CN114427434B - 基于时钟管理的井下低功耗管理方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于时钟管理的井下低功耗管理方法，其包含：依据井下仪器需要实现的功能，进行时钟工作模式划分以完成时钟初始化设置；对需要时钟信号的外设器件进行使能控制端口的对应性设定以完成外设使能端初始化设置；根据井下仪器的工作流程以及每个工作流程所需要实现的功能，确定每个工作流程对应的时钟工作模式以及使能端控制方式。本发明提供的基于时钟管理的井下低功耗管理方法及装置能够作为随钻测量(测井)仪器的基础平台，进行功能开发和扩展，可大幅降低仪器功耗，从而延长电池使用寿命，减少由于电量耗尽造成的起下钻等非钻进时间，提高钻进速度和生产效益，可成功移植和应用于高温电路系统的设计领域。

Description

基于时钟管理的井下低功耗管理方法及装置

技术领域

本发明涉及随钻测量仪器和随钻测井仪器技术领域，具体地说，涉及一种基于时钟管理的井下低功耗管理方法及装置。

背景技术

随钻测量(MWD)和随钻测井(LWD)可以提供地质和定向参数，便于进行井眼轨迹调整，可提高钻遇率。随钻测量(测井)仪器在入井工作时多使用电池供电，电池电量消耗完毕后需起钻更换电池，然后下钻继续工作。

在实际的施工作业过程中，仪器功耗和电池电量共同制约着钻进速度和作业时间。井下电路的功耗不仅直接影响着电池的使用寿命、仪器的使用成本和钻进施工速度，也是制约高温电路设计的关键因素。因此，对井下电路进行功耗管理，实现随钻测量(测井)仪器的低功耗运行，至关重要。

因此，本发明提供了一种基于时钟管理的井下低功耗管理方法及装置。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种基于时钟管理的井下低功耗管理方法，所述方法包含以下步骤：

