1、钻井倾斜角及方位角微机测量仪,作者：霍兆权 班级：电气1081班 指导老师：刘丹,Page 2,目录,Page 3,作品简要说明,数字化数据采集和存储可以提高数据的处理效率和可靠性，很多优秀的数据处理算法也可以比较方便的实现。本文针对传统钻井倾角和方位角以照相和人工处理繁琐方法加以大大的改进，提出使用数字式三轴陀螺仪和数字式三轴加速度传感器，实时测量钻井相应深度下的倾斜角和方位角。考虑到测量过程中采用有线或无线传输数据的困难及高成本，转而采用大容量的TF卡来离线记录数据，从而大大简化数据传输及存储的问题。 本系统由8位单片机STC12C5608AD为控制核心，采用L3G4200D数字式3轴陀螺
2、仪，MMA7455数字式3轴加速度传感器，以一定的下降速度，通过设定采集时间的方法，对一定深度的钻井通过定时测量来测量出整个钻井各个部分的倾斜角和方位角的信息，并采用特殊格式记录到TF卡，采集完成可以通过串口或读卡器上传数据到电脑上，使用相应的上位机处理数据。由于单片机只需完成采集和记录数据的功能，不需要进行对硬件要求很高的各种浮点运算，大大简化下位机的设计和成本。本设计可以在陆上或海上复杂电磁环境的钻井平台上。,Page 4,研究背景与意义,国内外对井斜测量的研究成果很多。从70年代开始随钻测井技术逐渐受到了人们的充分关注和发展，在三十多年间的发展，随钻测量技术日趋完善，其研制并在现场使用的
3、仪器已达到了系列化。 本设计的意义在于：从20世纪20年代开始，经历了氢氟酸加浮动磁针、机械照相、陀螺仪式测斜仪，由于早期的测斜仪存在着精度低、只能单点测量、测量周期长、抗扰动性能差等缺点，目前一种以磁通门传感器与重力加速度传感器为主的新一代钻井测斜仪出现。然而其结构复杂，安装困难，很难保证安装误差控制在要求的范围内3。通过采用3轴加速度传感器，陀螺仪，地磁场传感器，可以通过卡尔曼滤波等滤波算法可以得到高精度的倾斜角和方位角数据。但由于钻井地质结构复杂，电磁场干扰极大，地磁场传感器测量数据不能用作对陀螺仪的测量结果进行修正，所以只能采用对陀螺仪的数据滤波，重力传感器修正的方法提高动静态特性。本
4、设计的研究对钻井测量系统的效率和精度的提高有十分重要的意义。,Page 5,总体方案介绍,设计思路采用先对各模块采用开发板实现底层驱动，选择合适精度的器件或者芯片，然后把各模块组合在一起，画电路图，做实物，以串口为调试和通信的接口，完成下位机特定的协议，把该下位机当做一个测量的器件，在VB的编程里可以看做一个对象，然后以VB的编程思想编写上位机处理程序。,Page 6,传感器选择一：陀螺仪,采用三轴陀螺仪的三维角速度积分模型,绕X轴到ZOX面,绕Y轴到Z轴,整个旋转轴变换效果,三轴角速度型陀螺仪利 用克里奥利力原理，获 得的是三轴上的角速度,Page 7,传感器选择一：陀螺仪,由于变换过程中涉
5、及很多矩阵变换，这里不加证明给出三维某一向量（点）下以某一过原点的向量旋转的坐标变换。,为待变换的三维点, 为变换后的三维点。,那么就可以采用在空间积分的方法，根据现有的三个单位长度旋转轴 分别对它们进行在3个旋转坐标轴上进行变换，得到 即为陀螺仪新的空间位置。图中实线为X坐标轴，虚线为X坐标轴,y,Page 8,传感器选择一：陀螺仪,方位角计算假设以绝对坐标的x轴为正北方向，某时刻相对坐标系的x1轴如图2-3所示。根据三维代数几何知识，方位角计算公式为,其中x1,y1为相对坐标z轴上的单位长度向量在绝对坐标的坐标值。,Page 9,传感器选择二：加速度传感器,采用三轴加速度传感器基于重力为参
6、考系的倾斜角计算,我们只需要X轴与重力的夹角，也就是我们期望的倾斜角。根据牛顿的力学原理，可以把重力在三维坐标上正交分解,化简得：,所以在 和 形成的三角形上，其中的一条直角边就是,倾斜角,Page 10,硬件设计总体方案,本设计目的是将测量的数据送给电脑的上位机程序进行处理，所以下位机硬件设计只需包含信号采集，数据存储，数据传输，还有基本状态显示功能。对下位机的设置由串口及内部数据ROM配合使用。,Page 11,硬件设计各部分介绍,Page 12,硬件主要芯片特性介绍,控制芯片STC12C5608AD程序ROM:8K，数据ROM:4K数据RAM:256B数据Xdata:512BAD:8个1
