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本科毕业论文

时间:2018-12-03 13:55:47

  分类号 密级中国地质大学(北京)

  本 科 毕 业 设 计

  题 目 随钻测斜仪中信号处理技术研究英文题目

  学生姓名 杨 森 院(系) 地球物理与信息技术专 业 测控技术与仪器学 号

  指导教师 职 称

  二O一四年五月

  中国地质大学(北京)本科毕业论文

  中国地质大学(北京)本科毕业设计(论文)任务书1

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  摘 要

  伴随着石油行业的发展以及页岩气开发热潮,对石油钻探行业的需求也越来越高,钻探仪器的技术发展也在不断进步。随钻测量技术作为该行业中最为重要的技术之一,具有很高的研究价值。

  实验阶段,主要有静态实验和温度实验,用来验证系统的精度是否达到要求。

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  Abstract

  With the development of the oil and shale gas industry, requirements of the oil drilling industry are increasing, the development of drilling instruments are in progress constantly. On behalf of the top drilling technologies, Measurement-While-Drilling (MWD) system has a high value to researching.

  The thesis researches on the signal processing of the MWD system. The system consists of two parts: hardware and software. Based on the mathematical model of the system, we design the implementation scheme of the software and the hardware. Hardware circuit uses MC9S12DG128 microcontroller as the control core, refer to the relevant documents and complete the circuit design, weld and debug. Software part uses CodeWarrior for programming, use BDM for program downloading, the serial transmission of data for online debugging and finally achieve the pose measurement function. In the whole design process, the first is to select the MCU, ADC, amplifier and other components; Then is to make the PCB chart; Finally is to complete the software debugging. The basic requirements for the design include: the ability of mathematical modeling, the ability of basic circuit design, welding technology, the ability of hardware circuit debugging and the ability of programming.

  The experiment stage consists of two part: static experiment and the temperature experiment, which is used to verify the accuracy of the system. The results of accuracy test and temperature test show that the system has got the desired accuracy of ±0.1°in inclination and ±1°in azimuth.

  Key Words: Wireless MWD; MC9S12DG128 Microcontroller; CodeWarrior4

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  目 录

  1 绪论 …… 6

  1.1 课题研究的背景及意义 …… 6

  1.2 国内外发展现状 …… 7

  1.3论文简介 …… 8

  2 系统数学模型及总体方案设计 …… 9

  2.1 位姿参数定义 …… 9

  2.2 建立坐标系 …… 10

  2.3 硬件总体结构 …… 11

  2.4 软件总体结构 …… 11

  3 系统硬件设计 …… 12

  3.1硬件滤波电路的设计 …… 12

  3.2 MCU控制系统 …… 15

  3.2.1 单片机选型 …… 15

  3.2.2 MCU最小系统原理图…… 16

  3.3 ADC电路设计 …… 18

  3.3.1 ADC选型…… 18

  3.3.2 ADC外围配置和接口设计…… 20

  3.4 电源模块 …… 21

  3.5 PCB制作与安装 …… 22

  4 系统误差补偿 …… 23

  4.1 安装误差补偿 …… 23

  4.2 温度误差补偿 …… 24

  5 系统软件设计 …… 27

  5.1开发调试工具 …… 27

  5.2 软件主要模块设计 …… 28

  5.2.1 SCI通信…… 28

  5.2.2 SPI通信…… 29

  5.2.3 信号采集模块 …… 30

  6 实验 …… 32

  6.1 静态实验 …… 32

  6.2 温度实验 …… 34

  6.3 振动试验 …… 35

  结 论 …… 36

  致 谢 …… 37

  参考文献 …… 38

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  1 绪 论

  1.1 课题研究的背景及意义

  21世纪以来,中国经济高速发展,对于能源的要求也越来越多,作为最重要的传统能源石油,一直在工业生产和社会生活中,占有重大的比重。根据中石油经济技术研究院发布的 《2013年国内外油气行业发展报告》可以看出,2013年,中国石油和原油的消费量分别为4.98亿吨和4.87亿吨。如此巨大的石油需求也导致了石油及其相关行业的快速发展。目前来说,如何高效、安全、准确地对石油进行开采钻探,成为这个领域的热点。

