专利名称：钻时录井仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种钻时录井仪，属于智能仪器仪表技术领域。
背景技术：
钻时录井仪是一种辅助录井工人记录钻井过程中地质土壤样本和相应地层深度 对应关系的仪器。在石油钻井过程中，钻头每钻进一个标定整米单位深度都需要采样该深 度的土壤样品，供相关地质分析人员进行土壤含油成分分析。采样的方法是参照钻井的深 度和泥浆泵输出水流速度计算岩削的返砂时间(就是岩削返回到地面的时间)。但该过程 会因为各种原因引起状态中断，对岩削的返砂时间准确性造成影响。因此停钻、停泵、钻具 总长的增加、是否为直井或斜井等因素都要作为相关参数，参与到土样返砂时间的计算中。 国外的录井系统都已经网络化，集成度比较高，录井设备只是作为一个仪器终端挂载到系 统中。国外的录井系统开发难度高，不适合我国国情，而单台的录井仪的使用比较适合我们 的国情，具有开发难度相对较低，且有一定的市场应用前景。但目前我国还没有一种技术成 熟的录井仪。
发明内容
本发明的目的是提供一种功能完善、记录信息准确、开发难度相对较低的钻时录 井仪。本发明的目的是用以下方式实现的本发明包括主控制单元(MCU)、可充蓄电稳压电源单元、外接传感器单元 (Flash)，以及微型打印机接口电路、6 X 5矩阵键盘接口单元、电子报警功能模块、16位7段 数码管显示屏单元、电源电路模块、RS232通讯单元、绞车传感器信号接口电路、泥浆传感器 信号接口单元、悬重传感器信号接口单元、手动停钻中断信号产生电路、手动停泵中断信号 产生电路、手动接单根中断信号产生电路、手动绞车正反转跳转中断信号产生电路，其特征 是主控制单元(MCU)采用ATmegal28高档单片机，微型打印机接口电路、6 X 5矩阵键盘接 口单元、16位7段数码管显示屏单元都是经过138译码器和373锁存器扩展成MCU的外部 I/O 口，ATmegal28高档单片机通过对I/O的读写操作实现对其控制的功能，而绞车传感器 信号接口电路、泥浆传感器信号接口单元、悬重传感器信号接口单元、手动停钻中断信号产 生电路、手动停泵中断信号产生电路、手动接单根中断信号产生电路、手动绞车正反转跳转 中断信号产生电路都是利用ATmegal28高档单片机外部中断接口实现信号检测；外接传感 器单元的外部中断信号，采用LMlll进行信号整形，LM324进行二阶巴特沃兹滤波，然后通 过光电耦合器，连接到相应的MCU中断引脚上。本发明的优点是功能完善、记录信息准确、开发难度相对较低。
图1是钻时录井仪的工作流程3
图2是钻时录井仪主控平台电路功能框图；图3是钻时录井仪信号处理电路图；图4是钻时录井仪显示屏电路图；图5是钻时录井仪键盘电路图；图6是钻时录井仪电源电路图；图7是钻时录井仪打印机接口电路图；图8是钻时录井仪报警电路图；图9是钻时录井仪复位电路图；图10是钻时录井仪MCU电路图。
具体实施例方式参照附图，在硬件上，仪器主要包括MCU与外部Flash单元，以及微型打印机接口 电路、6 X 5矩阵键盘接口单元、电子报警功能模块、16位7段数码管显示屏单元、电源电路 模块、RS232通讯单元、绞车传感器信号接口电路、泥浆传感器信号接口单元、悬重传感器信 号接口单元、手动停钻中断信号产生电路、手动停泵中断信号产生电路、手动接单根中断信 号产生电路、手动绞车正反转跳转中断信号产生电路。主控制单元(MCU)采用ATmegal28 高档单片机，其中微型打印机接口、键盘接口、数码管接口都是经过138译码器和373锁存 器扩展成MCU的外部I/O 口，ATmegal28通过对I/O的读写操作实现对其控制的功能。而 绞车传感器信号、泥浆传感器信号、悬重传感器信号、手动停钻、停泵、接单根、正反转调整 都是利用ATmegal28丰富的外部中断接口实现的信号检测。如图3信号处理电路。外部中断信号，采用LMlll进行信号整形，LM324进行二阶 巴特沃兹滤波，然后通过光电耦合器，连接到相应的MCU中断引脚上。如图4显示屏电路。16位7段数码管组成的LED显示屏采用的是静态数码显示， 使用了有清除端的8D触发器74HC273，有清除端的4D触发器74HC175，4线-16线的译码器 74HC154，7段共阴数码管以及反相器。