要通过录井设备监控钻井液、各项仪器设备工作状况等信息，并对信息进行分析和处理，以达到寻找并评价石油气资源、实时跟踪建井过程、监测预报井下故障等辅助钻井生产和管理的作用。绞车设备则是录井的重要监测对象。

然而，现有与绞车设备配套的编码器采用有线通讯方式，在地理偏远、塘区分散、交通闭塞的钻井现场带来了繁重的安装拆卸工作，设备本身也易受井场搬迁及拆卸安装工作的影响而损坏，有线通信录井设备检测装置的不足日益显现；另一方面，近年来飞速发展的无线传感器及其网络技术在军事测控、环境科学、经贸商业等领域广泛应用，被评为21世纪最有影响的21项技术和改变世界的10大技术之一。因此，研发稳定性更高、信息采集更准确、信号传输更迅速、中心处理更可靠的石油录井设备的无线化系统有着极强的现实意义。

另外，编码器通常使用分立元件及一些门电路实现对编码信号多倍频测量，使用的元件较多，电路稳定性不佳；而采用集成芯片的电路设计多将编码信号直接接入微控制器（以下简称MCU）输入端，再由软件完成鉴相和计数等工作，加重了MCU负担，易产生漏计或误计现象。除此之外，根据实际工程需要，目前使用的编码器一般仅局限于四倍频测频计数，计数精度有待提高、计数算法有待优化。因此，优化编码电路并创新编码算法，提高编码器稳定性和测频精度，对于石油钻井绞车设备监测具有重要的意义。

发明内容

本发明提供了一种安装简便、性能优良的用于石油钻井绞车设备的无线编码器及其编码算法设计方案。

通常对于编码信号的倍频处理，是在原有信号的基础上构造一定的相关信号，在外界计数时钟的触发下，同时对原信号和相关信号的边沿进行检测，从而实现倍频的效果。在目前常用的四倍频算法中，由于编码信号为A/B两路频率相同、相差90度的脉冲信号，对两路信号的上升沿和下降沿进行检测即在计数上表现出四倍频。在构造相关信号时，通常使用门电路将原信号取反，或者构造A⊕B,这样虽然实现了四倍频计数，但由于原信号和相关信号有一个时间差、外界触发时钟周期与编码信号不一定是整数倍关系，在对信号边沿的计数过程中可能出现漏计或误计现象，导致精度损失。

本发明的技术方案如下：

一种基于八倍频计数用于石油钻井绞车设备的编码方法，其是将两路相差90度的编码信号A和编码信号B使用外部触发计数时钟的上升沿构造六路相对编码信号A和编码信号B的延时信号，分别为延时信号A、延时信号A1、延时信号A2和延时信号B、延时信号B1、延时信号B2,其中延时信号A1相对延时信号A延时一个触发时钟周期、延时信号A2相对延时信号A1延时一个触发时钟周期，延时信号B、延时信号B1、延时信号B2间延时关系同理，由于绞车正转时脉冲到来的时间顺序为：从延时信号A→延时信号A1→延时信号A2→延时信号B→延时信号B1→延时信号B2；绞车反转时脉冲到来的时间顺序为：从延时信号B→延时信号B1→延时信号B2→延时信号A→延时信号A1→延时信号A2，每种转向分别对应这六路信号的8种电平关系从而实现绞车设备编码信号的八倍频精确测量。

本发明的编码算法中，在ENCODER_A/ENCODER_B两路相差90度的原编码信号基础上，使用外部触发计数的时钟构造六路相对ENCODER_A/ENCODER_B的延时信号（A/A1/A2和B/B1/B2）,其中A1相对A延时一个触发时钟周期、A2相对A1延时一个触发时钟周期，B/B1/B2间延时关系同理，这样使信号边沿整齐、相对延时严格、稳定性高。由于绞车正转反转时分别对应这六路信号的8种电平关系，即脉冲到来的时间顺序分别为正转A/A1/A2/B/B1/B2和反转B/B1/B2/A/A1/A2，通过对这些关系的判断带动编码计数器的加减计数，即可实现绞车设备转向判别及八倍频精确计数。具体逻辑如表1、公式1和公式2。

表1八倍频与方向检测逻辑表

综上得：

其中COUNTER表示编码计数器计数值。

一种利用权利要求1所述的编码方法进行编码的编码器包括编码测频模块、微处理模块、通信模块和电源模块。其中，编码测频模块由电压隔离单元和编码测频计数单元组成，电压隔离单元的光电耦合器可有效隔离前段电路减少干扰；CPLD EPM240芯片完成编码八倍频高精度测频，性能稳定、数据处理精确。

