摘要：本文分析了測(cè)井機(jī)器人作業(yè)仿真模擬的具體要求，設(shè)計(jì)采用虛擬井?dāng)?shù)據(jù)庫(kù)和測(cè)井信號(hào)相結(jié)合的方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)井環(huán)境的虛擬仿真。選擇了以深度信號(hào)作為仿真系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，以嵌入式處理器系統(tǒng)為核心，構(gòu)建了仿真系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了虛擬仿真的工作流程。在此基礎(chǔ)上，提出了虛擬仿真系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)方案，重點(diǎn)敘述了關(guān)鍵模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。
　　
　　1、前言
　　
　　測(cè)井作業(yè)是一個(gè)高風(fēng)險(xiǎn)和技術(shù)性非常強(qiáng)的野外作業(yè)，對(duì)設(shè)備的操作工程師有非常高的要求，必須進(jìn)行嚴(yán)格培訓(xùn)，執(zhí)證上崗。而傳統(tǒng)的操作員培訓(xùn)只能采取理論學(xué)習(xí)和跟井作業(yè)見(jiàn)習(xí)的方法，培訓(xùn)時(shí)間長(zhǎng)，效果差。因而開(kāi)發(fā)測(cè)井機(jī)器人的虛擬仿真系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)在室內(nèi)對(duì)地面系統(tǒng)整機(jī)進(jìn)行功能與性能分析，并解決操作工程師的培訓(xùn)問(wèn)題，使地面系統(tǒng)調(diào)試和操作人員能在實(shí)驗(yàn)室有身臨其境的效果，對(duì)測(cè)井機(jī)器人的推廣應(yīng)用具有十分重要的意義，并具有良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。
　　
　　2、仿真系統(tǒng)工作過(guò)程簡(jiǎn)介
　　
　　一個(gè)測(cè)井機(jī)器人系統(tǒng)是由地面系統(tǒng)、電纜遙傳系統(tǒng)、深度測(cè)量系統(tǒng)和下井儀器組成的。地面系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理和控制核心。在操作工程師的操作控制下，地面系統(tǒng)接收由電纜遙傳系統(tǒng)送來(lái)的下井儀器測(cè)量數(shù)據(jù)和深度系統(tǒng)傳來(lái)的深度信號(hào)，對(duì)這些信息進(jìn)行處理，并顯示記錄測(cè)井的資料和結(jié)果。同時(shí)操作員的操作指令和系統(tǒng)指令經(jīng)遙傳系統(tǒng)發(fā)送到井下儀器，對(duì)其進(jìn)行控制。每項(xiàng)仿真研究都應(yīng)從所研究系統(tǒng)的說(shuō)明開(kāi)始，只有對(duì)該系統(tǒng)具有深入的了解，明確需要解決的問(wèn)題和應(yīng)達(dá)到的目標(biāo)，并且在這些問(wèn)題上與決策者取得一致意見(jiàn)，才能為仿真建模與仿真運(yùn)行提供可靠的基礎(chǔ)。實(shí)際測(cè)井過(guò)程中，操作人員控制地面系統(tǒng)，首先配置與所選下井儀器一致的服務(wù)表，配置服務(wù)表使下井儀器完成初始化，并開(kāi)始等時(shí)測(cè)井過(guò)程。此時(shí)電纜遙傳系統(tǒng)與下井儀器均下入油井，在井筒中快速下行。