随钻测井仪器时钟系统的研究

２０１３年第５期　西部探矿工程　５１　随钻测井仪器时钟系统的研究　张振华　（大庆钻探工程公司钻井工程技术研究院，黑龙江大庆１６３４１３）　

摘要：受泥浆脉冲上传速率的限制，随钻测井仪器采集地层的大量数据均存储在随钻测井仪器中，　必须通过时间对照，使井深与存储在仪器中的地层数据紧密关联，实现地层地质构造模型的建立。根　据随钻测井的需求，开发了基于ＩＩＣ总线的随钻测井仪器时钟系统，通过ＭＣ９Ｓ０８ＤＺ６０单片机对时　钟芯片ＰＣＡ８５６５的编程开发，为井下存储数据提供时间信息，实现井下仪器的精确计时，并给出了相　应的Ｃ语言程序。对硬件电路的长时间通电运行，通过ＲＳ２３２串口在电脑上显示ＰＣＡ８５６５时钟芯　片时间信息，该芯片计时精确，性能稳定可靠。　关键词：随钻测井；ＩＩＣ总线；程序设计；ＰＣＡ８５６５芯片　中图分类号：ＴＥ２７文献标识码：Ａ文章编号：１Ｏｏ４—５７１６（２０１３）Ｏ５一ＯＯ５１～０４　

随钻测井（Ｉ　ｗＤ，Ｌｏｇｇｉｎｇ　Ｗｈｉｌｅ　Ｄｒｉｌｌｉｎｇ）是近几　年来国内迅速崛起的先进测井技术，是在钻井的过程　中，同时进行的用于评价所钻穿地层的地质和岩石物理　参数的测量，主要有电阻率、放射性、声波及核磁等随钻　测井技术口］。随钻测井能真实反映原状地层的地质特　征，提高地层评价测井数据的质量，降低作业风险和成　本。目前，大多数ＬＷＤ采用泥浆脉冲上传数据，传输　数率较低，除了少数处理结果被实时传至地面，大量原　始数据和处理数据都存储在仪器中。为完成地层地质　情况的分析解释工作，需使用ＬＷＤ井下存储的大量数　据，这就要求井深与仪器存储的数据必须完全对应。　ＬＷＤ仪器无测量井深的能力，地面系统通过轴编码传　感器测量井深，并与测量的具体时间记录在一个文件　中。通过对照地面系统测量井深的时间和ＬＷＤ仪器　存储数据的时间，完成井深和井下存储数据的映射，实　现地层地质情况的分析及相关模型的建立。　１时钟芯片的选择　在钻井的施工过程中，井下温度较高，并且电路板　的安装空间受限，需选择耐温高、封装小的芯片。因此　选择了ＰＨＩＩ　ＩＰＳ公司的ＰＣＡ８５６５实时时钟芯片。　ＰＣＡ８５６５芯片采用小体积的ＴＳＳＯＰ８封装，可提　供年、月、日、周、时、分、秒等时间信息，并且其内部整合　振荡电容，仅需振荡频率为３２．７６８ｋＨｚ的晶体即可工　作，具体性能指标见表１Ｉ２］。同时，该芯片上包含了１６　个８位寄存器，支持外部ＭＣＵ对其编程操作。该芯片　

数据接口采用ＩＩＣ总线接口，操作简单。　表１　ＰＣＡ８５６５芯片性能指标　项目　指标　工作温度　供电电压　最大传输数率　功耗　输出频率　

一４Ｏ℃～１２５℃　１．８～５．５Ｖ　４００ｋｂｉｔ／ｓ　１．５“Ｗ　３２．７６８ｋＨｚ、１０２４Ｈｚ、３２Ｈｚ、１Ｈｚ　

２　ＩＩＣ总线简介　ＩＩＣ总线是ＰＨＩＬＩＰＳ公司推出的一种串行总线，是　具备多主机系统所需的包括总线裁决和高低速器件同步　功能的高性能串行总线。ＩＩＣ总线有２根信号线，一根是　数据线ＳＤＡ，另一根是时钟线ＳＣＩ　，如图１所示。　

图１　ＩＩＣ总线接口框图　ＩＩＣ总线进行数据传送时，时钟信号为高电平期　间，数据线上的数据必须保持稳定，只有在时钟线上的　

＊收稿日期：２０１２—１０—３１修回日期：２０１２一¨一Ｏ１　作者简介：张振华（１９７９一），男（汉族），辽宁新民人，工程师，现从事随钻仪器的研发工作。　５２　西部探矿工程　２０１３年第５期　信号为低电平期问，数据线上的高电平或低电平状态才　允许变化【３］。　ＩＩＣ总线上传送的数据信号包括地址和数据。在　起始信号后必须传送一个从机的地址（７位），第８位是　数据的传送方向位，每次数据传送总是由主机产生的终　止信号结束。在总线的一次数据传送过程中，可以有以　下３种组合方式：　（１）主机向从机发送数据，数据的传送方向在整个　传送过程中不变，如图２所示。　

