測井儀器調(diào)試臺(tái)架供電監(jiān)測技術(shù)研究

劉 棟， 鞠曉東， 盧俊強(qiáng)， 門百永， 余志軍

(1.中國石油大學(xué)(北京) 油氣資源與探測國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249； 2.北京市地球探測與信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249 )

隨著石油測井行業(yè)的發(fā)展，測井儀器的結(jié)構(gòu)愈加陣列化和復(fù)雜化，它具有探頭精密、數(shù)量多，以及內(nèi)部空間狹小、電路復(fù)雜特點(diǎn)。這增加了儀器調(diào)試、檢修的難度和復(fù)雜度，因此需要借助于專業(yè)的設(shè)備以提高儀器制造和維修的效率。這種設(shè)備稱之為調(diào)試臺(tái)架[1]。為了保證儀器單元(短節(jié))在調(diào)試或者維修時(shí)處于安全的供電環(huán)境，調(diào)試臺(tái)架不僅需要對外低壓供電，而且需要對各電源的輸出進(jìn)行監(jiān)測和控制。目前國內(nèi)外各大油服公司調(diào)試臺(tái)架并沒有專門針對低壓供電的監(jiān)測模塊，大多是監(jiān)測220 V供電電壓電流。針對此問題，本文設(shè)計(jì)了用于各種儀器單元(短節(jié))的系列低壓供電接口，通過采用實(shí)驗(yàn)室臺(tái)架系統(tǒng)ARM7+μClinux平臺(tái)[2-5]，實(shí)現(xiàn)所有供電能夠通過上位機(jī)軟件設(shè)定保護(hù)限制值，并提供實(shí)時(shí)的電壓、電流顯示，為高性能的測井儀器調(diào)試臺(tái)架的研發(fā)提供支持。

1 基于嵌入式的供電檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖1為系統(tǒng)采用上位機(jī)+嵌入式前端機(jī)的主從式架構(gòu)。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)主要分為電源管理板、嵌入式前端機(jī)和上位機(jī)軟件3個(gè)部分。上位機(jī)通過以太網(wǎng)與嵌入式前端機(jī)互聯(lián)，超級(jí)終端用于前端機(jī)軟件的前期調(diào)試；基于ARM7+μClinux嵌入式架構(gòu)的前端機(jī)與電源管理板以積木式結(jié)構(gòu)堆疊，通過并行擴(kuò)展I/O總線實(shí)現(xiàn)了ARM+FPGA形式的嵌入式網(wǎng)關(guān)服務(wù)器[5]；電源管理板采用FPGA+MCU(單片機(jī))的分布式采集控制系統(tǒng)，完成電源供給模塊輸入的各路電源電壓、電流的采集工作并控制各路電源的輸出。當(dāng)上位機(jī)通過以太網(wǎng)給網(wǎng)關(guān)服務(wù)器下發(fā)命令，前端機(jī)會(huì)對指令進(jìn)行解析，然后通過FPGA利用串口下發(fā)到MCU，MCU收到命令后開始工作，并將電源采集數(shù)據(jù)返回給FPGA，前端機(jī)從FPGA讀取數(shù)據(jù)后，封裝成以太幀格式發(fā)送給上位機(jī)。電源模塊作為調(diào)試臺(tái)架對外供電接口，也是本系統(tǒng)的監(jiān)測對象。根據(jù)儀器功率需求，設(shè)計(jì)6路低壓電源，電壓和電流分別為1.2 V/0.5 A、1.8 V/0.5 A、3.3 V/1 A、5 V/0.5 A和±6 V/1 A，用于各種調(diào)試儀器單元(短節(jié))。電源管理板是本系統(tǒng)功能板，主要完成各路電源監(jiān)測和控制任務(wù)。該模塊主要由電源輸入輸出接口、采樣濾波電路、STM32單片機(jī)采集控制和FPGA主控4個(gè)部分組成。上位機(jī)軟件是系統(tǒng)人機(jī)交互界面，可進(jìn)行各路電源的電壓、電流限定值設(shè)置，也可直觀地顯示各路電源電壓、電流值及其變化的曲線。核心板卡通過10 Mbit/s網(wǎng)絡(luò)與主機(jī)連接，主機(jī)可以實(shí)時(shí)發(fā)送控制命令到前端機(jī)，同時(shí)前端機(jī)能夠快速上傳數(shù)據(jù)到主機(jī)。嵌入式前端機(jī)軟件由3個(gè)部分組成，引導(dǎo)程序BootLoader、操作系統(tǒng)和特定功能的應(yīng)用程序。引導(dǎo)程序BootLoader類似于電腦的BIOS程序，用于引導(dǎo)操作系統(tǒng)內(nèi)核啟動(dòng)。采用μClinux作為前端機(jī)ARM的操作系統(tǒng)，它作為微控制器領(lǐng)域中的Linux系統(tǒng)，是專門針對S3C44B0X此類處理器而設(shè)計(jì)的，而且沿襲了Linux包括TCP/IP協(xié)議在內(nèi)的絕大部分特性。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

