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　　摘要：本文分析了測井機器人作業(yè)仿真模擬的具體要求，設(shè)計采用虛擬井?dāng)?shù)據(jù)庫和測井信號相結(jié)合的方法，實現(xiàn)對測井環(huán)境的虛擬仿真。選擇了以深度信號作為仿真系統(tǒng)的驅(qū)動信號，以嵌入式處理器系統(tǒng)為核心，構(gòu)建了仿真系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，設(shè)計了虛擬仿真的工作流程。在此基礎(chǔ)上，提出了虛擬仿真系統(tǒng)的具體實現(xiàn)方案，重點敘述了關(guān)鍵模塊的設(shè)計與實現(xiàn)。
　　
　　1、前言
　　
　　測井作業(yè)是一個高風(fēng)險和技術(shù)性非常強的野外作業(yè)，對設(shè)備的操作工程師有非常高的要求，必須進行嚴(yán)格培訓(xùn)，執(zhí)證上崗。而傳統(tǒng)的操作員培訓(xùn)只能采取理論學(xué)習(xí)和跟井作業(yè)見習(xí)的方法，培訓(xùn)時間長，效果差。因而開發(fā)測井機器人的虛擬仿真系統(tǒng)，實現(xiàn)在室內(nèi)對地面系統(tǒng)整機進行功能與性能分析，并解決操作工程師的培訓(xùn)問題，使地面系統(tǒng)調(diào)試和操作人員能在實驗室有身臨其境的效果，對測井機器人的推廣應(yīng)用具有十分重要的意義，并具有良好的經(jīng)濟和社會效益。
　　
　　2、仿真系統(tǒng)工作過程簡介
　　
　　一個測井機器人系統(tǒng)是由地面系統(tǒng)、電纜遙傳系統(tǒng)、深度測量系統(tǒng)和下井儀器組成的。地面系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理和控制核心。在操作工程師的操作控制下，地面系統(tǒng)接收由電纜遙傳系統(tǒng)送來的下井儀器測量數(shù)據(jù)和深度系統(tǒng)傳來的深度信號，對這些信息進行處理，并顯示記錄測井的資料和結(jié)果。同時操作員的操作指令和系統(tǒng)指令經(jīng)遙傳系統(tǒng)發(fā)送到井下儀器，對其進行控制。每項仿真研究都應(yīng)從所研究系統(tǒng)的說明開始，只有對該系統(tǒng)具有深入的了解，明確需要解決的問題和應(yīng)達到的目標(biāo)，并且在這些問題上與決策者取得一致意見，才能為仿真建模與仿真運行提供可靠的基礎(chǔ)。實際測井過程中，操作人員控制地面系統(tǒng)，首先配置與所選下井儀器一致的服務(wù)表，配置服務(wù)表使下井儀器完成初始化，并開始等時測井過程。此時電纜遙傳系統(tǒng)與下井儀器均下入油井，在井筒中快速下行。此時每隔一定時間間隔，地面系統(tǒng)的DSP采集模塊自動向下井儀器發(fā)送采集命令，下井儀器采集一組測井?dāng)?shù)據(jù)并存儲，DSP采集模塊經(jīng)一段短暫的固定時間自動向下井儀器發(fā)送數(shù)據(jù)上傳命令，下井儀器與遙傳系統(tǒng)把存儲測井?dāng)?shù)據(jù)回傳到地面測井系統(tǒng)。地面系統(tǒng)利用此測井?dāng)?shù)據(jù)判斷下井儀器下放是否受阻。當(dāng)下井儀器下入井底，操作人員控制地面絞車緩慢上提電纜，并操作地面系統(tǒng)開始等深測井過程。在等深測井過程中，每隔一定深度間隔，地面系統(tǒng)的DSP采集模塊自動向下井儀器發(fā)送采集命令，下井儀器采集一組測井?dāng)?shù)據(jù)并存儲，DSP采集模塊經(jīng)一段短暫的固定時間自動向下井儀器發(fā)送數(shù)據(jù)上傳命令，下井儀器與遙傳系統(tǒng)把存儲測井?dāng)?shù)據(jù)回傳到地面測井系統(tǒng)。在等深測井過程中，反映地層巖石物性的大量測井?dāng)?shù)據(jù)被地面系統(tǒng)采集處理，得到相應(yīng)測井結(jié)果。