田　［匹匝　哑…．匝碉　好　Ｒ　粹　Ｉ｝　

图２主机发送数据至从机框图　（２）主机发送从机地址后，读取从机数据。在传送　过程中，改变了传送方向，起始信号和从机地址都被重　复产生一次。如图３所示。　

！ｌ　竺　ｌ　Ｉ　ｌ　竺兰ｌ！Ｉ　竺　ｌ！Ｉ　ｌ　竺Ｉ全　起始　Ｒ／一Ｗ心符　起始ＰＥ—Ｗ　图３主机读取从机数据框图　

（３）主机在第一个字节后，立即读取从机数据。如　接；单片机＋３．３Ｖ和＋５Ｖ供电均能正常工作Ｅ　。　图４所示。　３硬件电路及程序设计（图５）　应用飞思卡尔公司的ＭＣ９Ｓ０８ＤＺ６０单片机控制和　采集时钟芯片的数据。该单片机集成片上调试器　（ＢＤＭ，Ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ　Ｄｅｂｕｇ　Ｍｏｄｅ），实现了片上仿真、模　拟等功能；同时具备ＩＩＣ硬件接口，简化了芯片间的连　

Ｃ１　●　●　●　Ｙ２　Ｒ】　

Ｃ３　８Ｍ　●　●　

田　［囚　工圃…．圈　起始　Ｒ，Ｗ　Ｊ　答　ｊ　Ｊ：　

图５时钟芯片接口电路图　时钟芯片采用电池供电，确保其在井下正常工作，　实现连续、精确地计时。ＳＣＩ　和ＳＤＡ上加２个４．９９Ｋ　的上拉电阻，保证ＩＩＣ总线的正常工作。单片机通过　ＩＩＣ总线接口初始化、读取时钟芯片的时间信息。此硬　件电路使用电子元器件和资源少，设计简单，便于试验　平台的搭建。　单片机程序的设计是时钟系统设计的关键。第一，　单片机要进行系统的初始化，利用内部的多功能时钟发　生器产生１２ＭＨｚ的内部总线时钟；第二，单片机需进　图４主机立即读取从机数据框图　ｒ　１＿　ｓ恤ｌａｙ　。ｌ　ＩＮＴ　ｖｓｓ　１　・．ｓ６　ＩＳＣＬ　；．：Ⅵｚ●　Ｉ　）Ａ　Ｏｓａ　Ｉ　‘　●　。　‘　琵　…一　Ｃ２　３２　７６８Ｋ　Ｒ２　Ｒ３　行ＩＩＣ模块的初始化，使能ＩＩＣ总线；第三，按照　ＰＣＡ８５６５芯片的技术文档和ＩＩＣ总线标准，初始化　ＰＣＡ８５６５时钟芯片，读取ＰＣＡ８５６５的当前时间信息，　发送给存储模块，连同测井数据存储在井下仪器中。以　下是单片机对时钟芯片编程操作的介绍。　３．１　ＩＩＣ模块的初始化　ｖｏｉｄ　ｉｉｃ——ｉｎｉ（ｖｏｉｄ）　

