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- 隨鉆測(cè)井系統(tǒng)井下傳感器的低功耗設(shè)計(jì)
- 來(lái)源：賽斯維傳感器網(wǎng) 發(fā)表于 2015/5/21
引 言
隨鉆測(cè)井LWD(Logging WhiIe Drilling)技術(shù)是將測(cè)井儀器安裝在靠近鉆頭的部位，在地層剛鉆開(kāi)后就測(cè)量地層各種信息的一種測(cè)井方法。它通過(guò)測(cè)量地層傾角和方位、鉆頭方向、鉆壓、扭矩等，進(jìn)行鉆井定向控制，測(cè)量地層的電阻率、自然電位、自然伽馬、密度／中子、核磁、聲波時(shí)差等。LWD在鉆井的過(guò)程中測(cè)量地層巖石物理參數(shù)，并用數(shù)據(jù)遙測(cè)系統(tǒng)將測(cè)量結(jié)果實(shí)時(shí)送到地面進(jìn)行處理，形成地層評(píng)價(jià)。由于當(dāng)前數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的限制，大量的數(shù)據(jù)仍存儲(chǔ)在井下儀器的存儲(chǔ)器中，起鉆后回放。其測(cè)量結(jié)果克服了井眼擴(kuò)徑、泥漿入侵等一系列環(huán)境條件的影響。隨鉆測(cè)井可實(shí)時(shí)提供地層和井深信息，對(duì)地層做出快速評(píng)價(jià)，優(yōu)化井眼軌跡和地質(zhì)目標(biāo)，指導(dǎo)鉆進(jìn)。特別是在疑難井、大斜度井、水平井中，它顯示出比電纜測(cè)井更為重要的作用。LWD系統(tǒng)主要由2部分組成：地面系統(tǒng)和井下系統(tǒng)。如圖1所示。
地面系統(tǒng)包括：上位機(jī)PC、接口卡、專(zhuān)用電纜、增效箱以及其他附屬配件。其中主機(jī)裝有LWD系統(tǒng)專(zhuān)用地質(zhì)導(dǎo)向鉆井配套軟件Insite。
井下系統(tǒng)包括：總線控制器(HCIM)、隨鉆自然伽馬測(cè)量?jī)x(DGR)、隨鉆電阻率測(cè)量?jī)x(EWR)、隨鉆中子傳感器(CNP)、隨鉆巖石密度傳感器(SLD)、工具串振動(dòng)傳感器(DDS)、探管(PCD)。
由此可見(jiàn)，LWD井下系統(tǒng)有大量傳感器對(duì)不同參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，耗電量非常大。由于每次鉆井設(shè)備下井都要耗費(fèi)大量人力物力，而且一旦下井，鉆井設(shè)備會(huì)在地下持續(xù)長(zhǎng)時(shí)間工作，而且鉆井深度可達(dá)幾千米，只能通過(guò)安裝在鉆頭附近的電池供電。隨鉆測(cè)井系統(tǒng)的供電由2組鋰電池(3．6 V)并聯(lián)組成，每組6節(jié)串聯(lián)，構(gòu)成21 V直流電源。電池儲(chǔ)能是有一定限制的。例如渤海油田的B20井就是應(yīng)用LWD技術(shù)，測(cè)量井段為2 102～3 073 km，連續(xù)工作5天。其他應(yīng)用LWD鉆井技術(shù)的石油井也是如此，有些LWD傳感器甚至要連續(xù)在井下工作半個(gè)月之久。因此降低系統(tǒng)功耗就是隨鉆測(cè)井系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的一個(gè)十分重要的問(wèn)題。
1 低功耗電路設(shè)計(jì)的基本原則
對(duì)于典型系統(tǒng)而言，其功耗大致滿(mǎn)足：P=C×V2×f。C是電容負(fù)載，V是電源電壓，f是開(kāi)關(guān)頻率。功耗與工作電壓的平方成正比，因此工作電壓對(duì)系統(tǒng)的功耗影響最大，其次是工作頻率。電容負(fù)載也會(huì)有一些影響，但電容負(fù)載對(duì)設(shè)計(jì)人員而言一般是不可控的。因此設(shè)計(jì)低功耗系統(tǒng)，應(yīng)該考慮在不影響系統(tǒng)性能前提下，盡可能地降低工作電壓和使用低頻率的時(shí)鐘。
對(duì)于隨鉆測(cè)井系統(tǒng)，由于傳感器在地下幾千米工作，溫度極高，工作空間狹小，在設(shè)計(jì)上就提出了其他一些挑戰(zhàn)。在高溫下，電容等器件的性能會(huì)減半，因此在進(jìn)行器件選型時(shí)，這些因素都考慮其中。