　　
　　3、系統(tǒng)總體設(shè)計方案
　　
　　測井作業(yè)都與實際測井時下井儀器所處的深度有關(guān)，所有的測井信號都是該深度的測井信息，因此整個仿真系統(tǒng)都應(yīng)在深度信號驅(qū)動下進行同步。在測井系統(tǒng)中，深度信號由稱為“馬丁代克”的深度測量裝置產(chǎn)生，其原理就是通過測量輪帶動光電碼盤，光電碼盤產(chǎn)生1280/米個脈沖。對此脈沖進行計量，就可得出儀器所處的深度和儀器運動的速度。為此必需設(shè)計一個與此深度信號相仿的深度信號產(chǎn)生電路，該電路輸出的1280/米深度信號驅(qū)動地面系統(tǒng)，同時驅(qū)動仿真系統(tǒng)輸出虛擬井相應(yīng)深度的測井信號。地面系統(tǒng)接收的測井信號是由電纜遙傳系統(tǒng)經(jīng)電纜傳來的測井信號。各遙傳系統(tǒng)都有自己的編碼體制，本文所仿真的機器人系統(tǒng)采用的是LDT遙傳系統(tǒng)體制，其中包含WTS總線和3506、3508模式。根據(jù)以上分析，仿真系統(tǒng)必須具有深度系統(tǒng)和LDT體制的電纜遙傳系統(tǒng)接口、虛擬的井下資料數(shù)據(jù)庫，并由一個控制核心進行控制和數(shù)據(jù)處理。由于測井時除上述測井信號外，還有一些輔助的信號，如電纜張力、磁記號等，故仿真系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖一所示。　　　　
　　不同測井項目有不同的測井?dāng)?shù)據(jù)和組織格式，開始仿真時，地面系統(tǒng)配置服務(wù)表，仿真設(shè)備接收相應(yīng)命令，判斷為何種測井項目，若存儲設(shè)備中存儲有此種測井項目數(shù)據(jù)，則選擇此測井項目，發(fā)送深度信號，并馬上進入等時測井工作狀態(tài)，若無此項目數(shù)據(jù)，應(yīng)輸出報告，通知操作工程師下載相應(yīng)數(shù)據(jù)。下載數(shù)據(jù)時，操作員需連接通信接口到上位機，并通過上位機把所需數(shù)據(jù)下載入仿真設(shè)備的存儲系統(tǒng)。仿真設(shè)備判斷為測井?dāng)?shù)據(jù)則自動接收，并保存為相應(yīng)文件。存儲設(shè)備支持?jǐn)嚯姳４婀δ?，可長期保存測井?dāng)?shù)據(jù)。
　　
　　仿真設(shè)備進入等時測井工作狀態(tài)后，操作員即可仿真測井操作?？赏ㄟ^人機交互接口模擬纜車操作，選擇測井速度，仿真設(shè)備輸出相應(yīng)的深度脈沖信號。深度脈沖輸出到地面處理系統(tǒng)，地面系統(tǒng)依據(jù)此脈沖發(fā)送采集與上傳命令，仿真設(shè)備按命令發(fā)送等時測井?dāng)?shù)據(jù)。到達相應(yīng)深度后，操作員控制仿真儀器緩慢上提電纜，操作SL-6000型地面處理設(shè)備開始等深測井操作，仿真設(shè)備接收地面處理系統(tǒng)命令并實時響應(yīng)，輸出仿真測井信號。操作員可由人機交互接口隨時改變測井速度，直到地面處理設(shè)備停止測井作業(yè)。地面系統(tǒng)在仿真信號源的作用下，與實際測井一樣，可對數(shù)據(jù)記錄，顯示存儲，并輸出測井結(jié)果，其測井資料可與標(biāo)準(zhǔn)資料進行對比，一方面可確定地面處理系統(tǒng)的性能，另一方面可對操作員的操作作出評價。
　　
　　4、關(guān)鍵模塊的實現(xiàn)
　　
　　4.1控制模塊的設(shè)計
　　