此時(shí)每隔一定時(shí)間間隔，地面系統(tǒng)的DSP采集模塊自動(dòng)向下井儀器發(fā)送采集命令，下井儀器采集一組測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)并存儲(chǔ)，DSP采集模塊經(jīng)一段短暫的固定時(shí)間自動(dòng)向下井儀器發(fā)送數(shù)據(jù)上傳命令，下井儀器與遙傳系統(tǒng)把存儲(chǔ)測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)回傳到地面測(cè)井系統(tǒng)。地面系統(tǒng)利用此測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)判斷下井儀器下放是否受阻。當(dāng)下井儀器下入井底，操作人員控制地面絞車(chē)緩慢上提電纜，并操作地面系統(tǒng)開(kāi)始等深測(cè)井過(guò)程。在等深測(cè)井過(guò)程中，每隔一定深度間隔，地面系統(tǒng)的DSP采集模塊自動(dòng)向下井儀器發(fā)送采集命令，下井儀器采集一組測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)并存儲(chǔ)，DSP采集模塊經(jīng)一段短暫的固定時(shí)間自動(dòng)向下井儀器發(fā)送數(shù)據(jù)上傳命令，下井儀器與遙傳系統(tǒng)把存儲(chǔ)測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)回傳到地面測(cè)井系統(tǒng)。在等深測(cè)井過(guò)程中，反映地層巖石物性的大量測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)被地面系統(tǒng)采集處理，得到相應(yīng)測(cè)井結(jié)果。
　　
　　3、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案
　　
　　測(cè)井作業(yè)都與實(shí)際測(cè)井時(shí)下井儀器所處的深度有關(guān)，所有的測(cè)井信號(hào)都是該深度的測(cè)井信息，因此整個(gè)仿真系統(tǒng)都應(yīng)在深度信號(hào)驅(qū)動(dòng)下進(jìn)行同步。在測(cè)井系統(tǒng)中，深度信號(hào)由稱(chēng)為“馬丁代克”的深度測(cè)量裝置產(chǎn)生，其原理就是通過(guò)測(cè)量輪帶動(dòng)光電碼盤(pán)，光電碼盤(pán)產(chǎn)生1280/米個(gè)脈沖。對(duì)此脈沖進(jìn)行計(jì)量，就可得出儀器所處的深度和儀器運(yùn)動(dòng)的速度。為此必需設(shè)計(jì)一個(gè)與此深度信號(hào)相仿的深度信號(hào)產(chǎn)生電路，該電路輸出的1280/米深度信號(hào)驅(qū)動(dòng)地面系統(tǒng)，同時(shí)驅(qū)動(dòng)仿真系統(tǒng)輸出虛擬井相應(yīng)深度的測(cè)井信號(hào)。地面系統(tǒng)接收的測(cè)井信號(hào)是由電纜遙傳系統(tǒng)經(jīng)電纜傳來(lái)的測(cè)井信號(hào)。各遙傳系統(tǒng)都有自己的編碼體制，本文所仿真的機(jī)器人系統(tǒng)采用的是LDT遙傳系統(tǒng)體制，其中包含WTS總線(xiàn)和3506、3508模式。根據(jù)以上分析，仿真系統(tǒng)必須具有深度系統(tǒng)和LDT體制的電纜遙傳系統(tǒng)接口、虛擬的井下資料數(shù)據(jù)庫(kù)，并由一個(gè)控制核心進(jìn)行控制和數(shù)據(jù)處理。由于測(cè)井時(shí)除上述測(cè)井信號(hào)外，還有一些輔助的信號(hào)，如電纜張力、磁記號(hào)等，故仿真系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖一所示。　　　　