另外，動(dòng)態(tài)功耗管理也是降低功耗的有效途徑。動(dòng)態(tài)功耗管理是當(dāng)前最重要的系統(tǒng)功耗優(yōu)化技術(shù)之一。它根據(jù)系統(tǒng)各模塊性能，動(dòng)態(tài)地配置系統(tǒng)，使系統(tǒng)中各功能模塊處于滿(mǎn)足性能需求所需的最低功耗狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)省功耗的目的。
2 基于MC9S12Q128的低功耗系統(tǒng)設(shè)計(jì)
MC9S12系列單片機(jī)是以CPU12內(nèi)核為核心的16位單片機(jī)，簡(jiǎn)稱(chēng)S12系列。典型的S12總線速度為8 MHz，最高可達(dá)25 MHz。其I／O和CPU可以運(yùn)行在不同的時(shí)鐘下。CPU功耗可以通過(guò)開(kāi)關(guān)狀態(tài)寄存器的控制位來(lái)控制。MC9S12Q128外部采用5 V電壓供電，正常運(yùn)行時(shí)最大電流為5 mA，低功耗模式下不到1 mA，為設(shè)計(jì)低功耗系統(tǒng)提供了有利的條件。
2.1 電 源
對(duì)于MC9S12Q128而言，它的外部供電電壓是5 V，I／O端口也是按5 V供電的邏輯電平設(shè)計(jì)的，這樣可以在使用時(shí)接口電路直接與TTL標(biāo)準(zhǔn)電平的器件連接。這些接口電路應(yīng)該也是低功耗的，否則會(huì)造成一方面使用低電壓降低了功耗，另一個(gè)方面使用額外的接口電路又增加了系統(tǒng)的功耗。芯片內(nèi)部用2．5 V供電，低電壓供電保證了芯片的低功耗。芯片內(nèi)部5 V到2．5 V通過(guò)內(nèi)部電壓調(diào)整模塊自行進(jìn)行轉(zhuǎn)換。
由于傳感器系統(tǒng)是由電池供電，實(shí)際電池具有以下非線性特性：
①輸出電壓在放電過(guò)程中逐漸下降，低于某個(gè)閾值電壓時(shí)，電池耗盡而停止工作；
②電池的有效能量與放電電流情況有關(guān)；
③電池具有自恢復(fù)效應(yīng)，即電池在非供電時(shí)期可以回收部分電荷，從而增加了其有效量。
根據(jù)電池的以上特性，提出了根據(jù)電池狀態(tài)調(diào)度任務(wù)的策略；對(duì)多電池驅(qū)動(dòng)的設(shè)備，提出了以下各種電池調(diào)度和管理技術(shù)：
◆靜態(tài)調(diào)度。按照一定的次序輪流使用各個(gè)電池，每個(gè)電池工作的時(shí)間固定。
◆動(dòng)態(tài)調(diào)度。通過(guò)檢測(cè)電池的輸出電壓或放電電流，確定電池的狀態(tài)，從而決定各電池間的切換時(shí)間和順序。
2.2 時(shí)鐘頻率
從低功耗的角度看，需要較低的頻率；但是在實(shí)時(shí)應(yīng)用中為了快速響應(yīng)外部事件，又需要比較快的系統(tǒng)時(shí)鐘。MC9S12Q128內(nèi)部總線速率最高可達(dá)25 MHz，即40 ns的最小指令周期。MC9S12Q128內(nèi)部集成了完整的節(jié)能振蕩電路。如果外接振蕩電路，需要配置時(shí)鐘合成寄存器(SYNR)和時(shí)鐘分頻寄存器 (REFDV)。靠鎖相環(huán)產(chǎn)生的時(shí)鐘頻率由下面的公式得到：
PLLCLK=2×OSCCLK×(SYNR+1)／(REFDV+1)其中OSCCLK為外部晶振頻率。
經(jīng)測(cè)試，應(yīng)用鎖相環(huán)電路時(shí)，在21 V電壓供電情況下，電流會(huì)增大5 mA左右。本設(shè)計(jì)選用16 MHz的外部晶振，總線頻率為默認(rèn)的8 MHz。在保證不影響系統(tǒng)性能的前提下，減少系統(tǒng)功耗。
2.3 低功耗軟件控制
MC9S12Q128 的工作模式通過(guò)模塊的智能化運(yùn)行管理和CPU的狀態(tài)組合，以先進(jìn)的方式支持超低功耗的各種要求。MC9S12Q128支持3種低功耗模式——停止模式、偽停止模式和等待模式。CPU條件碼寄存器CCR中的S位是STOP指令禁止位，如果要進(jìn)入STOP模式，該位應(yīng)置0。