  在钻探作业中,由于油层上方地形的影响和限制,比如存在城市、湖泊、山脉、公路等等情况,传统的垂直打井的方法已经不可行,定向井技术应运而生。定向井技术是一种综合了测井、钻井、新材料、自动控制等多门学科为一体的比较复杂的技术。钻井过程中,对井眼轨迹要能够实时监控,这就需要有能够测量井眼轨迹的仪器。随钻测斜仪能够将井下钻具姿态实时传送给井上工程人员,实现对井眼轨迹的控制。目前而言,测井技术主要包含两种系统:无线随钻测量系统(MWD)和随钻测井(LWD)。

  随钻测斜仪主要有井下仪器和地面仪器两部分组成,系统组成如下图1-1所示。工程参数包括井斜角,方位角和工具面角。整套仪器的工作过程:井下探管中的传感器对重力加速度和地磁场信息进行采集,控制电路将这些物理信号转换为电流或者电压信号,通过脉冲发生器将这些信号进行编码,传输到地面仪器,地面仪器解码后通过计算机和司显器显示出来。随着技术的不断发展,为了实现更多的功能,在上述测量基础上还增加了电阻率、自然伽玛测量等等,用来进行地层地质参数的评价,更加科学和高效的进行石油钻探。

  图1-1 随钻测斜仪系统组成

  在整套系统中,探管是核心部分,如下图1-2所示。探管短节主要由3个磁通门传感器、3个加速度传感器以及信号处理部分组成。它能够实时采集测量区域的磁场信息和重力加速度信息,通过计算,转换为我们所需要的角度值。

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  图1-2 探管短节

  目前来说,随钻测斜仪在能源开采、地质勘探等等行业应用广泛,如果能够进行技术革新,将会带来巨大的经济效益。

  1.2 国内外发展现状

  20世纪30年代开始随钻测斜仪技术的研究,最开始井下测量仪器通过电缆来实现通信,不仅成本高,操作复杂,而且无法实现实时测量控制,只有在少数场合使用。20世纪60年代,用泥浆脉冲来传输信号的技术被开发出来,随钻测量技术取得了里程碑的进步,随钻测斜仪在经济生活中的应用来逐渐广泛起来。到了20世纪80年代,有线测量仪器基本被淘汰,无线随钻测量仪被广泛应用。从20世纪90年代以来,无线MWD技术得到了快速发展。目前,随钻测斜仪技术已经在商业应用中取得了巨大的经济效益。国际上较大的能源服务公司包括斯伦贝谢、哈里伯顿、贝克休斯、威德福等等。这几家主要的供应商提供的产品如下表1-1所示。

  表1-1 MWD的国际主要公司及其产品

  目前MWD无线传输方式主要有泥浆脉冲传输、电磁波传输和声波传输3种,应用最多技术最成熟的是泥浆脉冲和电磁波。

  从市场需求分析来看,无线MWD技术还是具有很大的发展空间。国内近来年也逐渐引进7

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  国外的产品并进行研究开发,取得了比较好的经济效益。但是,我国的测斜仪技术研究基本都是仿制品,自主研发水平非常落后,所以无线随钻测斜仪的技术研究需要得到更多的重视。

  1.3论文简介

  本论文主要完成无线随钻测斜仪中信号处理技术研究。主要内容包括:

  (1) 查阅相关资料,设计钻具姿态数学模型和误差补偿模型,制定软硬件实现方案;(2) 制作PCB,完成硬件电路板制作;

  (3) 在硬件电路完成的基础上,进行软件的调试;(4) 进行实验标定,验证系统的精度。

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  2 系统数学模型及总体方案设计

  2.1 位姿参数定义

  定向钻井过程中,为了能有效控制井眼轨迹,必须对井斜角、方位角、工具面角等参数有精确的测量。这些工程参数通常由随钻测斜仪测量得到。

  在工程应用中,通常使用方位角,工具面角和井斜角3个工程参数来表示测量数据。对于3个工程参数的定义如下:

  (1) 方位角α:地球磁北方向和井眼水平投影方向的夹角,反映仪器偏离磁北的角度。变化范围为0° 360°,实际意义在于表示钻具在水平面内的钻进方向。

  (2) 井斜角β:垂线与井眼的中心线间的夹角,表示井眼的倾斜程度。规定相对于水平面向上为正,向下为负,则变化范围为-90° +90°,实际意义在于表示钻具前进方向相对于水平面的倾斜角度。

  (3) 工具面角Φ:俯视井眼方向探管斜口的朝向与井眼高边顺时针方向旋转过的角度值,代表测量仪器绕着自身旋转的程度。工具面角根据不同的参考方向,可以分为GTF(重力工具面)和MTF(磁性工具面)。