7、0位，PWM:4个定时器：3个，外部中断：2个SPI,串口，看门狗,三轴加速度传感器2/4/8g量程，8位有符号数可编程校正，温度补偿，-40+85IIC或SPI通信,Page 13,硬件主要芯片特性介绍,三轴陀螺仪L3G4200D量程：250/500/200 Dps十六位有符号数高通滤波，温度测量与补偿可编程零点校正IIC或SPI通信方式,T-Flash卡SanDisk 256MBSPI或SD通信方式,Page 14,下位机程序设计主函数,下位机程序组织形式下位机主要通过通过定时器中断和串口中断来分别实现对数据的定时采集和与上位机的通信。这节来介绍主函数的任务,干电池电源按钮（P2.1）用于
8、确定进行定时采集还是与上位机通信（开定时器还是串口）,！,Page 15,下位机程序设计定时采集,定时采集模块的主要任务1、数据采集2、数据记录到SD卡3、限定定时时间4、记录数据记录的个数5、提示数据采集完成,定时器0的设置普通的8位定时器模式（定时器0时钟为机器周期的12分频，AUXR的T0x12=0），采用方式1手动载入16位定时值，值设为10000，采用11,.0592M晶振采集时间间隔=1/11.0592M*10000,Page 16,下位机程序设计数据格式,数据记录格式先来看自定义单个记录格式：,从图表可以看出，单个记录占用9个字节，由于SD卡单个数据块最小为512字节，512%9
9、=1，不能如果硬是把SD卡的每个字节都利用到，程序上会比较复杂。考虑到内存卡本身容量很大，我们先来估算一下如果钻井深度为6000米，采集周期为10ms，下降速度为3m/s，估算占用的字节数。 总字节数=6000/3*(1000/10)*9= 1800000(B)=1.71M，用普通256M的内存卡就能简单胜任。所以没512字节会有8字节的无效字节，不影响下位机的性能，反而大大简化下位机对T-Flash卡读写程序，提高工作效率和稳定性。,Page 17,下位机程序设计通信协议,基于串口的自定义通信协议上位机指令格式：接收部分以2字节为接收基本单位，他可以代表上位机对下位机的命令或数据。实现以2个
10、字节位基本接收单位的方法为设置一个有两个字节的数组和数组指针，都是全局变量。当数组指针记录接收了两个字节，则响应判断程序，是不是对应命令字节，而对应命令字节则执行相应发送或者写操作。由于采用了这种办法，在上位机看来，设置格式只需满足设置命令0x2222（设置时间）+0xXXXX（时间数据）的格式即可设置采集时间，当发送0x1111(发送数据命令)即以9个字节为发送单位发送数据。采用该模式下串口已变成输入单位为2字节，发送单位为9字节的外设。,时间设置指令格式,发送指令格式,Page 18,下位机程序设计串口中断,串口中断流程图,Page 19,上位机程序设计总体方案,上位机的功能上位机要完成的
11、任务包括数据标度变换、存储、滤波、处理和可视化。本设计使用VB6.0作为上位机开发软件环境，采用事件驱动的编程方法，组织各部分功能。把控件与功能组织一起的程序运行逻辑和数据流向如图所示,Page 20,样机测试,样机测试方案对于本设计包括上位机和下位机的测量系统，联合调试十分重要。首先要明确调试的目的和主要手段。调试目的：1、上位机能否设置下位机参数，数据能否得到正确的处理，软件出错处理；2、下位机能否成功采集数据，发送数据和出错提示。调试主路线为：设置采集时间开始采集采集完成上传数据数据处理可视化显示。,稍后有实物演示哦,Page 21,设计总结,设计总结本文针对传统的采用照相方法测量钻井倾
12、斜角及方位角的不足，提出使用微机测量的测量仪，并通过与电脑上位机连接，提高数据的处理能力和使用的方便性。本设计涉及了单片机，传感器，运动学，数学建模，可视化编程等等方面的内容，是一个较为复杂的测量仪器。通过采用上位机和下位机的方法，把采集和存储，处理和显示分离在两个不同的硬件系统中完成，使每个硬件系统都发挥自己的特性，在成本和性能上得到很好的平衡。下位机的从传感器，到数据存储，再到数据传输都采用数字式的设备，从而提高信号的抗干扰能力，保证数据的正确性。本设计可用于电磁环境复杂的钻井下测量倾斜角和方位角。设计的不足：干电池供电不环保，锂电池更方便；串口传输速率较低，使用读卡器读数据效率更高；芯片价格低，工作环境要求高。,FOX Power,感谢观赏 Designed By FOX,