停止模式：當(dāng)CLKSEL寄存器中的PSTP=0時(shí)，CPU執(zhí)行STOP指令，停止所有的時(shí)鐘和晶振，從而使芯片進(jìn)入完全靜態(tài)模式。從這一模式喚醒CPU可以通過(guò)復(fù)位或外部中斷。
偽停止模式：當(dāng)CLKSEL寄存器中的PSTP=1時(shí)，CPU執(zhí)行STOP指令進(jìn)入偽停止模式。在這種模式下實(shí)時(shí)時(shí)鐘中斷和看門(mén)狗模塊仍然在工作，其他的外設(shè)被關(guān)閉。這種模式消耗的電流比停止模式要大，但是縮短了喚醒CPU所需要的時(shí)間。
等待模式：CPU執(zhí)行WAI指令后進(jìn)入等待模式。在這種模式下，CPU不執(zhí)行指令，內(nèi)部的數(shù)據(jù)總線和地址總線都被關(guān)閉，所有的外設(shè)都處于激活的狀態(tài)。
2.4 外設(shè)低功耗管理
隨鉆測(cè)井系統(tǒng)傳感器主要包括CPU及外圍電路、電源、UART通信、RTC、電壓電流及溫度傳感器、Flash存儲(chǔ)、總線通信部分和總線接口部分。其中耗電較多的是Flash模塊、電壓、電流及溫度測(cè)量模塊、RTC及通信電路。有些模塊在一些時(shí)期是不需要工作的，因此可以動(dòng)態(tài)電源管理，達(dá)到節(jié)約功耗的目的。
應(yīng)用增強(qiáng)型P溝道MOS開(kāi)關(guān)管VP0300L進(jìn)行以上模塊的供電控制，在無(wú)需供電的情況下切斷模塊的供電，達(dá)到節(jié)能的效果。在關(guān)閉每個(gè)模塊的供電前先關(guān)閉該模塊與MCU相應(yīng)的通信總線，避免損壞接口。
Flash模塊：在不讀寫(xiě)存儲(chǔ)器時(shí)可以關(guān)閉存儲(chǔ)器的電源節(jié)約功耗。在讀寫(xiě)的時(shí)候同時(shí)由MCU相應(yīng)I／O口送出高電平，閉合開(kāi)關(guān)。讀寫(xiě)完成后可以斷開(kāi)開(kāi)關(guān)。 Flash約1分鐘讀寫(xiě)1次。SW_FL連接到Q128的I／O，當(dāng)SW_FL置高時(shí)，SW_FL端電壓不小于VCC，開(kāi)關(guān)管斷開(kāi)，停止供電。當(dāng) SW_FL置低時(shí)，SW_FL端電壓小于VCC，開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通。
溫度、電壓、電流、電量監(jiān)測(cè)模塊：3個(gè)檢測(cè)模塊每1分鐘采集1次。3個(gè)模塊應(yīng)用1個(gè)開(kāi)關(guān)，在檢測(cè)時(shí)閉合開(kāi)關(guān)，給3個(gè)傳感器供電，使其工作。采集結(jié)束，斷開(kāi)開(kāi)關(guān)，降低功耗。
時(shí)間管理模塊與1553通信模塊：當(dāng)總線無(wú)信號(hào)時(shí)，MCU斷開(kāi)2個(gè)模塊的電源，降低功耗。當(dāng)總線有信號(hào)時(shí)，MCU先被喚醒，然后通過(guò)MOS開(kāi)關(guān)閉合開(kāi)關(guān)，給2個(gè)模塊供電。2個(gè)模塊共用1個(gè)開(kāi)關(guān)。
2.5 系統(tǒng)低功耗控制流程
系統(tǒng)低功耗控制流程如圖2所示
結(jié) 語(yǔ)
MC9S12Q128以其卓越的性能和極低功耗的特點(diǎn)，使開(kāi)發(fā)人員有很大的余地來(lái)設(shè)計(jì)出高性能的低功耗系統(tǒng)。實(shí)踐證明，使用MC9S12Q128為核心構(gòu)成的隨鉆測(cè)井系統(tǒng)，其電池的使用壽命已經(jīng)與進(jìn)口系統(tǒng)相差不大。
進(jìn)口隨鉆測(cè)井設(shè)備一般在井下工作時(shí)間為300小時(shí)。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，自主研發(fā)的基于MC9S12Q128的隨鉆測(cè)井設(shè)備可以在井下持續(xù)工作200多小時(shí)，完全可以滿(mǎn)足各種水平井對(duì)傳感器的功耗要求。可以預(yù)見(jiàn)，在不久的將來(lái)國(guó)產(chǎn)隨鉆系統(tǒng)的功耗將越來(lái)越低，達(dá)到國(guó)際水平。
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