基于CAN总线的石油录井仪系统设计.pdf

2 0 1 4年 第 2 8卷 第 4期 石油仪器 P ETRoLEUM I NS TRUM ENI S 2 5 开发设计 基于 C A N总线的石油录井仪系统设计 魏阳庆 魏飞龙 姜 钧。 何昊阳 王舒迟 1 ．中国石油川庆钻探工程公司地质勘探开发研究院四川 成都 2 ．中国石油川庆钻探工程公司佳诚检测公司 四川 成都 3 ．中国石化 中原油田技术监测中心河南 濮阳 4 ．中国石油西南油气 田公司勘探开发研究院 四川 成都 摘 要 文中设计 了一种石油综合录井采集监测 系统。为了准确快速获取石油钻井现场工况和地质录井综合信息， 在 系统中 采用了C A N现场总线通信技术。 系统分为连接传感器的前级采样的从节点和连接工控机的通信主节点， 从节点负责控制各类 传感器对信息参数采样和 C A N总线通讯， 主 节点 负责 C A N总线与以太网通讯， 系统主要利 用了内置 C A N接 口控 制器的 S T M 3 2 F 1 0 3 V B T 6 单片机和 E N C 2 8 J 6 0以太网控制器完成信息信号的编码转换， 满足了钻井现场复杂环境要求。 关 键 词 C A N总线； 石油录井； 传感器； S T M3 2 F 1 0 3 V B T 6 ； E N C 2 8 J 6 0； 单片机 中图法分类号 T N 9 1 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 4～9 1 3 4 2 0 1 4 0 40 0 2 5 0 4 0 引 言 石油钻井工程是一项复杂危险持续时间长的现场 施工作业 ， 完善可靠 的智能监测系统是保证钻井作业 顺利进行 的重要环节。现代综合录井仪核心作用之一 就是进行钻井作业现场的实时监测。它 由传感器 、 控 制采集电路和计算机数据处理分 析及 显示系统等组 成 J 。在对钻井现场作业 的系统分析基础上 ， 设计 了 基于 C A N现场总线通信 的综合录井监测系统， 实际应 用表 明有 良好的实时监测效果。 1 钻 井现场 监测 系统组成及 C AN 总线技术 1 ． 1井场 工 况 分 析 钻井现场主要分为机械钻井系统、 泥浆循环系统 以及井场安全控制系统。因此录井仪检测的数据对应 为钻井工程参数、 泥浆参数和有害气体参数等， 它们均 是通过传感器把相应物理量和化学量转变成标准电信 号 ， 然后传送到录井仪采集接 口电路上， 并上传至工控 机 ， 数据由计算机处理后 ， 通过显示器设备和报警 系统 完成钻井现场监测。录井仪所用的传感器种类 繁多， 从传感器输出信号 的类型上可分为 模拟量传感器和 数字量传感器两大类。 1 ． 2 C AN 总 线原 理 C A N总线通信协议只定义 了 I S O七层协议 的最下 面的数据链路层和物理层。其 中数据链路层规定了在 介质上传输 的数据位 的排列和组织。如 数据校验和 帧结构。物理层规定通讯介质的物理特性 ， 如 电气特 性和信号交换的解释。C A N总线能够使用多种物理介 质， 例如双绞线、 光纤等， 最常用 的就是双绞线。信号 使用差分电压传送， 两条信号线被称为“ C A N H ” 和 “CAN L ” ， 静态时均是 2 ． 5 V左右 ， 此时状态表示为逻 辑“ 1 ” ， 也可以叫做“ 隐性” 。用 C A N H比 C A N L高 表示逻辑“ 0 ” ， 称为“ 显性” ， 通常 电压值为 C A N H 3 ． 5 V和 C A N L 1 ． 5 V 。 一 个由 C A N总线构成的单一 网络 中， 理论上可以 挂接无数个节点。实际应用 中， 节点数 目受 网络硬件 的电气特性所限制 。例如 ， 当使用 P h i l i p s P 8 2 C 2 5 0作 为 C A N收发器时 ， 同一网络 中允许挂接 1 1 0个节点。 