其中175用于控制273的复位端，154用于控制273 的脉冲输入端，273的8位数据直接由MCU写数码管I/O 口得到。如图5键盘电路。键盘采用矩阵按键，共30个键位，利用中断触发产生扫描键盘 动作。MCU检测到中断信号后，通过直接写8同相缓冲器74HC244和读8D上升沿触发器 74HC574，利用线反法查询被按下的键的键值。如图6电源电路。电源需要产生5V，9V，12V，24V电压。利用开关电源模块产生 5V, 24V电压源，同时用5V电压通过DC/DC转换模块产生+5伏隔离电压源。使用DC-DC转 换控制器MC34063构建一个的脉冲电流控制器，为24V蓄电池提供充电电流。使用降压电 压调节器LM2576HVT，产生9V电压。使用MC34063和LM7812降压得到12V电压源。如图7打印机接口电路，利用同相缓冲器74HC244、或门芯片74HC32构造MCU可以 进行直接读写的打印机I/O电路；报警电路，利用555定时器搭建一个5秒延时的施密特触 发器，驱动电子蜂鸣器；复位电路，采用的是微处理器监控芯片MAX708，产生上电复位电平 和手动复位的低电平。钻时录井仪软件程序部分是基于中断的混合式调度器的实时操作系统。操作系统 的功能就是分时调用与中断处理结合，实时运行仪器的7个功能任务。其中，钻进深度计算任务和数据显示报警打印任务属于超级循环任务，其它任务都是利用中断处理实现功能函 数的调用。钻时录井仪在正常工作状态时，实时采样光电编码盘的电平变化，在算法模块中 对钻头的行进深度进行计算，每钻进一个标定整米单位深度，打印输出该深度的相关数据。 而LED显示屏实时显示钻进的状态，包括深度，钻进的模式、时间、井空等。当程序计算到某 一深度的岩削返砂时间到达时，会自动发出捞砂报警，并打印出相关参数值。在开机时设定 初始化参数或在钻进过程中需要调整部分参数，都可以通过键盘进行操作实现。参数设定 过程，不会影响仪器的正常工作，一旦确认了设置的参数，仪器会打印新设定的参数值。在 仪器的工作状态下，可以通过LED显示屏和数据打印两种方式实时查看相关参数值。其工作方式如下将绞车传感器、泥浆传感器和悬重传感器分别安装在钻井设备相应的位置上，用 电缆接到钻时录井仪的传感器信号输入端口上，同时将220V交流电接入钻时录井仪，就可 以上电开始录井工作了。按下钻时录井仪电源总开关，仪器蜂鸣器发出开机蜂鸣声，打印机同时打印输出 系统出厂默认时间，LED显示屏状态位频繁闪烁，等待初始化录井仪工作参数。如果此时蓄 电池处于未饱和状态，仪器会对蓄电池进行脉冲电流充电，此过程持续到蓄电池充电饱和 为止。参数设定的操作步骤如下按下功能键，利用外部中断3发出中断处理请求，MCU 检测到此中断电平信号，根据中断向量表，调用人机交互界面数据处理模块，仪器处于参数 待输入状态。MCU轮询键盘接口，等待用户输入参数值。当用户按下键盘上的数字键，输入 了正确的参数值后，再按下相应参数值确认键，则仪器回到正常工作状态。按 步骤可以将 井深初始深度(钻头距离地面参考位置的长度)，井空初始高度(钻头离开井底的距离)、 当前实时时间、日期、返砂延迟时间(岩削从井底返回到地面的时间)、整米方入距离(钻头 行进的整米单位距离。每当钻进到一个设定的整米深度时，仪器打印出该处井深的各指标 参数值)、标定单位距离(仪器需要记录的最小距离值)、编码盘电平高低变化两次代表的 实际钻头行进深度、编码盘电平高低变化两次代表的实际大钩上升高度、土壤采样间隔距 离、捞砂延时单位增长距离(井深从初始深度开始每增加多少米后，岩削返砂时间增加1分 钟)。每设置一个参数，MCU都会让打印机打印出新设置的参数值。当初始化参数值后，仪器就可以进入正常的录井工作状态了。MCU调用钻进深度计 算及数据处理模块，该模块的功能包括a)轮询绞车传感器两个电平信号值的变化，在正向旋转方向确定后，当检测到A 位的电平由高变低再变高，而B位电平值由低变高再变低时，则表示绞车电机正向旋转了 15度，则钻头相应的钻进距离等于这15度对应绞车实时滚筒和钢缆圆筒的弧长。在A位的 电平变化在前，B的电平变化在后，定义为钻头在行进的前提下，那么当B位电平变化在前， A位电平变化在后，则表示钻具在被钻机提升。绞车编码盘累积转过的滚筒与钢缆的外径弧 长等于设置的标定最小距离时，将此刻井深值存入井深显示缓冲数组，并置井深显示标志 位，等待显示处理。