步骤一：依据井下仪器需要实现的功能，进行时钟工作模式划分以完成时钟初始化设置；

步骤二：对需要时钟信号的外设器件进行使能控制端口的对应性设定以完成外设使能端初始化设置；

步骤三：根据井下仪器的工作流程以及每个工作流程所需要实现的功能，确定每个工作流程对应的时钟工作模式以及使能端控制方式。

根据本发明的一个实施例，所述步骤一中具体包含以下步骤：

依据井下仪器不同功能下对于时钟信号的需求程度，划分得到多种时钟工作模式，包含第一时钟工作模式、第二时钟工作模式以及第三时钟工作模式。

根据本发明的一个实施例，所述步骤一中具体包含以下步骤：

为每个时钟工作模式匹配对应的时钟源，所述时钟源包含第一时钟源以及第二时钟源。

根据本发明的一个实施例，在所述第一时钟工作模式下，采用第一时钟源，支持井下仪器进行高速采集、高速通信、高速运算以及时钟频率的高精度控制。

根据本发明的一个实施例，在所述第二时钟工作模式下，采用第二时钟源，支持井下仪器进行低速采集、低速通信以及低速运算。

根据本发明的一个实施例，在所述第三时钟工作模式下，关闭所有时钟源，支持通过外部信号唤醒井下仪器。

根据本发明的一个实施例，所述步骤一中具体包含以下步骤：

确定每个时钟工作模式下的多种时钟频率以及分别与每一时钟频率适配的外设器件。

根据本发明的一个实施例，所述步骤三中具体包含以下步骤：

依据井下仪器的工作流程确定功能运行时序，所述功能运行时序包含井下仪器在进行功能实现时的功能切换时间节点；

基于所述功能切换时间节点，选定每个时间区间内的时钟工作模式以及所需启用的外设器件；

基于所需启用的外设器件确定与其对应的时钟工作模式下的时钟频率。

根据本发明的一个实施例，所述方法还包含：

在进行时钟工作模式切换时，关闭所有外设器件的使能控制端口；

确定下一个时钟工作模式对应的外设器件及其对应的时钟频率，以确定使能端控制方式。

根据本发明的另一个方面，还提供了一种基于时钟管理的井下低功耗管理装置，所述装置包含：

第一模块，其用于依据井下仪器需要实现的功能，进行时钟工作模式划分以完成时钟初始化设置；

第二模块，其用于对需要时钟信号的外设器件进行使能控制端口的对应性设定以完成外设使能端初始化设置；

第三模块，其用于根据井下仪器的工作流程以及每个工作流程所需要实现的功能，确定每个工作流程对应的时钟工作模式以及使能端控制方式。

本发明提供的基于时钟管理的井下低功耗管理方法及装置能够作为随钻测量(测井)仪器的基础平台，进行功能开发和扩展，可大幅降低仪器功耗，从而延长电池使用寿命，减少由于电量耗尽造成的起下钻等非钻进时间，提高钻进速度和生产效益，可成功移植和应用于高温电路系统的设计领域。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1显示了根据本发明的一个实施例的基于时钟管理的井下低功耗管理方法流程图；

图2显示了根据本发明的另一个实施例的基于时钟管理的井下低功耗管理方法流程图；

图3显示了根据本发明的一个实施例的进行时钟工作模式切换时的方法流程图；以及

图4显示了根据本发明的一个实施例的基于时钟管理的井下低功耗管理装置结构框图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合附图对本发明实施例作进一步地详细说明。

图1显示了根据本发明的一个实施例的基于时钟管理的井下低功耗管理方法流程图。

如图1，在步骤S101中，依据井下仪器需要实现的功能，进行时钟工作模式划分以完成时钟初始化设置。

具体来说，步骤S101中包含：依据井下仪器不同功能下对于时钟信号的需求程度，划分得到多种时钟工作模式，包含第一时钟工作模式、第二时钟工作模式以及第三时钟工作模式。

具体来说，步骤S101中包含：为每个时钟工作模式匹配对应的时钟源，时钟源包含第一时钟源以及第二时钟源。

具体来说，步骤S101中包含：确定每个时钟工作模式下的多种时钟频率以及分别与每一时钟频率适配的外设器件。具体来说，时钟源提供外设器件需要的时钟信号，每个外设器件有其适配的时钟信号的时钟频率。

在一个实施例中，通过MCU(Microcontroller Unit，微控制单元)进行三种工作模式的时钟初始化设置，其中高速态可根据实际情况设置多种时钟频率，以适配不同的传感器和芯片等外设器件。

如图1，在步骤S102中，需要时钟信号的外设器件进行使能控制端口的对应性设定以完成外设使能端初始化设置。

在一个实施例中，根据不同的传感器、AD芯片等外设器件设定相应的使能控制端口，以实现外设模块的外设使能端初始化设置，能够实现对外设器件的精确控制，进一步降低功耗。

如图1，在步骤S103中，根据井下仪器的工作流程以及每个工作流程所需要实现的功能，确定每个工作流程对应的时钟工作模式以及使能端控制方式。

在一个实施例中，在第一时钟工作模式下，采用第一时钟源，支持井下仪器进行高速采集、高速通信、高速运算以及时钟频率的高精度控制。

在一个实施例中，在第二时钟工作模式下，采用第二时钟源，支持井下仪器进行低速采集、低速通信以及低速运算。

在一个实施例中，在第三时钟工作模式下，关闭所有时钟源，支持通过外部信号唤醒井下仪器。

针对井下仪器的主要功能(参数测量、传输、控制等)和工作流程，以时钟的动态管理为基础，将时钟工作模式划分为三种：高速态、低速态、空闲态。在一个实施例中，第一时钟工作模式配置为高速态，第二时钟工作模式配置为低速态，第三时钟工作模式配置为空闲态。

在一个实施例中，由PLL(PhaseLockedLoop，锁相环)和晶振为井下仪器提供时钟源。具体来说，第一时钟源采用PLL，第二时钟源采用晶振。

具体来说，高速态由PLL为井下仪器中的CPU和传感器等外设提供时钟源，高速态主要应用于测量信号的高速采集、高速通信、CPU的高速运算、时钟频率的高精度控制等工作场景。