　　不同測(cè)井項(xiàng)目有不同的測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)和組織格式，開(kāi)始仿真時(shí)，地面系統(tǒng)配置服務(wù)表，仿真設(shè)備接收相應(yīng)命令，判斷為何種測(cè)井項(xiàng)目，若存儲(chǔ)設(shè)備中存儲(chǔ)有此種測(cè)井項(xiàng)目數(shù)據(jù)，則選擇此測(cè)井項(xiàng)目，發(fā)送深度信號(hào)，并馬上進(jìn)入等時(shí)測(cè)井工作狀態(tài)，若無(wú)此項(xiàng)目數(shù)據(jù)，應(yīng)輸出報(bào)告，通知操作工程師下載相應(yīng)數(shù)據(jù)。下載數(shù)據(jù)時(shí)，操作員需連接通信接口到上位機(jī)，并通過(guò)上位機(jī)把所需數(shù)據(jù)下載入仿真設(shè)備的存儲(chǔ)系統(tǒng)。仿真設(shè)備判斷為測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)則自動(dòng)接收，并保存為相應(yīng)文件。存儲(chǔ)設(shè)備支持?jǐn)嚯姳４婀δ埽砷L(zhǎng)期保存測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)。
　　
　　仿真設(shè)備進(jìn)入等時(shí)測(cè)井工作狀態(tài)后，操作員即可仿真測(cè)井操作?？赏ㄟ^(guò)人機(jī)交互接口模擬纜車(chē)操作，選擇測(cè)井速度，仿真設(shè)備輸出相應(yīng)的深度脈沖信號(hào)。深度脈沖輸出到地面處理系統(tǒng)，地面系統(tǒng)依據(jù)此脈沖發(fā)送采集與上傳命令，仿真設(shè)備按命令發(fā)送等時(shí)測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)。到達(dá)相應(yīng)深度后，操作員控制仿真儀器緩慢上提電纜，操作SL-6000型地面處理設(shè)備開(kāi)始等深測(cè)井操作，仿真設(shè)備接收地面處理系統(tǒng)命令并實(shí)時(shí)響應(yīng)，輸出仿真測(cè)井信號(hào)。操作員可由人機(jī)交互接口隨時(shí)改變測(cè)井速度，直到地面處理設(shè)備停止測(cè)井作業(yè)。地面系統(tǒng)在仿真信號(hào)源的作用下，與實(shí)際測(cè)井一樣，可對(duì)數(shù)據(jù)記錄，顯示存儲(chǔ)，并輸出測(cè)井結(jié)果，其測(cè)井資料可與標(biāo)準(zhǔn)資料進(jìn)行對(duì)比，一方面可確定地面處理系統(tǒng)的性能，另一方面可對(duì)操作員的操作作出評(píng)價(jià)。
　　
　　4、關(guān)鍵模塊的實(shí)現(xiàn)
　　
　　4.1控制模塊的設(shè)計(jì)
　　
　　測(cè)井機(jī)器人傳輸?shù)膠ui大數(shù)據(jù)率為230Kb/s，仿真設(shè)備不僅要提供如此的數(shù)據(jù)量，而且要考慮能同時(shí)支持人機(jī)交互設(shè)備（如顯示屏、觸摸屏、鍵盤(pán)等）并進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，這就要求所選控制器的速度、存儲(chǔ)器管理單元（MMU）、高速緩存（Cach）、流水線(xiàn)等方面的綜合性能達(dá)到任務(wù)要求。仿真系統(tǒng)的深度脈沖達(dá)到計(jì)數(shù)要求時(shí)，需及時(shí)產(chǎn)生所有相關(guān)的測(cè)井信號(hào)，如此才能保證測(cè)井信號(hào)與下井儀器的相應(yīng)深度協(xié)調(diào)一致，否則，仿真實(shí)驗(yàn)將產(chǎn)生誤差，誤差過(guò)大會(huì)導(dǎo)致整個(gè)仿真過(guò)程的失敗，這就要求系統(tǒng)提供很強(qiáng)的實(shí)時(shí)性保障，給控制模塊的選取提出了要求。
　　