C A N可提供高达 1 M b it ／ s 的数据传输速率， 这使实时 控制变得非常容易。另外硬件 的错误检定特性也增强 了 C A N的抗电磁干扰能力。 2钻 井现场监测 系统设 计 2 ． 1系统硬件设计 由于 C A N总线协议是嵌入式工业控制局域网的标 准总线 ， 具有高可靠性和良好的错误检测能力 ， 被广泛 应用于现场温度恶劣、 电磁 辐射强和振动大的工业环 境， 所以特别适合石油天然气钻井井场这样的工作环 第一作者简介 魏 阳庆， 男， 1 9 6 4年生， 高级工程师 ， 1 9 8 6年毕业于西安交通大学计算数学专业 ， 目前在 中石油川庆钻探工程公司地质 勘探开发研究院从事石油天然气勘探开发研究工作， 主要研究方向为石油天然气勘探开发及信息处理。邮编 6 1 0 0 5 1 26 石油仪器 P E T R oL E U M l NS T R UME NI S 2 0 1 4年 8月 境应用 。作为串行通讯协议， C A N能有效地支持具有 很高安全等级的分布实时控制。根据 C A N总线 的功 能特点， 结合井场要采集 的各种参数和传感器的分布 情况 ， 分别将机械钻进系统、 泥浆循环系统、 安全控制 系统三部分 的传感器组成三个从节点 串联于 C A N总 线上 ， 3 个结点中内置了含 8个模拟量信号和 3个数字 量信号通道的前级采样板， 完全可以满足机械钻进系 统 、 泥浆循 环系统 、 安全控制 系统 中传 感器信号 的采 集。前级采样板装有 A D转换和 C A N收发器芯片， 核 心为集成了多种接口功能并 内嵌 网络协议 的网络单片 机 MC U ， 主节点为智能网络连接卡， 通过网线与工控 机连接 ， 完成现场总线局域数据到 以太网数据的转换 和传输 。系统硬件框图见图 1 。 L ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． I 图 1 系统硬件框 图 AD7 6 0 6 BS T Z OS _O Os _ 1 0S _2 荆 DVS CL K BUS Y S l S 2 S 3 D S 1 2 ． 1 ． 1 前级采样从节点设计 采样从节点 的核心模块 为 A R M公司的 C o r t e x系 列 3 2位 微处理器 S T M3 2 F 1 0 3 V B T 6 ， 带 5 1 2 K的 F l a s h 且 内置 C A N、 S U B、 U S A R T接 口控制器及 3个 1 2位模 数转换器 、 。 J 。它采用 C A N 2 ． 0 B协议规范， 标准 C A N 的标志符长度是 1 1 位 ， 而扩展格式 C A N的标志符长度 可达 2 9位。在 2 ． 0 B版本中规定， C A N控制器的标志 符长度可 以是 1 1位或 2 9位。遵循 C A N 2 ． 0 B协议 的 C A N控制器可以发送和接收 1 1位标识 符的标准格式 报文或 2 9位标识符 的扩展格式报文。由于设计 了 8 个模拟量通道 ， 所以采用 了 1 6位 、 8通道同步采样并具 有模数转换的数据采集芯片 A D 7 6 0 6 B S T Z， 采样频率可 达到2 0 0 k s p s ， 采用5 V单电源供电， 可以处理 -4 - 1 0 V和 5 V真双极性输入信号。从节点接 口电路见图2 。 2 ． 1 ． 2 主节点设计 其核心模块为 A R M公司的 C o r t e x系列 3 2位微处 理器 S T M 3 2 F 1 0 3 R 8 。也内嵌 了C A N、 S U B、 U S A R T接 口 控制 器 ， C A N 收 发 器 与 前 级 采 样 从 节 点 一 样 用 C T M8 2 5 1 A T ， 与上位 工控机的数 据通信采用 M i c r o h i p 系列带 S P I 接 口的独立 以太 网控制器 E N C 2 8 J 6 0 [ 。 