具体来说，低速态由晶振为井下仪器中的CPU和传感器等外设提供时钟源，低速态主要应用于信号的低速采集、低速通信、低速运算等工作场景。

具体来说，空闲态关闭井下仪器中的CPU和外设器件的时钟源，通过外部唤醒信号唤醒CPU，以重新回到高速态或低速态，空闲态主要对应于井下仪器运行的空闲延时时段，无任何信号采集、计算任务需处理。

在一个实施例中，井下仪器的采集过程特指测量模块对原始信号的采样，在成像测量或要求的测量精度较高时，需要进行高频高速采样，如采样频率达到1KHz及以上，对应于高速采集工作场景；若要求的测量精度较低，或非成像测量模式，仅需低频采样即可，如采样频率100Hz，对应于低速采集工作场景。

在一个实施例中，井下仪器的通信过程包括MWD(EM-MWD)与测量模块的通信，在获取成像数据和其他数据量较大的测量参数时，为确保井下仪器的工作流程运转正常，需采用较高通信速率，对应于高速通信；数据量较小时可采用较低的通信速率，对应于低速通信。

在一个实施例中，井下仪器的另一种通信情况为测量模块出井后的数据回放，PC端软件通过通信串口读取存储的数据，因此需提高通信速率，以减少数据读取和回放时间。

在一个实施例中，井下仪器的运算过程指的是井下数据的处理和计算，当数据量巨大时需提高运算和处理速度，不同的计算数据量分别对应高速运算以及低速运算。

在一个实施例中，井下仪器的时钟频率的高精度控制是指，当通信双方分别使用不同时钟源，但数据的采集和处理周期需完全一致时，在时钟源频率较高时，方可实现特定周期的精确调整和控制，否则双方的时钟周期无法调整为一致，误差较大。

当井下仪器为随钻测量仪器时：定向测量模块对原始信号进行周期性采集、处理和计算，以获取井斜、方位、工具面、重力、磁场等定向参数，采集和处理过程需进行信号高频高速采样、采样数据的滤波处理数据计算量巨大，均需要采用第一时钟工作模式，以适配测量模块的工作流程和功能。

采样及处理后的数据，通过计算获得定向参数，在MWD(EM-MWD)发送指令后向其回复定向参数，参数的计算数据量较小，与MWD的通信速率较低，可采用第二时钟工作模式，适配当前流程和功能。

定向测量模块完成采集、处理、计算和通信等功能之外，处于空闲状态，可采用第三时钟工作模式。

同理，MWD(EM-MWD)的信号编码和驱动控制(发射)可采用第一时钟工作模式，与测量模块的通信、接收地面软件的配置等功能可采用第二时钟工作模式，非工作时的空闲状态采用第三时钟工作模式。

在进行时钟频率适配时涉及AD、传感器、RTC(实时时钟)、存储等多种芯片，根据不同芯片的数据手册所示，不同芯片工作需提供不同频率的时钟源，以此为依据进行时钟频率设置。

如图1所示的方法流程图可以用来架构井下低功耗管理系统，并使得井下低功耗管理系统作为随钻测量(测井)仪器的基础平台，可在此基础上进行功能扩展，形成功能完善的随钻测量(测井)仪器。

图2显示了根据本发明的另一个实施例的基于时钟管理的井下低功耗管理方法流程图。

如图2，在步骤S201中，依据井下仪器的工作流程确定功能运行时序，功能运行时序包含井下仪器在进行功能实现时的功能切换时间节点。

具体来说，井下仪器在不同时间需要完成不同的功能，在步骤S201中，首先确定井下仪器的工作流程，进而得到功能运行时序，功能运行时序包含各个功能实现的时间以及功能切换时间节点。

如图2，在步骤S202中，基于功能切换时间节点，选定每个时间区间内的时钟工作模式以及所需启用的外设器件。

具体来说，功能切换时间节点将运行时序划分成了多个时间区间，每个时间区间内井下仪器完成对应的功能，在步骤说S202中，依据每个时间区间内需要完成的功能选定时钟工作模式以及所需启用的外设器件。