ｔ　ＩＩＣＣ２＝０ｘ００；　／／禁止通用呼叫　

一芑吾　署　一　～　一　

嘲　鳓　２０１３年第５期　西部探矿工程　５３　ＩＩＣＡ＝０ｘ０ｅ；　／／ＭＣＵ从地址为０ｘ０ｅ　ＩＩＣＦ＝０ｘ８ｄ；　／／ｍｕｌ＝４，ｓｃｌｄｉｖ＝４８　ＩＩＣＳ＝０ｘ９２；　／／清标志位　ＩＩＣＣ１：０ｘ８８；　／／模块使能，不发应答信号，模　式为接收　）　通过分频器寄存器ＩＩＣＦ的初始化，ＳＤＡ保持时间　为３．６７ｇｓ，ＳＣＩ　开始保持时间为６．６７　ｓ，ＳＣＬ停止保　持时间为８．３３　ｓ。　３．２　ＩＩＣ模块开始和停止　ＳＣＩ　高电平期间，ＳＤＡ由高向低变化表示开始信　号；ＳＣＩ　高电平期间，ＳＤＡ由低向高变化表示停止信　号。开始和停止信号都是由主机发出的，在开始信号产　生后，总线就处于被占用的状态；在停止信号产生后，总　线就处于空闲状态。主机模式选择位ＭＳＴ由０变为　１，产生开始信号，ＩＩＣ开始信号程序如下：　ｖｏｉｄ　ｉｉｃ＿ｓｔａｒｔ（ｖｏｉｄ）　１ＩＣＣ１　ｌ－－Ｏｘ２０；　）　主机模式选择位ＭＳＴ由１变为Ｏ，产生停止信号，　ＩＩＣ停止信号程序如下：　ｖｏｉｄ　ｉｉｃ＿ｓｔｏｐ（ｖｏｉｄ）　（　ＩＩＣＣ１＆一￣０ｘ２０：　｝　３．３等待应答信号和等待一个字节发送结束　每一个字节必须保证是８位长度，先传送最高位，　每一个被传送的字节后面都必须跟随一位应答位。等　待应答信号程序如下：　ｖｏｉｄ　ｉｉｃ＿ｗａｉｔ—。ａｃｋ（ｖｏｉｄ）　｛　ｂｙｔｅ　ｉ；　ｆｏｒ（ｉ一０；ｉ＜２５５；ｉ＋＋）／／定义查询超时时限　２５５　｛　ｉｆ（（ＩＩＣＳ＆０ｘ０１）一一Ｏ）ｂｒｅａｋ；／／等待应答信号　）　）　等待一个字节发送结束程序如下：　ｖｏｉｄ　ｉｉｃ＿ｗａｉｔ——ｆｉｎｔｘ（ｖｏｉｄ）　｛　ｂｙｔｅ　ｉ；　ｆｏｒ（ｉ＝０；ｉ％２５５；ｉ＋＋）　／／定义查询超时时限　（　ｉｆ（（ＩＩＣ１Ｓ＆０ｘ０２）！一０）　｛　ＩＩＣ１Ｓ　Ｊ＝０ｘ０２；　／／清ＩＩＣＩＦ标志位　ｂｒｅａｋ；　／／Ｎｔ出循环　）　）　）　３．４读取一个字节数据　从ＰＣＡ８５６５中读取一个字节数据，ＤｅｖｉｃｅＡｄｄｒ为　从机地址，ＡｃｃｅｓｓＡｄｄｒ为寄存器地址，＊Ｄａｔａ（指针变　量）为读取的数据，程序如下：　ｖｏｉｄ　ｉｉｃ＿ｒｅａｄｌ　ｂｙｔｅ（ｂｙｔｅ　ＤｅｖｉｃｅＡｄｄｒ，ｂｙｔｅ　Ａｃｃｅｓ—　

ｓＡｄｄｒ，ｂｙｔｅ＊Ｄａｔａ）　｛　ＩＩＣＣ１　Ｉ一０ｘｌ０；　／／ＴＸ＝１，ＭＣＵ设置　为发送模式　ｉｉｃ＿ｓｔａｒｔ（）；　／／发送开始信号　

ＩＩＣＤ—ＤｅｖｉｃｅＡｄｄｒ＆０ｘｆｅ；／／发送从地址，并通　知从机接收数据　ｉｉｃ＿ｗａｉｔ

—ａｃｋ（）；　／／等待从机应答信号　

１１ＣＤ＝＝：ＡｃｃｅｓｓＡｄｄｒ；　／／发送访问字地址　ｉｉｃ＿ｗａｉｔ

＿ａｃｋ（）；　／／等待从机应答信号　

ＩＩＣＣ１　ｌ＝０ｘ０４；　／／主机模式下，ＲＳＴＡ　位置１，产生重复开始信号　ＩＩＣＤ￣ＤｅｖｉｃｅＡｄｄｒ｝０ｘ０１；／／通知从机改为发送　数据　ｉｉｃ＿ｗａｉｔ

＿ａｃｋ（）；　

ＩＩＣＣ１＆一０ｘｅｆ：　为接收模式　＊Ｄａｔａ＝ＩＩＣＤ；　收数据　ｉｉｃ＿ｗａｉｔ＿ｆｉｎｔｘ（）；　

传送完成　ｉｉｃ＿ｓｔｏｐ（）；　

＊Ｄａｔａ＝ＩＩＣＤ；　数据　

／／等待从机应答信号　／／ＴＸ＝０，ＭＣＵ设置　

／／读出ＩＩＣＤ，准备接　／／等待一个字节数据　／／发送停止信号　／／读出接收到的一个　

｝　３．５写一个字节数据　向ＰＣＡ８５６５中写一个字节数据，用于时间初始化，　程序如下：　ｖｏｉｄ　ｉｉｃ—ｗｒｉｔｅｌｂｙｔｅ（ｂｙｔｅ　ＤｅｖｉｃｅＡｄｄｒ，ｂｙｔｅ　Ａｃ—　

ｃｅｓｓＡｄｄｒ，ｂｙｔｅ　Ｄａｔａ）　ｉ　ＩＩＣＣ１　ｆ一０ｘｌ０；　／／ＴＸ一１，ＭＣＵ设置　为发送模式