　　測井機器人傳輸?shù)膠ui大數(shù)據(jù)率為230Kb/s，仿真設(shè)備不僅要提供如此的數(shù)據(jù)量，而且要考慮能同時支持人機交互設(shè)備（如顯示屏、觸摸屏、鍵盤等）并進行數(shù)據(jù)存儲，這就要求所選控制器的速度、存儲器管理單元（MMU）、高速緩存（Cach）、流水線等方面的綜合性能達到任務(wù)要求。仿真系統(tǒng)的深度脈沖達到計數(shù)要求時，需及時產(chǎn)生所有相關(guān)的測井信號，如此才能保證測井信號與下井儀器的相應(yīng)深度協(xié)調(diào)一致，否則，仿真實驗將產(chǎn)生誤差，誤差過大會導(dǎo)致整個仿真過程的失敗，這就要求系統(tǒng)提供很強的實時性保障，給控制模塊的選取提出了要求。
　　
　　選用CPU芯片設(shè)計控制模塊，費時費力，增加設(shè)計難度并延長設(shè)計周期。因此設(shè)計采用了已有的控制模塊ARM通用板卡。ARM通用板卡采用S3C2410X處理器，處理器內(nèi)部集成ARM920T內(nèi)核，實現(xiàn)了MMU、五級整數(shù)流水線、AMBA總線、HarvardCach結(jié)構(gòu)，zui高頻率203MHz，采用低功耗設(shè)計，與實時操作系統(tǒng)配合可有效保證系統(tǒng)的實時性能。芯片內(nèi)部集成了SD卡接口、USB接口、觸摸屏接口和LCD控制器等通用外設(shè)，極大的減小了外圍元件的添加，減小了電路板的面積和設(shè)計工作量。另一方面，三星公司提供的資料比較齊全，提供zui小系統(tǒng)與基本外設(shè)的原理圖，有多種外設(shè)的測試程序可供參考，給軟硬件開發(fā)帶來方便。調(diào)試可使用基于JTAG的調(diào)試系統(tǒng)，不需要在目標(biāo)系統(tǒng)運行相應(yīng)程序，就可訪問系統(tǒng)狀態(tài)和內(nèi)核狀態(tài)，并可在RAM、ROM程序中設(shè)置斷點等，調(diào)試方便。ARM通用板卡只有普通名片大小，全部采用低功耗器件，大大降低了儀器的功耗、體積，同時給結(jié)構(gòu)設(shè)計帶來便利。
　　
　　4.2通信模塊的實現(xiàn)
　　
　　目前較有競爭力的通信接口包括USB、以太網(wǎng)和1394接口。其中1394接口性能，硬件代價高，目前只在應(yīng)用。USB和以太網(wǎng)應(yīng)用非常普遍，成本低，性能可靠。在選用ARM通用板卡的基礎(chǔ)上，可選擇的通信方式包括UART（通用異步收發(fā)器）、Ethernet（以太網(wǎng)接口）、USB1.1（通用串行總線接口）。UART接口技術(shù)簡單成熟，性能可靠，但UART控制器性能差。以太網(wǎng)連接具有較高的可靠性，傳輸速度高達10M、100Mbps，適合大數(shù)據(jù)量傳輸，并且通信距離遠，普通雙絞線的組網(wǎng)方式可以達到150m的連接范圍，通過中繼則可連接到更遠距離，已成為當(dāng)今互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中底層鏈接*的部分。此外USB總線具有低成本、兼容性好、功能強大、易于使用、易于擴展、支持即插即用等特點，已被廣泛采用，但通信距離不應(yīng)超過3m。
　　
　　基于以上分析，仿真設(shè)備采用以太網(wǎng)和USB兩種通信方式。采用以太網(wǎng)接口便于仿真設(shè)備與地面處理系統(tǒng)通信。仿真機器人內(nèi)部使用10/100M自適應(yīng)交換機，與主機通信速率為100Mbps，故仿真設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)接口也選用了100M的網(wǎng)絡(luò)控制器DM9000，下載500MB的數(shù)據(jù)僅需幾十秒，速度可以滿足要求。DAVICOM公司生產(chǎn)的DM9000網(wǎng)絡(luò)控制芯片是一款10/100M自適應(yīng)單芯片以太網(wǎng)控制器，集成了MAC層控制器、PHY層控制器和片內(nèi)4KdwordSRAM緩存器，支持8位、16位、32位微處理器接口，支持MII接口，采用低功耗設(shè)計，工作溫度范圍0～85℃，IO引腳5V耐壓，采用了LQFP100的貼片封裝。
