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基于DSP的石油井下测试仪的设计与实现
摘 要 TMS320F2812是高性能DSP处理器与闪存及高精度ADC的完美结合，它成为我们实现石油井下测试系统集成化的重要手段。本文简要介绍了TMS320F2812主要性能，详细论述了测试系统的工作原理和DSP的软件流程设计。
关键词 TMS320F2812；变频 ；射孔
0．引言
试井是一门新兴的综合性科学。试井的目的之一就是确定油井的地层压力，而这其中的射孔工艺是关键环节,有效的射孔孔眼对于正确评价油气层是至关重要的。射孔时和压裂恢复过程的压力数据是油气田开发过程中的一项极为重要的资料。它是研究油气层特征，掌握油气层动态，检查地面采油工艺流程的重要手段。射孔工艺是否合理直接影响石油产量的高低和射孔作业的安全。为此，必须借助于各种精密的压力测量仪表，以获得相当精确的压力资料。
信号采集与处理系统在现代电子系统中应用最为广泛，数字信号处器（DSP）给信号采集与处理系统提供了高品质的平台。TMS320F2812是TI公司最新推出的基于代码兼容的TMS320C28X内核的新型高性能32位定点数字信号处理器，实现了高性能DSP与闪存及高精度ADC的完美结合。F2812具有高集成度，本文利用其和少量外设电路构成了完整的采集系统，降低了板级空间及系统成本，系统的可靠性得到了明显提高，实现了更简单、更高效和更经济的设计。本文简要介绍了TMS320F2812主要性能，详细论述了测试系统的工作原理和DSP的软件流程设计。
1．DSP简介
TMS320F2812数字信号处理器是在F24X的基础上开发的32位高性能定点芯片。能够运行24x开发的代码程序。它的主要特点如下：
• 采用高性能的静态CMOS技术，主频可以工作在150MHz；高性能的32位中央处理器，可以进行16×16位以及32×32位的乘且累加操作；
• 具有12bit的ADC单通道最快转换周期为200ns，模拟输入范围为0.0V～3.0V；可选择事件管理器触发、软件触发和外部触发；
• 片内大容量存储器128K×16bit的Flash和18K×16bit的数据/程序存储器；
• 高速外设接口，可编程等待周期，最多1MB的寻址空间；
• 两个事件管理器（EVA、EVB），每个事件管理器有2个16位定时器、3个全比较器、3个事件捕捉器和1个正交编码脉冲通道；
• 3个外部中断和外部中断扩展(PIE)模块， 56个独立的可编程多用途输入输出引脚(GPIO)等；
• 改进的eCAN 2.0B接口模块；多种串行通信接口(两个UART ,1个SPI及1个McBSP)；
•采用1.8V内核电压和3.3V外围接口电压，支持IDLE，STANDBY和HALT模式。
2．测试系统的工作原理
2.1 存储测试原理简介
所谓存储测试技术，是指在对被测对象无影响或影响在允许范围的条件下，在被测体内置入微型存储测试仪器，现场实时完成信息快速采集与存储，事后回收记录仪，由计算机处理和再现被测信息的一种动态测试技术。
2.2 存储式石油井下测试系统的工作原理
存储式石油井下测试系统是存储测试技术理论在民用领域的重要应用之一。它是石油油井射孔、压裂复合弹爆燃压力测试的专用仪器。该产品自带传感器、适配放大器、数据采集系统、电池和高强度的壳体。油井测试仪在电路上电后可以与射孔枪、定位器一起用缆绳放到井下预定的深度，当聚能射孔弹爆炸时，自动地以较高地采样频率精确的测量和记录井下射孔的压力变化过程；之后还可以记录射孔结束后的压力恢复过程。采样结束后，因为仪器带有标准计算机接口，可直接与计算机并口连接进行读数。工程技术人员据此P-t曲线可以提取有用的井下动态信息，准确地判断射孔效果，为试井解释提供可靠的数据。
测试系统从模块设计方面来讲，由模拟、数字、通讯三部分组成。模拟部分主要是对输入信号进行放大和滤波；数字部分主要是DSP内ADC的转换和存储；通讯部分主要是DSP控制逻辑时序和通过XINTF接口对存储器的控制。
2.3油井测试仪设计中的状态分析
根据存储测试系统的状态设计理论，我们对测试仪的设计进行了状态分析。对于测试仪测试、存储的具体过程，采样环节采用变频采样策略：系统复位至射孔开始采用高频采样，存储器保持循环计数，存储器储存的内容不断被改写，此时采集到的为射孔前井下静压；射孔时ADC采集到的压力信号不断与设定的编程值比较，当压力信号大于或等于设定的编程值产生触发信号，测试电路被触发，通用定时器2开始计数；计满后通用定时器2产生中断1，改为低频采样，同时通用定时器2重新装入计数值开始计数，直至通用定时器2产生中断2，测试系统进入待读书状态。对于压力变化比较复杂的射孔过程，采用高频采样，这样就可以较完美的刻划射孔瞬间的压力脉冲；射孔完毕之后，用低频采样就可以较长时间的记录压力恢复过程。
这样，以状态为突破口进行分析就可以把这个过程清晰的分为六个状态：系统复位状态、触发前高速采存状态、触发后高速采存状态、低速采存状态、信息保持状态、数据读出状态。为了调电路的方便，将此过程划分为四个状态转换点：P1(系统复位后进入高速采存，存储器保持循环计数), P2(触发后高速采存，通用定时器2开始计数),P3(存储器写满N1个点，通用定时器2产生中断1), P4(存储器写满N2个点，通用定时器2产生中断2，进入信息保持状态等待读出)。状态转换图如图1所示。
3．软件模块
油井测试仪的设计是以DSP为核心来实现的。DSP的软件部分主要包括五个部分：系统配置模块、ADC采集模块、中断程序模块、信息保持配置模块、与计算机通信模块。
4．软件设计
由于TMS320F2812具有丰富的外设和超强的处理能力，很多功能我们用软件实现。根据软件模块我们设计了主程序和ADC中断程序等。
4.1 主程序
主程序的主要任务是系统初始化、ADC的循环采样、信息保持状态的配置和与计算机通信等，流程图如图2所示。其中信息保持状态是从数据采集结束至与计算机通信，在实际射孔作业中这段时间较长，所以应以低功耗的原则使整个采集系统处于低功耗状态(如设置控制电源管理的GPIO管脚关断模拟电路的供电电源，使ADC处于关闭模式, 使DSP处于STANDBY状态，唤醒信号设置为XNMI_XINNT13等）；与计算机通信是通过计算机的打印并口把数据传送到计算机中。
定时器2中断1功能：定时器2产生的上溢中断1将变量ad_flag的值置为3，同时改变ADC的配置实现由高速采存到低速采存的转变，配置定时器2设置低速采存时间。定时器2中断1如图4所示。
定时器2中断2功能：数据采集完成，定时器2的上溢中断2使系统进入信息保持状态，主要是设置电路系统的低功耗模式。
以下是我们在某油田测试的一条压力—时间曲线（即P－t曲线）。
5．结论
本文所设计的油井测试仪采用高度集成化DSP处理器，电路实现简单、可靠，解决了油井测试仪微体积要求的瓶颈问题；信息保持状态利用低功耗模式降低了采集系统功耗；射孔压裂以及恢复阶段采样频率和采集时间的长短可以根据用户不同要求修改；从实验结果来看，达到了预期设计要求，满足了测井试井的多方面的需要。
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