主节点接 口电路见图 3 。 E N C 2 8 J 6 0电路如 图 4所示。在接 R J 4 5之前 ， 用 H 1 1 0 2 N L做电气隔离来满足 I E E E 3 0 2 ． 3 对 E M I 拟制的 要求 。 0S 0 0S 1 O S - 2 RDVS C LK BUS Y Sl S A S 2 S A S 3 S A I 2 C W P { I 2 C S CL I 2 C S DA 图 2 前级 采样从节点 接 口电路 US B R W, RS T W W a k e u p W C o n f W Rx D W_ T x D W C I W RTS [ [ C A N _ R C A N _T U S B _ D 一 U S B S D U S B - D I S EE PROM WP S C L S DA 一 ～ ～ 一 一 一 一 一 ～ 一 一 一 ～ 一 一一 一一 一 一U U U 一 一 一一一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一一一 2 0 1 4年 第 2 8卷 第 4期 魏阳庆等 基于 C A N总线的石油录井仪系统设计 2 7 图 3主节点接 口电路 图 4 E N C 2 8 J 6 0电路原 理图 2 ． 2系统软件设计 2 ． 2 ． 1 C A N总线应用层通信协议的制定 C A N总线应用层协议制定的总体 目标是最大限度 地发挥 C A N总线的优异性能， 使通信更加规范 、 可靠、 提高实时性， 降低总线负载率。 2 ． 2 ． 1 ． 1 确定通信的传输模式 本系统要求实现广播式通信用来对全部从结点或 部分从结点发布信息 ， 同时主结点还要具备能够对单 个结点进 行操 作 的功 能。因此定 义 以下 三种 传 输 模式 1 支持全局／ 局部广播式通信。主结点向全部或 部分结点发送信息， 从结点接收信息后进行相应动作， 不回送确认信息。 2 支持点对点应答式通信。主结点向某个从结 点发送信息请求数据， 从结点接收到请求后读取数据， 并向主结点发送请求的数据。 3 支持点对点无应答式通信。主结点向某个从 结点发送信息 ， 从结点接收到信息后执行相应操作 ， 但 不 回送确认信息。 2 ． 2 ． 1 ． 2 确定标识符的分配方案 ， 定义帧格式 标识符是 C A N总线实现仲裁的依据 ， 也是协议的 关键， 其分配方案要满足各节点及信息对优先级 的要 求。在协议 中定义了两种类型的帧 信息帧和数据帧。 信息帧用来传送主结点对从结点的命令 、 配置信息以 及通信中的连接响应信息等。而从结点向上传送过程 数据则通过数 据帧来实现。信息 帧的优 先级高 于数 据帧。 设计 中通信协议采用 C A N 2 ． 0 A标准帧格式 ， 只用 数据帧， 不采用远程帧。设计 的报文的格式如表 1所 示。D L C用于表示数据域的长度 0 7个字节； M ／ S用 于表示报文的传播方 向， 0表示 主结点向从 结点发 消 息 ， 1 表示从结点向主结点发消息； B ／ P表示通信方式 ， 0表示广播式通信 ， 1 表示点对点通信 ； M／ D表示帧类 28 石油仪器 P E T R oL E U M I NS T RU ME NI S 2 0 1 4年 8月 型 ， 0表示信息帧 ， 1 表示数据帧 ； I D 73 用于表示报 文标识符， 标识每个节点的 I D； T Y P E用于表示报文是 单帧报文还是多帧报文， 该位为 0时表示单帧或结束 帧 ， 该位为 1时表示 多帧报文 ； C MD表示命令标识 ， 包 括 0 x 0 A表示上传命令， 0 x 0 B表示下 载命令 ， 0 x 0 C表 示联机 命 令， 0 x 0 D表 示 报警 命 令 等； D A T A表 示数 据域。 