2 電源管理模塊設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)同時(shí)對多路電源進(jìn)行監(jiān)測，電源管理板需要同時(shí)采集各路電源的電壓、電流值，并實(shí)時(shí)上傳到上位機(jī)。當(dāng)其中一路電源出現(xiàn)異常情況時(shí)，為了不損壞儀器設(shè)備，必須能同時(shí)切斷所有電源輸出，并能記錄異常電源情況，及時(shí)上傳給上位機(jī)報(bào)警。實(shí)際調(diào)試時(shí)可能存在某路電源的電流值為十幾毫安或者更小的情況，為了盡可能準(zhǔn)確地測量電流值，需要提高A/D的轉(zhuǎn)換精度。針對此問題，提出FPGA+6路STM32單片機(jī)的采樣控制系統(tǒng)的方案，該方案主要由電源輸入輸出接口、采樣濾波電路、STM32單片機(jī)電路和FPGA電路組成，其中STM32 單片機(jī)集成了16位A/D轉(zhuǎn)換器[6]，其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 電源管理板硬件結(jié)構(gòu)框圖

FPGA通過擴(kuò)展I/O總線接收嵌入式前端機(jī)下發(fā)的命令并解析命令參數(shù)，解析完后通過串口向各路STM32單片機(jī)發(fā)送啟動(dòng)采集命令和各路的電壓、電流限定值，各路單片機(jī)接收到啟動(dòng)信號(hào)后開始進(jìn)行A/D采集，采集數(shù)據(jù)處理之后通過串口回傳給FPGA主控芯片，F(xiàn)PGA將其打包，并以協(xié)議幀形式通過擴(kuò)展I/O口總線回傳給嵌入式前端機(jī)。各路單片機(jī)在每次采集完數(shù)據(jù)后先將采集的數(shù)據(jù)與該路的電壓、電流限定值做比較：若有一路超出，則通過中斷信號(hào)通知FPGA同時(shí)切斷各路輸出電壓；若沒有超出，則繼續(xù)采集，每10次求一個(gè)平均值，然后將該平均值回傳給FPGA。這可以在保證監(jiān)測電壓電流精確的情況下，減少系統(tǒng)通信次數(shù)。

采樣濾波電路為A/D采集電路的前置電路，主要完成電壓、電流值采樣和線路上噪聲的濾除任務(wù)。電壓采樣電路由軌對軌運(yùn)放AD8606與其進(jìn)行參數(shù)匹配的電阻和電容構(gòu)成；電流采樣電路由高壓、高分辨率零漂移電流檢測放大器AD8418與其進(jìn)行參數(shù)匹配的電阻和電容構(gòu)成；濾波電路則由AD8606為核心部件搭建的二階sallen-key濾波器構(gòu)成。

采集電路由STM32F373CC單片機(jī)及外圍器件構(gòu)成，主要涉及到單片機(jī)中SDADC1、SDADC2和 USART1(通用同步/異步收發(fā)器)3個(gè)外設(shè)資源。其工作流程如下：USART1接收FPGA下傳的命令，控制SDADC1和SDADC2分別采集電流和電壓，SDADC1/2采集完數(shù)據(jù)后進(jìn)行處理，并將處理后的結(jié)果賦給USART1發(fā)送到FPGA，與此同時(shí)，根據(jù)處理結(jié)果決定是否產(chǎn)生中斷信號(hào)送入FPGA。SDADC是高性能、低功耗Σ-Δ型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，具有16位分辨率。每個(gè)SDADC單通道采樣時(shí)轉(zhuǎn)換速率高達(dá)50 kS/s，在多通道采樣時(shí)轉(zhuǎn)換速率高達(dá)16.6 kS/s，可自動(dòng)掃描各通道，轉(zhuǎn)換值可自動(dòng)存入系統(tǒng)RAM中。SDADC與雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器相比，具有較高的轉(zhuǎn)換速度和與后者相近的串模干擾抑制能力，與逐次逼近型A/D相比，具有比較高的分辨率、線性度和信噪比，而且不需要保持電路。SDADC結(jié)合這兩種A/D轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點(diǎn)，并彌補(bǔ)了它們的一些不足。本文選擇16位SDADC完成電壓、電流采集工作。為防止6路采集電路之間相互干擾，F(xiàn)PGA與STM32單片機(jī)之間通信線路上加了HCPL0600光電耦合隔離模塊。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信是上位機(jī)與下位機(jī)數(shù)據(jù)通信的樞紐，是上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)。Windows操作系統(tǒng)提供多種網(wǎng)絡(luò)I/O模型，如選擇模型、重疊I/O模型、完成端口模型等，采用完成端口模型。完成端口模型是C/S模式中性能最好的網(wǎng)絡(luò)通信模型，它充分利用Windows內(nèi)核進(jìn)行I/O調(diào)度，只需少量的線程就能處理客戶端的所有通信，減小了無謂的上下文切換損耗，極大地提高了網(wǎng)絡(luò)通信性能。相對于其他通信方式，該通信方式具有占用CPU資源小、執(zhí)行效率高等優(yōu)點(diǎn)[7]。上位機(jī)(服務(wù)器端)先通過API調(diào)用WSAStartup()創(chuàng)建套接字，設(shè)置本地IP地址和網(wǎng)絡(luò)連接端口，并將其綁定到已創(chuàng)建的套接字，隨后將套接字置于監(jiān)聽狀態(tài)，最后調(diào)用accept()獲取連接。前端機(jī)(客戶端)先初始化套接字，設(shè)置好服務(wù)器的IP地址和連接端口，然后連接服務(wù)器。上位機(jī)與前端機(jī)連接成功后，就可以用send()和recv()發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。