微处理模块包括MSP430F5438单片机低功耗MCU、可电擦除可编程只读大容量存储器EEPROM芯片AT24C1024B、时钟电路以及拨码开关，实现无线编码传感器各模块间信息汇总和处理。其中，低功耗MCU选用MSP430系列单片机，具有处理能力强、运行速度快、资源丰富、开发方便等优点；时钟电路选用的芯片是PCF8563，所有的地址和数据通过一个双向两线I2C总线串行传输，芯片最大总线速度为400kbits/s；EEPROM采用的是AT24C1024,提供1,048,567位的串行可电擦除和可编程只读存储器,该设备适合用于许多工业和商业，应用必要的低功耗和低电压的操作；拨码开关用于设置无线通信选用的无线频段以及中心站本身的板号。

通信模块包括RS485通信串口以及无线接口。无线部分采用中功率无线传输模块RFC-1100A及吸盘天线，工作于433MHz开放ISM频段免许可证使用。电源模块使传感器可外接220V交流/24V直流供电并有充电储备，为整个编码器供能的同时可抗工频50Hz干扰。

本发明的有益效果是针对传统录井编码器的不足，提出新型无线化改进方案，并选用CPLD集成芯片和MSP430单片机完成模块化嵌入式系统硬件设计，并创新性地提出了八倍频高精度编码信号检测算法。无线编码器具有两路编码信号输入接口，可输入0-200Hz、4-20(mA)电流信号或0-10(V)电压信号，测量精度高于0.01Hz，实现对石油钻井绞车设备的编码信号检测、方向判断以及八倍频测频计数。系统采用多通信接口设计，包括：485通信串口和无线通信，可实现数据向数据显示PC或监控中心的数据收发。

基于本发明提出的石油钻井绞车设备的无线编码器及其编码算法，该无线编码器具有体积小、易布设、易拆装、低功耗、可靠性强、编码灵活、检测精度高等特点，编码算法在普通四倍频算法基础上进行优化和创新，算法简洁、改善了多信号延时不同导致的误计和漏计现象，提高了编码计数的稳定度和精度，实现了高精度八倍频测量。该无线编码器及其编码算法市场前景广阔、具有普遍的实用价值。

附图说明

图1是石油钻井绞车设备的无线编码器结构框图。

图2是基于八倍频计数用于石油钻井绞车设备的编码算法流程图。

图3是石油钻井绞车设备的无线编码器的编码计数效果图。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施。

本发明的石油钻井绞车设备的无线编码器结构框图如图1所示。传感器可由220V交流直接供电或24V直流充电电池供电；正常供电后，外部监控中心PC发来的采集指令经过无线被传感器的通信模块接收并传送给微处理模块；编码测频模块处于不断采集石油钻井绞车设备发出的编码信号的状态，并由CPLD集成芯片完成对编码信号的方向判别及8倍频高精度测频，当其接收到外部采集指令后，微处理模块整合信息后根据拨码开关设置的板号，相对延时后逐一将提取的信息通过无线传输方式向外发送给监控中心，编码器本身回到不断采集数据的状态，等待下一次采集指令的到来。另外由于现场环境复杂，无线通讯可能受干扰出现通讯异常，RS485接口作为应急备用接口，可以与无线模块同步工作，通过串口调试助手监测数据。

本发明的基于八倍频计数用于石油钻井绞车设备的编码算法流程图如图2所示。算法初始时对置零信号进行判断，置零信号为’1’时，编码计数器清零；置零信号为’0’时，判断触发计数时钟的边沿。当高频触发计数时钟到达上升沿时，由两路原编码信号ENCODER_A/ENCODER_B分别、逐级产生延时信号A/A1/A2和B/B1/B2，其中A1相对A延时一个触发时钟周期、A2相对A1延时一个触发时钟周期，B/B1/B2间延时关系同理。当高频触发计数时钟到达下降沿时，对A/A1/A2和B/B1/B2六路延时信号进行电平判断，根据正反转时不同的逻辑关系，计数器进行相应的计数，最后将方向判别和八倍频计数结果输出。

使用伪代码描述该算法如下：

开始

若RESET为1

使ENCODER=0

否则RESET为0，执行下列操作：

若CLK为下降沿，执行下列操作：

使ENCODER_A赋值给A；ENCODER_B赋值给B；

使A赋值给A1；使B赋值给B1；

使A1赋值给A2；使B1赋值给B2。

若CLK为上升沿，执行下列操作：

若（A/A1/A2/B=“1000”或“1100”或“0111”或“0011”）

或者（B/B1/B2/A=“1001”或“1101”或“0110”或“0010”）

使ENCODER=ENCODER+1

否则，若（A/A1/A2/B=“1001”或“1101”或“0110”或“0010”）

或者（B/B1/B2/A=“1000”或“1100”或“0111”或“0011”）

使ENCODER=ENCODER-1

输出ENCODER的值

结束

其中，RESET为置零信号，ENCODER为编码计数器计数值，CLK为外部触发计数时钟，ENCODER_A/ENCODER_B为原编码信号，A/A1/A2/B/B1/B2为用于编码逻辑判断及计数的六路延时信号，信号值‘1’代表高电平，信号值‘0’代表低电平。