  GTF:俯视井眼方向探管斜口的朝向相对于井眼高边顺时针方向旋转的角度值,代表仪器绕着自身旋转的程度。如图2-1所示,GTF在0° 360°之间变化,其中当井斜0°时, GTF不确定。

  图2-1 重力工具面角

  MTF:俯视井眼方向仪器斜口的朝向与磁北间的夹角值,变化范围0° 360°,如图2-2所示。通常情况下,使用高边工具面角作为参数测量,在井斜角小于5°情况下,GTF有较大误差,这时,使用磁性工具面角作为测量数据。

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  图2-2 磁性工具面角

  2.2 建立坐标系

  建立无线随钻测斜仪的数学模型。用北、东和重力加速度方向建立一个地理坐标系NEV,以3个磁通门(加速度计)的敏感轴方向正交建立一个探管坐标系XYZ,这两个坐标系统遵从右手坐标系统原则。传感器正交示意图如下图2-3所示:

  图2-3 传感器正交示意图

  经过以上公式推导,我们可以得到系统姿态参数的表达式,即:

  (1) 工具面角(分磁性工具面角和重力工具面角)(2) 井斜角 tan??GY ?GX(2-1)

  tan??2GX?GY2

  GZ (2-2)

  (3) 方位角 tan??GTOT(HYGX?HXGY) 22HZ(GX?GY)?GZ(HXGX?HYGY)(2-3)从公式2-1、2-2和2-3可见,只要精确测得重力加速度和地磁场强度沿探管测量坐标系各轴的分量,就可以计算出工具面角、井斜角和方位角。

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  2.3 硬件总体结构

  硬件是系统功能实现的基础。

  图2-4 硬件总体结构图

  2.4 软件总体结构

  随钻测斜仪中信号处理包括硬件和软件部分,硬件为载体,软件则是灵魂。在硬件完善的前提下,通过不断优化软件算法,达到提高精度和系统稳定性目的。

  (1)控制ADS7809SPI;

  (2)误差补偿和位姿计算;

  (3)单片机与计算机进行通信SCI。

  系统软件流程图如下图2-5所示:

  图2-5 系统软件流程图

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  3 系统硬件设计

  3.1硬件滤波电路的设计

  从传感器中的信号会混有噪声,一般为高频噪声、电阻热噪声以及外部的工业震动噪声等等。如果ADC采样时信号路径中有不需要的信号,这些信号也会被转换并混叠在有用的数字输出信号中。这样,就不可能在数字代码中区分好的信号和不好的信号。所以在ADC采样之前,应该使用硬件滤波电路。

  设计低通滤波器,首先要确定截止频率,由于传感器输出信号是变化缓慢的信号,滤波器的主要功能是滤除外界引入的20Hz 震动噪声及更高频的固有噪声。因此,取滤波器的截止频率为20HZ。

  其次,确定品质因数Q。在低通滤波器中,最常用的是巴特沃斯型和切比雪夫型。巴特沃斯型具有较好的最大平坦幅频响应的特性,并且结构简单,电路稳定性好等特性,本论文中选用的是巴特沃斯型有源低通滤波器。其原理图如下图3-1所示:

  图3-1 二阶巴特沃斯低通滤波器

  传递函数为

  H s =Gb0 3?1 10其中

  Rf ??=?1 1 b0= (3?2) f21 1 b1= C ++ 1f2利用运放中的“虚断”和 “虚短”的原理,列出电流和电压方程。解得:

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  Rf/R1 A(s)?? u2s2R2RfC1C2?C2s(2R2?R1)?1 1f0? (3?3) 2?2R1R2C1C2 2C1 111?) Q?(?R1R2R3R2RfC2上述3-3式中 :

  Au--放大倍数;

  Q--品质因数;

  f0--截止频率。

  由于6通道传感器输出电压范围为?3V,ADC转换器输入电压范围为?5V,故将滤波电路放大倍数Au设为1(即R1=Rf)。R3为平衡电阻(即R3=R2),用于控制运放输入端的电流大小。选择好了R1和R2 ,C1和C2由公式(3-4)和(3-5)确定。

  C1?

