一种用于光纤陀螺油井测斜仪的信号处理装置的制作方法

本实用新型涉及一种用于光纤陀螺油井测斜仪的信号处理装置，属于原油开采仪器技术领域。

背景技术：

在原油开采钻井初期，由于没有套管的影响，传统的方法是采用磁通门配合其它仪器完成油井井迹的测量。在油井下完套管后，由于受套管屏蔽地磁场的影响，再采用磁通门配合其它仪器已经无法完成油井井迹的测量。因此传统方法不适应油井下套管后的测试，制约了油井的后期开发和生产。

为了解决上述技术问题，前后出现了采用动力调谐陀螺仪与加速度计结合的定点测斜仪和连续测斜仪。但由于动力调谐陀螺仪不适应井下的恶劣工作环境，仪器在使用中很容易损坏，严重影响仪器的正常使用。随着高精度光纤陀螺技术的日益成熟，光纤陀螺油井测斜仪已经成为发展趋势。光纤陀螺油井测斜仪是一种利用光纤陀螺和加速度计作为方位传感器测量井眼倾斜角及方位的油井测量仪器。光纤陀螺油井测斜仪中的信号处理电路是仪器的重要组成部分。

但现有的信号处理电路多采用单片机作为核心部件，单片机与很多外围电路连接，电路复杂，电路体积庞大，电路布板难度大，功耗较大，难以适应井下严酷的热应力。且数据处理能力较弱，难以满足大量浮点运算所产生的时延。另外现有信号处理电路存储器容量小，无法记录仪器完整的工作过程，不利于后期对环境信息的分析。

因此，现有技术还存在一些缺陷和不足，有待进一步改进。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种用于光纤陀螺油井测斜仪的信号处理装置，以提高光纤陀螺油井测斜仪信号处理电路的井下适应能力，并完整记录仪器在井下的工作过程，为后期的信息分析提供依据，同时简化信号处理电路结构，降低仪器的维护成本，从而克服现有技术的不足。

为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

本实用新型的一种用于光纤陀螺油井测斜仪的信号处理装置，包括信号处理电路和外围设备；信号处理电路包括DSP芯片和DC/DC模块，DSP芯片的串行外设接口SPI与FLASH存储器双向连接；DSP芯片的串行通信接口SCI与隔离接收模块连接；DSP芯片的正交编码脉冲接口QEP与波形整形模块连接；脉冲宽度调制PWM接口经光耦隔离模块与驱动放大电路连接，驱动放大电路的电流信号经运算放大模块与DSP芯片的数字模拟信号转换接口A/D连接；DSP芯片上设有输入/输出接口I/O；所述外围设备包括数据采集电路、直流电机、光电编码器和WTS通讯短节；数据采集电路与信号处理电路中的隔离接收模块连接；直流电机与信号处理电路中驱动放大电路的输出信号连接，直流电机输出轴的尾部安装有光电编码器，光电编码器的信号输出端与信号处理电路中的波形整形模块连接；WTS通讯短节一端与信号处理电路中DSP芯片的输入/输出接口I/O连接，WTS通讯短节另一端与地面测试系统连接。

前述信号处理装置中，所述DSP芯片采用TI公司的TMS320F2812型芯片。

前述信号处理装置中，所述FLASH存储器采用64M大容量FLASH存储器。

前述信号处理装置中，所述隔离接收模块采用HCPL-5231高速光耦，将接收数据采集电路的差分信号RX+、RX-转换为无极性的RX单端信号输入DSP芯片的串行通信接口SCI接口。

前述信号处理装置中，所述光电编码器采用SCANCON公司的微型空心轴编码器，直流电机旋转一周产生1024个脉冲；光电编码器设有A、B和Z三个通道，A和B通道正交，每个通道有负载时输出最大输出电流为20mA，空载为30mA；输出信号兼容TTL电平。

