基于CAN总线的井下数据采集系统研究

论文摘要

在油田勘探与开发过程中,石油地质和工程技术人员需要及时准确地获得井下各项资料和数据,对井下的环境进行监测,从而掌握井下各种参数的变化情况。为达此目的,开发出了各种测井仪器。测井仪器的主要功能是利用传感器等测量元件准确地采集各种井下参数数据,并实时地将这些数据传递给地面控制台。本论文对一种基于CAN总线的井下数据采集系统进行了研究。在全面、细致地分析了测井数据通信系统的特点基础上,提出了一种以数字信号处理器(Digital Signal Processing,简称DSP)为核心,以控制器局部网络CAN总线(Controller Area Network)作为底层通信网络组建井下数据采集系统的方案。系统由工作在CAN总线上的数个井下数据处理节点组成。设计采用TMS320F2810DSP处理器芯片作为节点的主控制器,节点间以CAN2.0B的总线规范进行数据交换。设计采用一主多从的分布结构,设置一个主节点和数个子节点,各节点应用外接跳线设置节点编号并预留多路信号采集接口,从外接传感器及各种测量元件采集数据并进行A/D转换等采样数据的处理。主节点除自身的数据采集处理工作外,还负责向子节点下发数据请求命令,从各子节点收集信息以及与地面进行通讯。子节点总线周期设计为分时机制,每个子节点在自己的总线周期内将处理后的数据发送给主节点。系统最高可扩展支持32个节点,井下传输波特率可调,最高可达1Mbps。在恒温箱中进行了实验,证明系统能在高温环境下作业,CAN总线上的数据交换准确、稳定,系统性能可靠。论文首先提出了系统的整体结构方案,说明了数据采集节点的设计方案和主要功能,讨论了主控制器芯片的选择,接着分别对系统各主要部分硬件的实现进行了叙述,最后,对CAN总线通讯等功能模块的软件设计与实现进行了研究。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究意义
• 1.2 测井技术简介
• 1.3 国内外测井技术的发展现状
• 1.4 CAN总线技术简介
• 1.5 论文主要研究内容
• 第2章 系统总体方案设计
• 2.1 系统的整体结构
• 2.2 数据处理节点的方案设计
• 2.2.1 CAN总线通信功能
• 2.2.2 信号处理功能
• 2.3 节点的微控制器芯片的选择
• 2.4 本章小结
• 第3章 井下数据采集系统的硬件设计
• 3.1 TMS320F2810 芯片简介
• 3.2 节点的硬件结构
• 3.3 DSP最小系统电路
• 3.3.1 DSP供电电源
• 3.3.2 DSP的时钟电路
• 3.3.3 JTAG仿真接口电路
• 3.4 数据采集模块电路
• 3.4.1 数据采集系统的主要性能指标
• 3.4.2 通用节点的数据采集模块电路
• 3.4.3 氧活化仪节点的数据采集模块电路
• 3.5 CAN总线接口电路
• 3.6 节点编号设置电路
• 3.7 硬件抗干扰技术及措施
• 3.7.1 电磁屏蔽
• 3.7.2 PCB抗干扰设计
• 3.8 本章小结
• 第4章 井下数据采集系统软件设计
• 4.1 DSP软件开发平台简介
• 4.2 CAN总线通信软件设计
• 4.2.1 系统总线工作参数的设计
• 4.2.2 测井数据通信系统的通信协议
• 4.2.3 CAN总线通信的实现方法
• 4.3 信号处理功能的软件设计
• 4.3.1 A/D模块的程序设计
• 4.3.2 频率量信号采集功能的软件实现
• 4.3.3 氧活化仪节点输出直流控制信号的实现
• 4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