表 1 报文格式 当主节点需要与从节点进行通信时， 可用 以上三 种传输模式向 C A N网络 中的从节点发送信息帧， C A N 网络中的从节点接收到信息帧后 ， 通过判别标识符和 命令标识来区别信息帧的类别， 并将 主节点所需要的 数据发送出去。当网络 中从节点发生突发事件时， 可 随时向主节点报告 ， 主节点同样也是通过标识符来识 别数据类型。 2 ． 2 ． 2 系统驱动软件设计 C A N总线通信驱动软件分为 3部分 C A N初始化、 数据发送和数据接收。 1 C A N初始化 主要是设置 C A N的通信参数。需要初始化的寄存 器有 模式寄存器 、 时分寄存器、 接收代码寄存器 、 屏蔽 寄存器 、 总线定时寄存器、 输 出控制寄存器等。需要注 意这些寄存器仅能在复位期间可写访问， 因此 ， 在对这 些寄存器初始化前 ， 必须确保系统进入 了复位状态 ， 并 且系统中各 C A N控制器的总线定时寄存器的初始化 字必须相同。 2 数据发送 从节点把现场的各传感器检测信号 数字量、 模拟 量、 开关量 进行转换处理后 ， 发向 C A N控制器的发送 缓冲区， 然后启动 C A N控制器的发送命令， 此时 C A N 控制器将 自动向总线发送数据， 不再需要从 节点 的微 控制器进行干预。若 系统 中有多个从节点 的 C A N控 制器同时向总线发送数据 ， 则 C A N控制器通过信息帧 中的标识符来进行仲裁， 标识符数值最小的 C A N控制 器具有对总线的优先使用权。 3 数据接收 主节点 C A N控制器检测到总线上有数据时会 自动 接收总线上 的数据 ， 存人其接收缓冲区， 并向其 MC U 微控制器发送接收中断， 启动 中断接收服务程序 ， MC U 通过执行中断接收服务程序 ， 从 C A N控制器的接收缓 冲区读取数据， 并对其进行进一步处理工作 。 3 结 论 设计制造的石油天然气综合录井仪系统在川渝地 区天然气钻井现场应用效果良好 ， 实际情况表明， C A N 总线是钻井现场的智能监测 的理想通信模式 ， 系统 中 前级采样节点 的统一设计使仪器配件更趋于标准化 ， 安装维护设备更方便 。同时设计 中充分考虑了钻井现 场传感器的分布组成情况 ， 使设计更趋于优化。 参 考 文 献 [ 1 ] 杜尚明． 油气地质录井[ M] ． 成都 四川科学技术出版社， 2 0 0 6 [ 2 ]I S O 1 1 8 9 81 2 0 0 3 C o n t r o l l e r A r e a N e t w o r k C A N一P a r t 1 D a t a l i n k l a y e r a n d p h y s i c a l s i g n a l l i n g [ S ] [ 3 ]朱成云． 基于 C A N总线和嵌入式 WE B的监控系统 [ J ] ． 仪表技术与传感器． 2 0 1 0 ， 4 6 1 1 [ 4 ]陈 伟． 基于 M S S P 4 3 0的 C A N总线智 能通讯板设计 [ J ] ． 仪表技术与传感器． 2 0 1 0 ， 4 6 7 [ 5 ]A R M． S T M 3 2 F 1 0 3 x x D a t a s h e e t ． 2 0 0 7 资料 [ 6 ]常霞， 马建伟． 基于 S T M 3 2的列车动力学数据采集系 统[ J ] ． 仪表技术与传感器． 2 0 1 1 ， 4 7 4 [ 7 ]孙康岭 ， 徐遵义． 基于 C A N总线与 E t h e r n e t 接 口的粮情 通信分机[ J ] ． 仪表技术与传感器， 2 0 1 1 ， 4 7 4 [ 8 ]M i c r o c h i p T e c h n o l o g y I n c ． E N C 2 8 J 6 0 D a t a s h e e t ． 2 0 0 6 资 料 收 稿 日期 2 0 1 31 22 7编辑 姜婷