前述信号处理装置中，所述驱动放大电路的电流信号采用采样电阻R1采样，并经电流传感器转换成电流信号与运算放大器连接；电阻R1阻值为0.1Ω，精度为±0.25％。

由于采用了上述技术方案，本实用新型与现有技术相比，本实用新型的信号处理电路由串行外设接口SPI驱动64M大容量FLASH存储器，可完全记录产品在一次下井所产生的各种姿态数据，以便后续回放分析数据，掌握产品真实工况；本实用新型DSP芯片采用自带的正交编码脉冲接口QEP接收光电编码器的信号可实现转位机构的半闭环控制，增强寻北精度，提高产品性能；本实用新型采用直流电机电流检测机制，使直流电机控制更加安全可靠，在转位机构转为至堵转位置处自动断电，减少由于控制电机而产生的功耗，提高了电机的使用寿命，增强了系统的安全性；本实用新型DSP芯片采用自带的脉冲宽度调制PWM接口对直流电机进行调速控制，有效减少了外围电路，使直流电机控制更加经济和便于调速，有效减少直流电机转速过大所产生的过冲，提高了产品精度；本实用新型的光耦隔离模块使得转位部分电源地和数字部分电源地完全隔离开，大大增强了数字信号处理电路的电源环境，提高了产品抗干扰能力，增强了产品可靠性。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图；

图2是数据采集电路与信号处理电路连接的原理图；

图3是光电编码器的示意图；

图4是脉冲计数时序图；

图5是电机反转时T2CNT计数示意图；

图6是电流信号检测框图；

图7是PWM脉冲示意图；

图8是周期性PWM矩形脉冲示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的详细说明。

本实用新型的一种用于光纤陀螺油井测斜仪的信号处理装置，如图1所示，包括信号处理电路和外围设备；信号处理电路包括DSP芯片和DC/DC模块，DSP芯片采用TI公司的TMS320F2812型芯片。DSP芯片的串行外设接口SPI与FLASH存储器双向连接；FLASH存储器采用64M大容量FLASH存储器。DSP芯片的串行通信接口SCI与隔离接收模块连接；DSP芯片的正交编码脉冲接口QEP与波形整形模块连接；脉冲宽度调制PWM接口经光耦隔离模块与驱动放大电路连接，驱动放大电路的电流信号经运算放大模块与DSP芯片的数字模拟信号转换接口A/D连接；DSP芯片上设有输入/输出接口I/O。所述外围设备包括数据采集电路、直流电机、光电编码器和WTS通讯短节；数据采集电路与信号处理电路中的隔离接收模块连接；直流电机与信号处理电路中驱动放大电路的输出信号连接，直流电机输出轴的尾部安装有光电编码器，光电编码器的信号输出端与信号处理电路中的波形整形模块连接；WTS通讯短节一端与信号处理电路中DSP芯片的输入/输出接口I/O连接，WTS通讯短节另一端与地面测试系统连接。

前述隔离接收模块采用HCPL-5231高速光耦，将接收数据采集电路的差分信号RX+、RX-转换为无极性的RX单端信号输入DSP芯片的串行通信接口SCI接口。前述光电编码器采用SCANCON公司的微型空心轴编码器，直流电机旋转一周产生1024个脉冲；光电编码器设有A、B和Z三个通道，A和B通道正交，每个通道有负载时输出最大输出电流为20mA，空载为30mA；输出信号兼容TTL电平。前述电流信号采用采样电阻R1采样，并经电流传感器转换成电流信号与运算放大器连接；电阻R1阻值为0.1Ω，精度为±0.25％。

实施例

本例用于光纤陀螺油井测斜仪的信号处理装置，主要完成陀螺加表串行数据接收、原始数据滤波、初始导航矩阵和连续导航矩阵的解算、导航过程数据存储、寻真北转位机构的半闭环控制、光电编码器信号的获取、驱动曼码芯片的串行数据输出等功能。