　　選用CPU芯片設(shè)計(jì)控制模塊，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，增加設(shè)計(jì)難度并延長(zhǎng)設(shè)計(jì)周期。因此設(shè)計(jì)采用了已有的控制模塊ARM通用板卡。ARM通用板卡采用S3C2410X處理器，處理器內(nèi)部集成ARM920T內(nèi)核，實(shí)現(xiàn)了MMU、五級(jí)整數(shù)流水線(xiàn)、AMBA總線(xiàn)、HarvardCach結(jié)構(gòu)，zui高頻率203MHz，采用低功耗設(shè)計(jì)，與實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)配合可有效保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能。芯片內(nèi)部集成了SD卡接口、USB接口、觸摸屏接口和LCD控制器等通用外設(shè)，極大的減小了外圍元件的添加，減小了電路板的面積和設(shè)計(jì)工作量。另一方面，三星公司提供的資料比較齊全，提供zui小系統(tǒng)與基本外設(shè)的原理圖，有多種外設(shè)的測(cè)試程序可供參考，給軟硬件開(kāi)發(fā)帶來(lái)方便。調(diào)試可使用基于JTAG的調(diào)試系統(tǒng)，不需要在目標(biāo)系統(tǒng)運(yùn)行相應(yīng)程序，就可訪(fǎng)問(wèn)系統(tǒng)狀態(tài)和內(nèi)核狀態(tài)，并可在RAM、ROM程序中設(shè)置斷點(diǎn)等，調(diào)試方便。ARM通用板卡只有普通名片大小，全部采用低功耗器件，大大降低了儀器的功耗、體積，同時(shí)給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來(lái)便利。
　　
　　4.2通信模塊的實(shí)現(xiàn)
　　
　　目前較有競(jìng)爭(zhēng)力的通信接口包括USB、以太網(wǎng)和1394接口。其中1394接口性能，硬件代價(jià)高，目前只在應(yīng)用。USB和以太網(wǎng)應(yīng)用非常普遍，成本低，性能可靠。在選用ARM通用板卡的基礎(chǔ)上，可選擇的通信方式包括UART（通用異步收發(fā)器）、Ethernet（以太網(wǎng)接口）、USB1.1（通用串行總線(xiàn)接口）。UART接口技術(shù)簡(jiǎn)單成熟，性能可靠，但UART控制器性能差。以太網(wǎng)連接具有較高的可靠性，傳輸速度高達(dá)10M、100Mbps，適合大數(shù)據(jù)量傳輸，并且通信距離遠(yuǎn)，普通雙絞線(xiàn)的組網(wǎng)方式可以達(dá)到150m的連接范圍，通過(guò)中繼則可連接到更遠(yuǎn)距離，已成為當(dāng)今互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中底層鏈接*的部分。此外USB總線(xiàn)具有低成本、兼容性好、功能*、易于使用、易于擴(kuò)展、支持即插即用等特點(diǎn)，已被廣泛采用，但通信距離不應(yīng)超過(guò)3m。
　　
　　基于以上分析，仿真設(shè)備采用以太網(wǎng)和USB兩種通信方式。采用以太網(wǎng)接口便于仿真設(shè)備與地面處理系統(tǒng)通信。仿真機(jī)器人內(nèi)部使用10/100M自適應(yīng)交換機(jī)，與主機(jī)通信速率為100Mbps，故仿真設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)接口也選用了100M的網(wǎng)絡(luò)控制器DM9000，下載500MB的數(shù)據(jù)僅需幾十秒，速度可以滿(mǎn)足要求。DAVICOM公司生產(chǎn)的DM9000網(wǎng)絡(luò)控制芯片是一款10/100M自適應(yīng)單芯片以太網(wǎng)控制器，集成了MAC層控制器、PHY層控制器和片內(nèi)4KdwordSRAM緩存器，支持8位、16位、32位微處理器接口，支持MII接口，采用低功耗設(shè)計(jì)，工作溫度范圍0～85℃，IO引腳5V耐壓，采用了LQFP100的貼片封裝。
　　