　　
　　DM9000具有三種不同的配置模式：默認(rèn)模式，IO限定引腳模式和EEPROM模式。三種模式的優(yōu)先級為EEPROMzui高，IO引腳模式其次，默認(rèn)模式zui低。EEPROM模式，DM9000的配置信息存儲在外部的串行EEPROM里，系統(tǒng)上電復(fù)位時，DM9000通過SPI接口，自動將配置信息讀出;IO限定引腳模式，DM9000的配置信息（包括總線寬度、IO基址、中斷極性等）都由特定引腳的電平?jīng)Q定，在系統(tǒng)上電復(fù)位時完成;特定引腳都內(nèi)置了60KΩ的下拉電阻，默認(rèn)為低電位，即默認(rèn)模式。在本課題中，為方便地完成初始化配置過程，選用默認(rèn)模式，不必使用的ROM，降低了設(shè)計的復(fù)雜度。本設(shè)計中采用默認(rèn)的配置模式，使用16位數(shù)據(jù)總線，分配地址0x86000000用于訪問尋址端口，分配地址0x86000004用于訪問數(shù)據(jù)端口，分配INT9作為DM9000中斷輸入口，圖二給出了DM9000硬件接口電路。　　　　
　　4.3人機接口模塊的實現(xiàn)
　　
　　人機交互模塊需有命令接收和狀態(tài)顯示功能。為了便于操作，設(shè)計中沒有選擇鍵盤、鼠標(biāo)等輸入方式。旋鈕、按鈕等操作方式靈活性差，不利于功能擴展，設(shè)計中也沒有采用。LCD與觸摸屏組成的人機接口結(jié)構(gòu)緊湊，性能可靠，是比較合適的選擇。S3C2410集成有觸摸屏接口和LCD控制器，更大大簡化了硬件設(shè)計，增強了可靠性，減小了儀器體積。
　　
　　LCD屏包括定制顯示、字符顯示、全圖顯示三種類型，為便于靈活顯示選用全圖顯示LCD屏。集成的LCD控制器支持STNLCD和TFTLCD，支持多種尺寸的LCD屏?？紤]LCD性能及設(shè)備外形與裝配，選用中國臺灣元太公司生產(chǎn)的TFT液晶屏V16C6448AC，6.4inch，全彩色，可視角度15/35（L/R），55/55（U/D），解析度640×480。觸摸屏選擇流行的四線電阻式觸摸屏，性能可靠，屏的大小也為6.4inch，與LCD屏匹配。
　　
　　LCD控制器用來發(fā)送視頻數(shù)據(jù)并產(chǎn)生必需的控制信號，主要包括REGBANK、LCDCDMA、TIMEGEN、VIDPRCS。REGBANK用來配置控制器，使之與LCD面板相匹配。TIMEGEN產(chǎn)生LCD控制信號，如VSYNC，HSYNC，VCLK，VDEN等。LCDCDMA為DMA，可自動傳送幀存儲區(qū)視頻數(shù)據(jù)到LCD驅(qū)動器，不受CPU的干預(yù)。VIDPRCS從LCDCDMA接收數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)變?yōu)楹线m的格式發(fā)送到LCD驅(qū)動器。
　　
　　5、總結(jié)
　　
　　本文的創(chuàng)新點是：在設(shè)計中，采用以實物為基礎(chǔ)實時仿真機制，以ARM9處理器S3C2410和FPGA為核心成功搭建了硬件仿真平臺;實現(xiàn)了底層驅(qū)動程序與上層軟件程序的編寫與調(diào)試，可進行測井項目的虛擬仿真實驗。經(jīng)過測試，系統(tǒng)能夠按照實際機器人的工程作業(yè)過程，對地面系統(tǒng)的性能進行全面仿真和模擬。