用于光纤陀螺油井测斜仪的信号处理装置组成如图1所示。由虚线框内的信号处理电路和位于虚线框外的外围设备构成。信号处理电路由用于接收数据采集电路的隔离接收模块、用于接收直流电机带动的光电编码器反馈信号的波形整形模块、用于采集并放大直流电机驱动电流的运算放大电路、驱动放大电路、FLASH存储器和DC/DC转换模块等部分组成。

上述各部件的工作过程及原理如下：

隔离接收模块采用RS-422通讯协议用于接收数据采集电路的数据。因隔离接收模块只接收数据，并不向数据采集电路发送信息，所以隔离接收模块采用单工模式。为使双方便于配置通用的波特率，采用与10M或40M时钟整数倍的波特率为125kbps，2812DSP的SCIA和SCIB两个异步串口控制器各有16个FIFO，每个可配置为16位宽，数据采集电路至信号处理电路的信息量至少为24字节，DSP芯片在接受数据采集电路的数据时采用中断接收方式，为减少频繁中断响应产生系统开销，中断触发条件可设置为12个字节。通讯原理框图如图2所示，光电隔离电路采用HCPL-5231高速光耦，将差分信号RX+、RX-转换为无极性的RX单端信号，输入DSP芯片的SCI接口。

光电编码器脉冲接收电路如图3所示。为使电机控制实现半闭环控制，提高控制精度，在电机的尾部加装SCANCON公司的微型空心轴编码器，订货编号为：2MCH-1024-D-2.0-64-01，电机旋转一周的脉冲数为1024个脉冲，共A、B和Z三个通道，A和B正交，每个通道输出最大电流为20mA(有负载)，空载为30mA。工作温度为-20℃～+70℃，输出信号兼容TTL电平，供电电源+5V～+12V。

采用正交编码脉冲接口QEP进行脉冲计数。TI公司型号为TMS320F2812的DSP芯片，它的正交编码脉冲接口QEP和捕获单元共用输入引脚，分别为CAPl/QEPl、CAP2/QEP2、CAP3/QEPIl(对于EVA)，CAP4/QEP4、CAP5/QEP5、CAP6/QEPI2(对于EVB)，可以通过设置相应的捕获单元控制寄存器使正交编码脉冲接口QEP开启捕获功能。正交编码脉冲接口QEP可以对固定在直流电机轴上的光电编码器产生的正交编码脉冲A、B路信号进行解码和计数，从而获得电机的位置和速率等信息。

光电编码器的正交编码脉冲输入到DSP芯片的CAPl/QEPl、CAP2/QEP2脚，通常选择通用定时器T2(EVA)对输入的正交脉冲进行解码和计数。要使正交编码脉冲接口QEP正常工作，必须使T2工作在定向增/减模式，在此模式下，正交编码脉冲接口QEP不仅为定时器T2提供计数脉冲，而且还决定了它的计数方向。正交编码脉冲接口QEP对输入的正交编码脉冲的上升沿和下降沿都进行计数，因此对输入的正交编码脉冲进行4倍频后作为T2的计数脉冲，并通过正交编码脉冲接口QEP的方向检测逻辑确定哪个脉冲序列相位超前，然后产生一个方向信号作为T2的方向输入，当电机正转时，T2增计数，当电机反转时，T2减计数。正交编码脉冲、定时器计数脉冲及计数方向时序逻辑如图4所示。

在QEP模式下，T2CNT计数到边沿时将自动翻转，当增计数到ffffh时将返回0重新开始增计数，当减到O时，翻转到ffffh重新开始减计数，由于在采样时间内计数脉冲的数目远小于T2CNT的周期数ffffh，所以在增/减计数过程中至多有一次翻转，图5描述了电机反转时T2CNT的计数示意图。

通过正交编码脉冲接口QEP实现电机位置检测。DSP/QEP电路将编码器送过来的脉冲数转换为绝对的转子轴机械位置，绝对的转子轴机械位置将存放在变量θm中。通过每一次采样周期△t内T2的计数脉冲的改变量δ，可以得到相应的位置增量△θm。如上图所示：f(t)和f(t+△t)分别表示两次相邻采样时刻的值，那么在△t时间内电机转子旋转的机械角度为：

