基于CAN总线的数控测井站之综合接口设计

东莞理工学院城市学院计算机与信息科学系 唐志辉 谢 俊

1.引言

地球物理测井或石油测井，是利用岩层的化学特性、导电特性、声学特性、放射性等地球物理特性测量地球物理参数的方法，属于应用地球物理方法之一。测井方法众多，电、声、放射性是三种基本方法，测井发展至今已有80多年了，大多数厂家推出的测井设备都是一个探头或者只能和自家的探头配合使用，每次只能一个探头下井，如果需要测量多种数据，则需要更换探头重复测井，因此，工作效率低。本文提出了一种基于CAN总线的数控测井站的综合接口模块，测井设备的井上和井下部分通过此综合接口模块连接，进行数据传递，基于CAN总线的综合接口模块能使不同 厂家不同功能的探头组合起来使用，只要各探头均采用CAN协议，这样就避免为测量多种数据而重复测井，从而大大提高了工作效率。CAN总线具有传输速率快、传输稳定、容量大，是国际上应用最广泛的现场总线之一，其性能能够很好地满足测井站的实际要求。

2.硬件结构

基于CAN总线的综合接口模块由以下部分组成：

（1）单片机；

（2）ADC转换模块；

（3）CAN传输模块；

（4）传感器模块；本系统最多可同时传输8路传感器信号，其工作原理如下：传感器采集的信号经过A/D转换后，经MCU封装成报文，然后送到CAN模块，CAN控制器对报文进行过滤识别，识别后的信号通过CAN收发器送到CAN总线上传输，最后送到上位机进行处理、显示和保存等。

2.1 主控芯片及A/D模块

主控芯片选择了性能价格比较高的NXP公司的P89V51RC2单片机，它是一款80C51微控制器，操作频率为0～40MHz，包含32kB Flash，1024字节的内部存储器和64kB的外部数据存储器，同时具有低功耗、在系统编程，多时钟模式等特点，值得一提的是它的X2方式选项。利用该特性可在相同时钟频率下获得2倍的吞吐量，或者时钟频率减半而保持特性不变，这样可以极大地降低电磁干扰(EMI)。MCU引脚在系统中的分配见表1。

A/D模块由A/D转换芯片AD977、8选1模拟开关CD4051、跟随器OP07组成。8路传感器采集到的模拟信号通过CD4051选通一个信号，经过OP07实现阻抗匹配后送入AD977进行模数转换，转换结果送至MCU，MCU与AD977的通讯采用SPI协议，快速16位AD977具有100 kSPS的吞吐速率，其最大功耗只有100毫瓦，并且具有高速SPI串行接口。AD模块电路原理图如图1所示。

2.2 CAN模块

CAN模块由CAN控制器SJA1000和CAN收发器CTM1050组成，SJA1000是一个独立的CAN控制器，它是Philips公司另一个CAN控制器PCA82C200的替代产品，且增加了一种新的工作模式(Peli CAN)，这种模式支持CAN2.0B协议。SJA1000主要完成CAN的通讯协议，实现报文的装配和拆分、接收信息的过滤和校验等。CTM1050是一款带隔离的高速CAN收发器模块，具有CAN-bus总线过电压保护作用，该模块内部集成了所有必需的CAN隔离及CAN收、发器件，模块的主要功能是将CAN控制器的逻辑电平转换为CAN总线的差分电平，并且具有DC 2500V的隔离功能。SJA1000的TXO与RXO可直接与CTM1050的TXD、RXD相连，可以大大减少CAN-Bus硬件线路的难度。CAN模块的电路原理图如图2所示。

3.软件设计

3.1 A/D转换程序的实现

AD977是一个高速串行输出的模数转换器，我们采用的是模拟SPI时序的方法来获取转换结果。AD977基本时序如图3所示，由图可知当RC信号拉低，AD977开始一次转换，转换时BUSY持续高电平，当转换结束时BUSY信号将变低电平。参考程序如下：

表1 MCU引脚分配表

图1 A/D模块电路原理图

图2 CAN模块的电路原理图

图3 AD977基本时序图

3.2 软件滤波

实时数据采集系统为了消除传感器通道中的干扰信号的影响常采用滤波技术，RLC网络是常见的硬件滤波，采用软件实现的数字滤波常见的有中值滤波、算数平均滤波、去极值平均滤波、加权平均滤波、滑动平均滤波、低通滤波等。本系统采用的是中值滤波法，连续采样N次（N为奇数），对这N次结果进行大小排序，取其中间值。其优点是能有效克服因偶然因素引起的波动干扰，对温度、液位的变化缓慢的被测参数有良好的滤波效果。

4.测试

在实验室进行了A/D转换精确度和CAN总线传输稳定性测试，测试设备包括：井温流体探管，2000M电缆，福禄克15B万用表，台式PC、综合接口模块、红外线数字温度计等。测试方法如下：在室内对一定浓度的盐水进行加热至40℃～100℃，使用井温流体探管对盐水进行测量，测量结果通过2000M电缆和综合接口，传输到计算机进行记录和分析。

测试采用baseCAN标准帧格式，通过分析计算机的接收到的5帧数据数据，包含20次AD转换的结果，得到A/D的实际转换精度达到0.1mv，CAN总线在连续十几个小时的传输中，运行良好，没有误码出现，实验证明系统的测量精度与稳定性完全能满足井温流体测试的要求。

5.结束语

本文提出了一种基于CAN总线的数控物探测井站的综合接口模块的设计方案，采用16位快速A/D转换芯片，整个系统具有测量精度高、传输稳定、容量大的特点，能够很好地满足当代数控测井站的实际要求。

[1]周立功等.CAN现场总线原理与应用[M].北京航天航空大学出版社,2007.

[2]李正军.现场总线及其应用技术[M].北 京:机械工业出版社,2005.

[3]BroADer Field bus Standards Will Improve System Functionality,Linda L.Pierson.CONTROL ENGINEERING,1994(I 1).

[4]How Field bus Can Inf l uence Your Next Project,Terry Blevins,CONTROL ENGINEERING,1996(9).