  R1?R222???f0?R1?R2

  C2?1

  2???f0?R1?R2

  表3-1 滤波电路元器件参数

  经过计算,电路中各个元器件参数如下表3-1所示:

  完成理论上的计算之后,在Multisim软件中进行了仿真实验,验证滤波器的性能。仿真电路图如下图3-2所示:

  图3-2 Multisim仿真图

  用波特图示仪显示电路的幅、相特性,如图3-3所示。从幅频特性曲线中可以得出,在13

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  通带放大倍数为0dB,从相频特性曲线中可以看出,相位差为180,综合得出Au?-1,符合设计需要。

  图3-3 幅频、相频特性曲线

  截止频率在-3dB处,从图3-4中可以看出,为20Hz,符合实际需要。

  图3-4 幅频特性曲线

  设计输入为10Hz和50Hz两种,幅值均为10V,得到输出曲线如下图3-5所示。当输入为10Hz时,输出同频率相位相差180,幅值几乎不变;当输入为50Hz是,输出幅值明显减小。综上所述,本滤波器设计基本合理。

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  图3-5 10Hz、50Hz输出曲线

  3.2 MCU控制系统

  3.2.1 单片机选型

  单片机是整个系统测量、控制、通信的核心。

  MC9S12DG128片内资源丰富,拥有128Kb的Flash,即使加入裁减的uCOS都可以,对于本系统中传感器的数据存储和一些控制不用扩展片外存储器;拥有8路8位的PWM,用于控制多电机系统;拥有16路10位精度的AD;拥有2路SPI、2路SCI、IIC总线等端口;内部集成模糊逻辑指令集,简化程序设计。

  同时该单片机具有16位中央处理器、8KB RAM、128KB Flash EEPROM、2KB EEPROM,以及键盘中断、定时器通道、A/D等接口。通过BDM同CodeWarrior相连,在线调试,非常方便。

  MC9S12DG128 的封装有两种,一种为80 引脚的,一种为112 引脚的,两种都采用了表面贴片式封装。

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  图3-6 MC9S12DG128 80脚封装图

  表3-5给出了MSP430F147主要引脚的功能。

  表3-2 MSP430F147主要引脚功能

  3.2.2 MCU最小系统原理图

  MCU 最小系统的设计包括复位电路、时钟电路、电源电路、BDM接口电路,电路原理图如下图3-7所示。

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  图3-7 MCU最小系统原理图

  系统在运行过程中,不可避免会受到各种干扰,严重时会造成单片机系统“死机”。无线随钻测斜仪在井底工作,若系统“死机”,会造成重大的经济损失。为了解决这个问题,使用一种“看门狗”技术,保证在程序跑飞的情况下,能够自动复位,恢复正常工作。使用的芯片为MAXIM公司的MAX705芯片,这款芯片在实际工业中应用广泛,技术成熟。电路图如下图3-8所示。

  图3-8 “看门狗”电路

  BDM调试可以向目标电路板下载应用程序或进行在线更改、在线动态调试等,也可以Flash进行写入、擦除等操作,仅仅只需向CPU发送几个简单的指令就能够实现。接口如下图3-9所示。

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  图3-9 BDM接口

  图3-10 皮尔兹振荡电路

  3.3 ADC电路设计

  3.3.1 ADC选型

  单片机内部能够处理的信号都是不连续的数字信号,所以在将传感器信号送入MCU之前,需要ADC来进行模数转换。在选择ADC芯片时,应根据实际需求选择合适的型号。

  (1) 加速度传感器和磁通门传感器总共有6路信号,故ADC转换通道应大于等于6;(2) 传感器和磁通门输出信号都是mV级别的,假设传感器模拟输入电压范围为±5V,转换位数为n,则n应满足:

  故ADC转换位数选为16;

  (3) ADC在地底复杂环境下,需要克服高温、震动、低功耗等特性。

  综合考虑,

  a. 片内集成6个独立的16位ADC;

  b. 双极性模拟输入,模拟电压输入范围有:±5V、±10Vc. 可选择高速并行接口或者串行接口(SPI);d. 低功耗、高抗噪性能、宽带宽。

  其引脚配置如下图3-11所示:

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  图3-11 AD7656管脚图

  AD7656

  表3-3 AD7675主要管脚

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  3.3.2 ADC外围配置和接口设计

  AD7656的外围电路主要有3个方面:电源电路的设计、电源引脚的去耦配置。其外围配置原理图如下图3-12所示:

  图3-12 ADS7809外围配置原理图

  MCU通过SPI来接收来自ADC的数据,两者之间的引脚连接如下图3-13所示:

  图3-13 ADC与MCU引脚连接图

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  3.4 电源模块

  外部给钻具提供电源为±12V和5V数字电源。

  图3-14 电源模块

  为AD提供的参考电压REF2.5,通过ADR421芯片来实现,电路原理图如下图3-15所示:

  图3-15 ADR421外围电路

  数字电源干扰大,为了减少系统的干扰,将数字电源和模拟电源分开,图3-16 ASM1117外围电路

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  图3-17 ADR435外围电路

  3.5 PCB制作与安装

  电路原理图的设计完成之后,需要进行 PCB 电路板的设计,在电路板的设计中,主要用到以下几个过程:

  1) 生成网络表;

  2)画PCB元器件库中没有的封装 ;

  3)在PCB文件中载入网络表文件;

  4)元件手工布局。主要考虑电磁干扰、美观、散热等因素,布局要合理;5)对重要元器件部分要进行手动布线;

  6)设置自动布线功能,进行自动布线;

  7)对布线进行手动的调整;

  8)补泪滴,覆铜处理。

  电路板画完之后,即可送厂家加工,一般需要1周左右。拿到电路板之后,进行元器件的焊接,从而完成整个硬件电路的制作。

  图3-18 硬件电路板

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  4 系统误差补偿

  本系统中的误差来源主要有两种:安装误差和温度误差。安装误差指的是传感器在安装过程中,其敏感轴方向与探管骨架之间存在一个失调角度。除此之外,探管骨架在加工过程中必然存在一定的角度误差,导致3轴与正交坐标系存在一个角度的误差。

  随着钻井深度的增加,地底温度也在不断升高,在地下3000m左右的深度,温度能够达到125℃,而传感器的芯片通常对温度都比较敏感,如此大的温差必然会带来测量数据结果的影响。温度误差主要表现在标度因素和零点漂移。

  4.1 安装误差补偿

  一般情况下,在测斜仪上正交安装了三个加速度传感器和三个磁通门。如图4-1所示,图中画了三个加速度传感器,其中O-XYZ为探管坐标系,方向。

  轴为 加速度传感器的敏感轴

  图4-1 加速度传感器安装误差 实际上,由于工艺加工水平和安装误差等原因, 的敏感轴偏离了探管坐标系的X 轴。设与Z、Y轴的夹角分别为别为:

  ′ Gxx=Gx× 1?cos2Φxy?cos2Φxz、。那么加速度传感器实际测量值在X,Y,Z轴上的分量分Gxy=

  Gxz=

  上述4-1式中:

  ′Gx′Gx×cosΦxy×cosΦxz (4?1)实测量在X 轴上的分量;

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  实测量在Y 轴上的分量;

  实测量在Z 轴上的分量。

  同理可得到Y、Z两轴输出量在各轴上的分量,各分量合并可得,如下式4-2所示:

  22 GX?Gx?sin?xy?cos?xy?Gycos?yx?Gz?cos?zx GY?Gx?cos?xy?Gy?sin2?yz?cos2?yx?Gz?cos?zy (4?2) 22 GZ?Gx?cos?xz?Gycos?yz?Gz??zx?cos?zy若将上式简化写成下式4-3形式:

  GX?Gx?K1?GyK2?Gz?K3

  GY?Gx?K4?Gy?K5?Gz?K6 (4?3)GZ?Gx?K7?GyK8?Gz?K9

  那么用矩阵形式表示,如下式4-4:

  GxK1 Gy = K4K7Gz

  K1′Hx

  Hy = K4′

  HzK7′

  数K2K5K8K2′K5′K8′′GxK3′K6 × Gy (4?4) ′K9Gz以此类推,对于磁通门传感器,如下式4-5: ′HxK3′′ (4?5) K6′ × Hy′HzK9′在实验室里,在标准角度转台上,通过几组翻转实验,测出若干组数据计算并分离出参后,就能够完成对安装误差的补偿,得到实际分量值。

  4.2 温度误差补偿

  石油钻井井深通常情况下都在10003000m,地球内部温度随着深度的增加而增加,在3000m深度的温度大概能够达到125℃。对于探管中的电子元器件来说,如此大的温差必然带来大的温度误差。因此,对于

  U=U0+KG (4?6)磁通门传感器:

  B=B0+KbB (4?7)上述4-6和4-7式中:

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  --加速度传感器零度漂移;