式中：P为电机旋转一圈T2CNT的脉冲计数值。当T2增计数无翻转时，δ＝f(t+△t)-f(t)当T2增计数有翻转时，δ＝f(t+△t)-f(t)65536，此时θm＝θm+△θm。当T2减计数无翻转时，δ＝-[f(t+△t)-f(t,)]当T2减计数有翻转时，δ＝-[f(t)-f(t+△t)+65536]，此时θm＝θm-△θm。

直流电机的电流信号检测电路

直流电机控制转位机构实现0°、90°和180°等位置的精准控制，0°和180°采用机械销钉锁定，堵转锁定使电机发热过快，致使环境温升过快，不利于产品保温效果，额定工况下，锁定时电机堵转电流较大，约0.305A，持续时间可达10分钟，但是堵转时对变速箱的影响较大，加快了变速箱的机械损耗，所以堵转是不可能用最大堵转电流来判断，而是用能表征电机堵转的电流判断，约0.25A，具体数值依据标定结果而定。

电流信号检测框图如图6所示。图6中的电阻R1为采样电阻。为尽量减少外围电路产生的功耗，R1的电流信号经过差分放大为2812的ADC模块能处理的0.0V～3.0V单极性电压信号，经过2812 12位的模数转换(ADC)采集到的数据＝(输入电压-ADCLO)×4095/3，电流传感器选用MAXIM公司的MAX4071UA，该器件输出误差低于1.5％，1.35V～24V单电源供电，内部参考为1.5V，关闭模式消耗电流为10uA,在不使用电机的时间段可操作该芯片为关闭模式，温度范围为-40℃到+125℃,差分输入电压的绝对值为0.3V。

通过R1的满刻度电流设计值为0.25A,实际最大值为0.305A,通过公式I＝0.3V/(R1+Rtrace),Rtrace为R1的允许阻值偏差，选择精度为±0.25％的电阻，MAX4071芯片设置100倍的电压增益，经计算R1取0.1Ω。电机额定电流为0.168A,若经100倍放大，ADC采集到的电压值经公式V＝I×R1×100计算，额定状况下约为1.68V，堵转情况下约为2.5V。

根据PWM控制的基本原理可知，一段时间内加在惯性负载两端的PWM脉冲与相等时间内冲量相等的直流电加在负载上的电压等效，那么如果在短时间T内脉冲宽度为,幅值为U，由图7可求得此时间内脉冲的等效直流电压为：

若令即为占空比，则上式可化为：

U0＝α×U (U为脉冲幅值)

若PWM脉冲为如图8所示周期性矩形脉冲，那么与此脉冲等效的直流电压的计算方法与上述相同，即：

由上式可知，要改变等效直流电压的大小，可以通过改变脉冲幅值U和占空比来实现，因为在该系统设计中脉冲幅值一般是恒定的为I/O电压3.3V，所以通过控制占空比的大小实现等效直流电压在0～U之间任意调节，从而达到利用PWM控制技术实现对直流电机转速进行调节的目的。

由此可见本实用新型的技术方案简单实用，硬件电路简单，装置中的主要元器件均采用低功耗的元器件，功耗低。且尽量简化电路复杂程度，降低电路功耗。从而降低了整个装置的制作成本，能满足现在油田测试的性能指标要求。

本实用新型的装置具有高可靠性、高可维护性、高效率、低功耗、低成本、高抗干扰性。本实用新型的装置不同于进口用单片机实现外围电路控制，也不同于传统用大量外设芯片实现外围设备的控制，本实用新型本着控制可靠性强、操作方便、成本低廉、功耗低的设计原则，具有技术先进性。在国内尚无人这样设计，且该电路具有结构简单、重量轻、性价比高、结构组件间易拆卸使可维护性大大增强。