如图2，在步骤S203中，基于所需启用的外设器件确定与其对应的时钟工作模式下的时钟频率。

具体来说，每个外设器件都有其适应的时钟频率，在确定时钟工作模式后，需要在步骤S203中选定与外设器件适配的时钟频率。

总结来说，根据井下仪器的功能和工作流程，在进行流程设计时，将相应流程和功能划定相应的时钟工作模式。通过固件进行井下仪器的功能实现时，由MCU控制CPU和外设器件进入不同的时钟工作模式，在实现特定功能前，进行时钟频率的选择和外设使能控制端的开关控制。

图3显示了根据本发明的一个实施例的进行时钟工作模式切换时的方法流程图。

在一个实施例中，在进行时钟工作模式切换时，关闭所有外设器件的使能控制端口，确定下一个时钟工作模式对应的外设器件及其对应的时钟频率，以确定使能端控制方式。

具体来说，在步骤S301中，井下仪器处于时钟工作模式1，在时钟工作模式1下通过步骤S302实现功能A，若需要进行时钟工作模式的切换需要在步骤S303中，关闭所有外设器件的使能控制端口，防止毛刺。

接着，在步骤S304中，设置时钟源及时钟频率。

具体来说，选定下一个时钟工作模式对应的时钟源作为当前时钟源，再依据下一时钟工作模式下所需启用的外设器件选定适配的时钟频率。

在步骤S305中，开启相应外设器件的使能控制端口。

具体来说，在确定时钟工作模式、时钟源以及时钟频率之后，开启相应外设器件的使能控制端口。

在步骤S306中，转换到时钟工作模式2。

在步骤S307中，实现功能B。

具体来说，在时钟工作模式2下，通过选定的外设器件、时钟源以及时钟频率实现功能B。

总结来说，不同时钟工作模式转换时时钟电路可能会出现毛刺，为避免毛刺对外设器件(传感器、AD芯片等)的不良影响，在时钟工作模式转换前，首先关闭所有外设的使能控制端口，再进行时钟频率的选择，然后根据运行时序通过使能端控制外设模块的运行。

图4显示了根据本发明的一个实施例的基于时钟管理的井下低功耗管理装置结构框图。

如图4，井下低功耗管理装置400包含第一模块401、第二模块402以及第三模块403。

具体来说，第一模块401用于依据井下仪器需要实现的功能，进行时钟工作模式划分以完成时钟初始化设置。

具体来说，第二模块402用于对需要时钟信号的外设器件进行使能控制端口的对应性设定以完成外设使能端初始化设置。

具体来说，第三模块403用于根据井下仪器的工作流程以及每个工作流程所需要实现的功能，确定每个工作流程对应的时钟工作模式以及使能端控制方式。

综上，本发明提供的基于时钟管理的井下低功耗管理方法及装置能够作为随钻测量(测井)仪器的基础平台，进行功能开发和扩展，可大幅降低仪器功耗，从而延长电池使用寿命，减少由于电量耗尽造成的起下钻等非钻进时间，提高钻进速度和生产效益，可成功移植和应用于高温电路系统的设计领域。

应该理解的是，本发明所公开的实施例不限于这里所公开的特定结构、处理步骤或材料，而应当延伸到相关领域的普通技术人员所理解的这些特征的等同替代。还应当理解的是，在此使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而并不意味着限制。

说明书中提到的“一个实施例”或“实施例”意指结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，说明书通篇各个地方出现的短语“一个实施例”或“实施例”并不一定均指同一个实施例。

虽然本发明所公开的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所公开的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (9)

1.一种基于时钟管理的井下低功耗管理方法，其特征在于，用来架构井下低功耗管理系统，并使所述井下低功耗管理系统作为随钻测量或随钻测井仪器的基础平台，进行功能开发和扩展，能够应用于高温电路系统，所述方法包含以下步骤：