上位機(jī)軟件是人機(jī)交互的工具，用戶通過它可以方便地控制電源監(jiān)測系統(tǒng)工作，同時(shí)，也可以直觀了解系統(tǒng)的工作狀態(tài)，簡潔又高效。根據(jù)電源監(jiān)測系統(tǒng)的功能需求，它應(yīng)具有如下功能模塊：① 參數(shù)設(shè)置模塊； ② 數(shù)據(jù)顯示模塊；③ 狀態(tài)顯示模塊；④ 文件存儲(chǔ)模塊；⑤ 文件回放模塊；⑥ 軟件幫助模塊。其中參數(shù)設(shè)置模塊可選擇對哪幾路電源進(jìn)行監(jiān)測，并能設(shè)置各路電源的電壓和電流限定值。

圖3為上位機(jī)軟件系統(tǒng)的架構(gòu)示意圖，分為3個(gè)層次，從下到上分別為驅(qū)動(dòng)傳輸層、系統(tǒng)內(nèi)核層和應(yīng)用層。驅(qū)動(dòng)傳輸層主要使用到網(wǎng)絡(luò)通信模塊，該模塊基于TCP/IP協(xié)議，通過它能實(shí)現(xiàn)與前端機(jī)的網(wǎng)絡(luò)通信任務(wù)。系統(tǒng)內(nèi)核層主要涉及到消息驅(qū)動(dòng)機(jī)制和多線程模塊，消息驅(qū)動(dòng)機(jī)制為上位機(jī)軟件各功能模塊提供消息調(diào)度，多線程模塊主要用于完成端口模型設(shè)計(jì)和文件存儲(chǔ)模塊中。應(yīng)用層則是實(shí)現(xiàn)各個(gè)功能模塊，主要包括各路電源參數(shù)設(shè)置、采集數(shù)據(jù)顯示和監(jiān)測狀態(tài)顯示等模塊。

圖3 上位機(jī)軟件的架構(gòu)示意圖

① 參數(shù)設(shè)置模塊：參數(shù)設(shè)置模塊在軟件界面的右側(cè)，由6路電源組成，可分別設(shè)置電源電壓限定的上限值、下限值和電流上限值。

② 數(shù)據(jù)顯示模塊：數(shù)據(jù)顯示模塊由6路電源顯示組成，每路電源顯示又分為電壓和電流兩部分。

③ 文件存儲(chǔ)模塊：當(dāng)電源監(jiān)測系統(tǒng)工作時(shí)，可以保存采集數(shù)據(jù)值用于后續(xù)分析。

④ 文件回放模塊：當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測完之后，可利用文件回放功能回放采集數(shù)據(jù)。

⑤ 狀態(tài)顯示模塊：狀態(tài)顯示模塊有正常和異常兩種狀態(tài)，異常狀態(tài)時(shí)，儀器供電不正常，此時(shí)FPGA就會(huì)切斷儀器所有供電電源。

上位機(jī)界面如圖4所示。同時(shí)圖4也是實(shí)際測試結(jié)果圖。

4 設(shè)計(jì)結(jié)果與測試分析

利用ARM7+μClinux平臺(tái)進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試。上位機(jī)和嵌入式前端機(jī)通過以太網(wǎng)相連，嵌入式前端機(jī)與電源管理板以積木式結(jié)構(gòu)相連，低壓電源板向電源管理板輸入待測電源。

以5 V電源為例，電源管理板電源輸出儀器負(fù)載。在上位機(jī)軟件上設(shè)置5 V電壓上限值為5100 mV，下限值為4900 mV，電流限定值為500 mA，單擊“開始”按鈕并保存測試數(shù)據(jù)，最終監(jiān)測結(jié)果如圖4所示。

圖4 上位機(jī)軟件界面

從圖4中可以看出，電壓、電流顯示模塊Y軸坐標(biāo)值范圍與輸入的限定值相關(guān)；5 V電壓、電流曲線比較平穩(wěn)，兩者均在限定值范圍內(nèi)，監(jiān)測狀態(tài)正常，綠燈亮。

5 結(jié)束語

本文基于ARM7+μClinux的嵌入式架構(gòu)設(shè)計(jì)了一種低壓電源管理模塊，主要采用FPGA+STM32單片機(jī)分布式采集控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對各電源的電壓和電流的采集以及輸出的通斷控制。該電源管理方案可對測井儀器的低壓供電電源進(jìn)行監(jiān)測，有效地防止因低壓電源不穩(wěn)定而造成的儀器和調(diào)試系統(tǒng)的損壞，為儀器的調(diào)試和維修提供安全的供電環(huán)境。