  磁通门传感器零度漂移;

  --加速度传感器标度系数,单位为V/g;

  --磁通门传感器标度系数,单位V/Gauss。

  (1) 标度系数的温度补偿

  以一个磁通门传感器的温度误差补偿来阐述补偿方法。在不同温度下,测得一组K,构造一个函数K(T),来拟合这组数据的曲线。一般来说,用最小二分法拟合出3阶函数就能够达到工程应用精度。设函数为:

  Kb(T)?N(0)?N(1)T?N(2)T2?N(3)T3 (4?8)实验测得的一组数据为下表4-1所示。

  表4-1 磁通门标度系数实验测量数据

  只要将上式中的3个参数确定下来,在任何一个温度T是,通过K(T)即可计算出K。为了更加直观的表现,用matlab作出拟合前和拟合后的函数对比图,如下图4-2所示。

  图4-2 Kb-T曲线

  (2) 零漂的温度补偿

  零漂的补偿方式和标度系数的温度补偿方式有点类似。在不同温度下,测得一组构造一个函数),来拟合这组数据的曲线。 ,B0(T)?M(0)?M(1)T?M(2)T2?M(3)T3 (4?9)25

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  只要将上式中3个参数确定下来,在任何一个温度值T下,通过U0(T)可以计算出零漂值。实验测得的一组数据如下表4-2所示。

  表4-2 磁通门零漂实验测量数据

  同上,在matlab中作出2条曲线,如下图4-3所示。

  图4-3 U-T曲线

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  5 系统软件设计

  5.1开发调试工具

  本论文选用的软件开发平台为CodeWarrior开发软件。使用C语言完成编程工作。其开发步骤如下:

  (1) 创建工程

  点击Create New Project按钮,新建一个工程文件,开始界面如图5-1所示:

  图5-1 开始界面

  (2) 源程序编写

  CodeWarrior IDE自动生成一个main文件,在这个文件里,即可用C语言编写程序代码。代码编辑界面如图5-2所示:

  图5-2 代码编写界面

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  (3) 编译、仿真和调试

  源程序编写完成之后,即可进行编译、仿真和调试工作。利用编译器自带功能,可以方便的进行设置断点,查看内存内容,在线调试,方便地找出程序问题所在。下图5-3为软件调试窗口:

  图5-3 软件调试窗口

  5.2 软件主要模块设计

  5.2.1 SCI通信

  SCI通信是采用NRZ格式异步的串行通信接口,它内置SCI收发器和波特率发生电路,可选择性的发送8或者9个数据位(其中的一位能够作为奇、偶校验位)。

  图5-4 SCI编程模式

  程序的编写主要包括初始化、读字符、写字符等模块,部分代码如下所示:

  /*****初始化SCI0****/

  void Sci0open(void)

  {

  SCI0BD=54;//波特率设置

  SCI0CR1=0x00; //正常8位模式

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  SCI0CR2=0X2C;//接收中断允许

  }

  /*****写SCI****/

  void SciWrite(unsigned char chSend)

  {

  SCI0SR1_TDRE=1;

  SCI0DRL=chSend;

  }

  5.2.2 SPI通信

  串行设备接口SPI主要用于同步串行通信,它使得MCU有了与外设或者其他的微型处理器间进行同步通信的能力,也能够在多主系统中实现处理器间的通信。MC9S12的SPI可定义为主机或者从机的方式,主要的特性有下面几点:

  (1)主机或者从机的工作方式。

  (2)可以程控设置数据位传送顺序、相位和位时钟极性。

  (3)全双工、三线同步传送。

  (4)主机位传送频率的最大值为4MHz,当MCU的总线频率为8MHz时,最小为31.25kHz。

  (5)从机位传送的频率最大值为4MHz,允许频率的范围:0-4MHz。

  SPI的接口逻辑和寄存器配置如下图5-5所示。

  图5-5 SPI接口逻辑和寄存器图

  /****SPI0口接收字节数据****/

  byte SPI_ReByte(void)

  {

  while(!SPI0SR_SPIF);

  return SPI0DR;

  }

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  5.2.3 信号采集模块

  片外AD7656的串行工作时序如图5-5所示。通电之后,用脉冲对AD7656进行复位。然后CONVST上升沿开启转换,BUSY为高电平,持续到结束。模数转换完成,BUSY拉低,通过CS控制读取转换数据。读完数据,CONVST通过大约25ns变成低电平,作为下一次模数转换准备时间。