步骤一：依据井下仪器需要实现的功能，进行时钟工作模式划分以完成时钟初始化设置；

步骤二：对需要时钟信号的外设器件进行使能控制端口的对应性设定以完成外设使能端初始化设置；

步骤三：根据井下仪器的工作流程以及每个工作流程所需要实现的功能，确定每个工作流程对应的时钟工作模式以及使能端控制方式；

所述步骤一中具体包含以下步骤：依据井下仪器不同功能下对于时钟信号的需求程度，划分得到多种时钟工作模式，包含第一时钟工作模式、第二时钟工作模式以及第三时钟工作模式，其中，所述第一时钟工作模式支持井下仪器进行高速通信、高速运算以及时钟频率的高精度控制；所述第二时钟工作模式支持井下仪器进行低速通信以及低速运算；所述第三时钟工作模式支持通过外部信号唤醒井下仪器；高速采集的采样频率达到1KHz及以上，低速采集的采样频率对应100Hz；

当井下仪器为随钻测量仪器时，定向测量模块对原始信号进行周期性采集、处理和计算，以获取定向参数，在随钻测量仪器发送指令后向其回复所述定向参数，其中，采集和处理过程需进行信号高频高速采样、采样数据的滤波处理，均需要采用所述第一时钟工作模式；计算过程以及与所述随钻测量仪器的通信过程，采用所述第二时钟工作模式；所述定向测量模块完成采集、处理、计算和通信之外，处于空闲状态，采用所述第三时钟工作模式；

所述方法根据井下仪器的功能和工作流程，在进行流程设计时，将相应流程和功能划定相应的时钟工作模式，通过固件进行井下仪器的功能实现时，由MCU控制CPU和外设器件进入不同的时钟工作模式，在实现特定功能前，进行时钟频率的选择和外设使能控制端的开关控制。

2.如权利要求1所述的基于时钟管理的井下低功耗管理方法，其特征在于，所述步骤一中具体包含以下步骤：

为每个时钟工作模式匹配对应的时钟源，所述时钟源包含第一时钟源以及第二时钟源。

3.如权利要求2所述的基于时钟管理的井下低功耗管理方法，其特征在于，在所述第一时钟工作模式下，采用所述第一时钟源。

4.如权利要求2所述的基于时钟管理的井下低功耗管理方法，其特征在于，在所述第二时钟工作模式下，采用所述第二时钟源。

5.如权利要求2所述的基于时钟管理的井下低功耗管理方法，其特征在于，在所述第三时钟工作模式下，关闭所有时钟源。

6.如权利要求1所述的基于时钟管理的井下低功耗管理方法，其特征在于，所述步骤一中具体包含以下步骤：

确定每个时钟工作模式下的多种时钟频率以及分别与每一时钟频率适配的外设器件。

7.如权利要求1所述的基于时钟管理的井下低功耗管理方法，其特征在于，所述步骤三中具体包含以下步骤：

依据井下仪器的工作流程确定功能运行时序，所述功能运行时序包含井下仪器在进行功能实现时的功能切换时间节点；

基于所述功能切换时间节点，选定每个时间区间内的时钟工作模式以及所需启用的外设器件；

基于所需启用的外设器件确定与其对应的时钟工作模式下的时钟频率。

8.如权利要求1所述的基于时钟管理的井下低功耗管理方法，其特征在于，所述方法还包含：

在进行时钟工作模式切换时，关闭所有外设器件的使能控制端口；

确定下一个时钟工作模式对应的外设器件及其对应的时钟频率，以确定使能端控制方式。

9.一种基于时钟管理的井下低功耗管理装置，其特征在于，执行如权利要求1-8中任一项所述的方法，所述装置包含：

第一模块，其用于依据井下仪器需要实现的功能，进行时钟工作模式划分以完成时钟初始化设置；

第二模块，其用于对需要时钟信号的外设器件进行使能控制端口的对应性设定以完成外设使能端初始化设置；

第三模块，其用于根据井下仪器的工作流程以及每个工作流程所需要实现的功能，确定每个工作流程对应的时钟工作模式以及使能端控制方式。