本发明的无线编码器的编码计数效果图如图3所示。触发计数时钟CLK为高频脉冲信号，由晶振分频得来，具体实施中使用64KHz实验；原编码信号频率为0-200Hz，远低于触发计数时钟频率，在图中为便于观察，将信号频率差距缩至约9倍。由图左侧可知，在触发计数时钟下降沿时（蓝色虚线标出），由原编码信号ENCODER_A/ENCODER_B产生了对应的延时信号A/A1/A2和B/B1/B2，延时信号的电平变化相对时钟下降沿有相同的微弱延时（此延时由CPLD芯片内部结构决定，远小于触发计数时钟CLK周期，故不影响判断逻辑）。延时信号A/A1/A2之间严格相对延时一个CLK周期，信号B/B1/B2之间同理，这样有效保证了信号时序的稳定性，使触发计数时钟上升沿到来时，所有参与逻辑判断的信号都已达到逻辑明确的电平高度，有效避免了多信号边沿同时到来引起的逻辑混乱，即漏计和误计现象。图3右侧的紫色虚线标出了触发计数时钟CLK下降沿到来时，系统通过对信号A/A1/A2和B/B1/B2的逻辑判断带动编码计数器ENCODER计数的情况，其中向上的箭头表示计数器加1，向下的箭头表示计数器减1，具体逻辑前面已有介绍，不再赘述。

图3正中虚线左侧表现出绞车设备正转情况下，原编码信号ENCODER_A超前ENCODER_B相位90度，一个周期内编码计数器八倍频累加的变化情况；红色虚线右侧表现出绞车设备反转情况下，原编码信号ENCODER_A滞后ENCODER_B相位90度，一个周期内编码计数器八倍频递减的变化情况。

Claims

1.一种用于石油钻井绞车设备的编码方法，是基于八倍频计数用于石油钻井绞车设备的编码方法，其特征在于：将两路相差90度的编码信号A和编码信号B使用外部触发计数时钟的上升沿构造六路相对编码信号A和编码信号B的延时信号，分别为延时信号A、延时信号A1、延时信号A2和延时信号B、延时信号B1、延时信号B2,其中延时信号A1相对延时信号A延时一个触发时钟周期、延时信号A2相对延时信号A1延时一个触发时钟周期，延时信号B、延时信号B1、延时信号B2间延时关系同理；由于绞车正转时脉冲到来的时间顺序为：延时信号A→延时信号A1→延时信号A2→延时信号B→延时信号B1→延时信号B2；绞车反转时脉冲到来的时间顺序为：延时信号B→延时信号B1→延时信号B2→延时信号A→延时信号A1→延时信号A2，每种转向分别对应这六路信号的8种电平关系从而实现绞车设备编码信号的八倍频精确测量。

2.一种利用权利要求1所述的编码方法进行编码的无线编码器，其特征在于:该无线编码器包括编码测频模块、微处理模块、通信模块和电源模块共四个部分，其中编码测频模块包括电压隔离单元和编码测频计数单元，其接收来自石油钻井绞车设备的编码信号，该信号经过电压隔离单元后进入编码测频计数单元，并由编码测频单元进行八倍频计数和编码；微处理模块包括低功耗MCU、可电擦除可编程只读大容量存储器、时钟电路及拨码开关，其对无线编码器各模块之间的信息进行汇总和处理。

3.根据权利要求2所述的无线编码器，其特征在于：所述的通信模块的通信接口包括无线通信接口及RS485通信串口，两种接口均与微处理模块MCU采用总线形式连接，其中无线通信接口采用中功率无线传输模块及吸盘天线，工作于433MHz开放ISM频段免许可证使用；电源模块采用220交流电转直流以及24V电池组直接直流供电双模式。

4.根据权利要求2或3所述的无线编码器，其特征在于：所述的编码测频计数单元采用CPLD EPM240芯片完成编码八倍频高精度测频。

5.根据权利要求2或3所述的无线编码器，其特征在于：所述的低功耗MCU为MSP430系列单片机，所述的可电擦除可编程只读大容量存储器为AT24C1024芯片。

6.根据权利要求4所述的无线编码器，其特征在于：所述的低功耗MCU为MSP430系列单片机，所述的可电擦除可编程只读大容量存储器为AT24C1024芯片。

7.根据权利要求3或6所述的无线编码器，其特征在于：所述的中功率无线传输模块的型号为RFC-1100A。

8.根据权利要求4所述的无线编码器，其特征在于：所述的中功率无线传输模块的型号为RFC-1100A。

9.根据权利要求5所述的无线编码器，其特征在于：所述的中功率无线传输模块的型号为RFC-1100A。