  图5-6 AD7656时序图

  /**外部中断功能函数, 通过SPI获得外部ADC采样值**/#pragma CODE_SEG DEFAULT

  void IRQ_SPITransFunc(void)

  {

  extern word ADS_Data[6];

  byte *m, i;

  m = (byte *)ADS_Data;

  ADCS = 0; // 获得6路数据

  for(i=0;i<12;i++)< p=“”>

  {

  *(m+i) = SPI_ReByte();

  }

  ADCS = 1; // 片选信号清除

  CONVST = 0; // 转换信号清除

  Delay(10);

  }

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  5.2.4 位姿解算程序

  角度计算主要是反正切运算。

  //角度计算

  double atan_calc(double m,double n) // (0,2Pi)范围角度计算{ double p,Arad;

  p=atan2(m,n)*180/PI; // atan2() 函数的值域是(-PI,+PI)if(m>=0)

  Arad=p;

  else

  Arad=360+p;

  return Arad;

  }

  double atan_calc0(double m) // 适合(-PI/2,+PI/2)范围内的角度计算{ double p;

  p=atan(m)*180/PI;

  return p;

  }

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  6 实验测试

  实验部分主要用来验证系统的功能,主要包括静态实验、温度实验和震动试验。

  6.1 静态实验

  静态实验用来检验系统的精度与准确性。

  图6-1 标定实验室

  (1)方位角静态实验

  方位角的静态实验测量数据如下表6-1所示。

  表6-1 随钻测斜仪方位角测量数据

  由表6-1的数据所示,可以得出结论,在所有测量范围内,方位角的误差小于1°,满32

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  足设计中的测量精度要求。

  为了更加直观的看出补偿效果,将补偿前的误差和补偿后的误差放在同一张图中,形成误差对比曲线,如下图6-2所示。

  图6-2 方位角误差曲线对比

  (2)井斜角静态实验

  井斜角的静态实验测量数据如下表6-2所示。

  表6-2 随钻测斜仪井斜角测量数据

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  由表6-2数据所示,可以得出结论,在所有测量范围内,井斜角的误差不超过0. 1°,满足设计中的测量精度的要求。

  同上,井斜误差对比曲线如下图6-3所示。

  图6-3 井斜角误差曲线对比

  6.2 温度实验

  温度实验用来检验在大范围的温差范围内,系统测量精度是否能够保持。在论文的第四章已经论述了温度误差补偿模型,本实验是来验证系统在高温环境中的精度情况。具体做法是将系统放在高温箱里,控制温度从室温25℃到125℃过程中的输出数据。 实验所用高温箱如图6-4所示。

  图6-4 高温试验箱

  本实验中,探管水平放置,井斜为0°,方位设为90°,在温度较低的情况时,温度变化梯度设为20℃,在温度较高时,温度变化梯度设为5℃。测量数据如下表6-3所示。

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  表6-3 高温试验数据记录

  结果分析:从测试结果来看,温度对测试精度有一定的影响,其中井斜最大0.8°,方位最大0.9°,方位的变化更大一点,主要是由于磁场变化较大引起的,可能是试验环境中磁场不干净引起的。从试验结果来看,其误差还是处在能够接受的范围之内。如果精度严重失调,则需要重新进行温度的标定。

  6.3 振动试验

  将探管放置在一个可控制振动强度的振动台上,试验震动强度设置为0g-10g,测试结果如下表6-4所示。

  表6-4 振动试验数据记录

  结果分析:在振动范围内,井斜误差在0.1°,方位误差在0.8°,重力加速度的变化值为0.0011g,结果表明,测量数据可用。

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  结 论

  (1) 设计了随钻测斜仪位姿数学模型;

  (2) 分析影响测量精度的因素,并设计了相关的补偿模型,用来提高仪器的测量精度;(3) 以MC9S12DG128单片机和AD7656为核心,完成系统硬件电路设计;(4) 基于补偿模型,完成程序编写;

  (5) 通过实验分析发现,在模拟地底强震、高压和高温环境下,测量精度达到工程误差要求。最大误差情况为:井斜角为±0.1°,方位角±1°。

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  致 谢

  值此论文完成之时,感谢在我本科求学期间给予过我帮助和教导的各位老师和同学。首先我要感谢的是导师邓明教授,最后,感谢在本课题研究过程中帮助过我的所有同学和朋友,谢谢你们!

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