　　DM9000具有三種不同的配置模式：默認(rèn)模式，IO限定引腳模式和EEPROM模式。三種模式的優(yōu)先級(jí)為EEPROMzui高，IO引腳模式其次，默認(rèn)模式zui低。EEPROM模式，DM9000的配置信息存儲(chǔ)在外部的串行EEPROM里，系統(tǒng)上電復(fù)位時(shí)，DM9000通過(guò)SPI接口，自動(dòng)將配置信息讀出;IO限定引腳模式，DM9000的配置信息（包括總線(xiàn)寬度、IO基址、中斷極性等）都由特定引腳的電平?jīng)Q定，在系統(tǒng)上電復(fù)位時(shí)完成;特定引腳都內(nèi)置了60KΩ的下拉電阻，默認(rèn)為低電位，即默認(rèn)模式。在本課題中，為方便地完成初始化配置過(guò)程，選用默認(rèn)模式，不必使用的ROM，降低了設(shè)計(jì)的復(fù)雜度。本設(shè)計(jì)中采用默認(rèn)的配置模式，使用16位數(shù)據(jù)總線(xiàn)，分配地址0x86000000用于訪(fǎng)問(wèn)尋址端口，分配地址0x86000004用于訪(fǎng)問(wèn)數(shù)據(jù)端口，分配INT9作為DM9000中斷輸入口，圖二給出了DM9000硬件接口電路。　　　　
　　4.3人機(jī)接口模塊的實(shí)現(xiàn)
　　
　　人機(jī)交互模塊需有命令接收和狀態(tài)顯示功能。為了便于操作，設(shè)計(jì)中沒(méi)有選擇鍵盤(pán)、鼠標(biāo)等輸入方式。旋鈕、按鈕等操作方式靈活性差，不利于功能擴(kuò)展，設(shè)計(jì)中也沒(méi)有采用。LCD與觸摸屏組成的人機(jī)接口結(jié)構(gòu)緊湊，性能可靠，是比較合適的選擇。S3C2410集成有觸摸屏接口和LCD控制器，更大大簡(jiǎn)化了硬件設(shè)計(jì)，增強(qiáng)了可靠性，減小了儀器體積。
　　
　　LCD屏包括定制顯示、字符顯示、全圖顯示三種類(lèi)型，為便于靈活顯示選用全圖顯示LCD屏。集成的LCD控制器支持STNLCD和TFTLCD，支持多種尺寸的LCD屏。考慮LCD性能及設(shè)備外形與裝配，選用中國(guó)臺(tái)灣元太公司生產(chǎn)的TFT液晶屏V16C6448AC，6.4inch，全彩色，可視角度15/35（L/R），55/55（U/D），解析度640×480。觸摸屏選擇流行的四線(xiàn)電阻式觸摸屏，性能可靠，屏的大小也為6.4inch，與LCD屏匹配。
　　
　　LCD控制器用來(lái)發(fā)送視頻數(shù)據(jù)并產(chǎn)生必需的控制信號(hào)，主要包括REGBANK、LCDCDMA、TIMEGEN、VIDPRCS。REGBANK用來(lái)配置控制器，使之與LCD面板相匹配。TIMEGEN產(chǎn)生LCD控制信號(hào)，如VSYNC，HSYNC，VCLK，VDEN等。LCDCDMA為DMA，可自動(dòng)傳送幀存儲(chǔ)區(qū)視頻數(shù)據(jù)到LCD驅(qū)動(dòng)器，不受CPU的干預(yù)。VIDPRCS從LCDCDMA接收數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)變?yōu)楹线m的格式發(fā)送到LCD驅(qū)動(dòng)器。
　　
　　5、總結(jié)
　　
　　本文的創(chuàng)新點(diǎn)是：在設(shè)計(jì)中，采用以實(shí)物為基礎(chǔ)實(shí)時(shí)仿真機(jī)制，以ARM9處理器S3C2410和FPGA為核心成功搭建了硬件仿真平臺(tái);實(shí)現(xiàn)了底層驅(qū)動(dòng)程序與上層軟件程序的編寫(xiě)與調(diào)試，可進(jìn)行測(cè)井項(xiàng)目的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。經(jīng)過(guò)測(cè)試，系統(tǒng)能夠按照實(shí)際機(jī)器人的工程作業(yè)過(guò)程，對(duì)地面系統(tǒng)的性能進(jìn)行全面仿真和模擬。