b)当井深距离到达下一个整米数值时，程序将此刻时间与上一个整米钻到时的时 间比较，计算出该标定距离的耗时，同时调用返砂计算函数模块，计算出该处岩削返回到地 面的时间Delaytime。并将这两个数据与当前井深、当前时间一并存入数据打印缓冲区，并置位打印标志位，等待数据打印处理。c)将捞砂参数结构体数组第0位的Delaytime元素与当前时间进行比较，当 Delaytime的值等于当前时间时，置捞砂报警标志位，并将捞砂参数插入打印机打印缓冲队 列，等待仪器进行报警和打印处理。d)判断钻具提升开始标志位是否为真。如果为真，则调用井空高度数据处理函 数，并置井空显示标志位、井深显示锁定位。在处理函数程序中，当井空重新为0时，清井 空显示标志位、井深显示锁定位和钻具提升开始位；如果为假，MCU轮询绞车传感器电平信 号，当检测到两个电平信号的电平变化方向与预设的钻进方向相反，钻机处于提升钻具的 状态，则置钻具提升开始标志位。如果在调用钻进深度计算及数据处理任务期间，没有外部中断向MCU申请中断处 理，则内核依次调用数据显示打印处理任务。a)程序检测显示标志位队列是否为空，如果显示标志数组非空，使用switch选择 语句根据显示标志位变量值将相关显示数值送显示数组缓冲区，根据相关标志位调用显示 程序，依序显示数据。b)程序检测打印标志位队列是否为空，如果数组非空，使用switch开关根据打印 标志位变量值将相关数值送打印数据缓冲区，依次打印数据。如果在调用钻进深度计算及数据处理模块和数据显示报警打印处理任务期间，没 有外部中断申请中断处理，则两个任务模块循环运行。如果有外部中断请求，则使能相关中 断处理函数模块后，再循环运这两个常规任务，如此循环运行，直至掉电关机。当有外部中断向MCU申请中断处理时，MCU挂起当前任务，进入中断处理模式，将 相关中断参数赋参数变量，然后根据中断号置位相应中断标志位，退出中断，恢复挂起任务 现场，重新执行挂起任务程序。根据中断优先级，依次调用相关中断处理任务。为了保障系统实时处理的能力，中 断处理任务放在main的超级循环中调用，减少中断处理时间。根据任务的重要性，定义外 部中断处理任务的处理优先级次序，同时各中断处理任务间实现优先级互锁，保证实时处 理优先级最高的中断任务。中断优先级为0的任务是停钻数据处理。MCU检测到外部中断0向其申请中断处 理时，立即挂起当前任务或是中断处理，根据中断向量，跳转到相应中断处理函数。在中断 处理函数中，首先判断是否是停钻信号。如果是，则将当前时刻值和当前井深值赋变量保 存，并置停钻标志位。如果不是停钻信号而是开钻信号，则将当前时刻值赋变量保存，并置 开钻标志位。在停钻数据处理任务函数中，如果是停钻信号，则置停钻报警标志位，井深显 示锁定标志位和停钻显示标志位，清开钻标志位，然后返回程序正常工作状态。如果是开钻 信号，清停钻标志位、停钻报警标志位、井深显示锁定位和停钻显示标志位，调用停钻数据 处理函数，并置停钻数据打印标志位，然后返回程序正常工作状态。最后打印机打印出停钻 的起止时间和停钻时的实时井深。中断优先级为1的任务是停泵数据处理。MCU检测到外部中断1向其申请中断处 理时，立即挂起当前任务或中断处理，根据中断向量，跳转到相应中断处理函数。在中断处 理函数中，首先判断是否是停泵信号。如果是，则将当前时刻值和当前井深值赋变量保存， 并置停泵标志位。如果不是停泵信号而是开泵信号，则将当前时刻值赋变量保存，并置开泵标志位。在停泵数据处理任务函数中，如果是停泵信号，则置停泵报警标志位，井深显示 锁定位和停泵显示标志位，清开泵标志位，然后返回程序正常工作状态。如果是开泵信号， 清停泵标志位、停泵报警标志位、井深显示锁定位和停泵显示标志位，调用停泵数据处理函 数，并置停泵数据打印标志位，然后返回到程序正常工作工作状态。最后打印机打印出停泵 的起止时间和停泵时的实时井深，同时将停泵时间增加到岩削的捞砂时间计算中。中断优先级2的任务是接单根数据处理。MCU检测到外部中断2向其申请中断处 理时，立即挂起当前任务或中断处理，根据中断向量，跳转到相应中断处理函数。在中断处 理函数中，首先判断是否是接单根开始信号。如果是，则将当前时刻值和当前井深值赋变量 保存，并置接单根标志位。如果不是开始信号而是结束信号，则将当前时刻值赋变量保存， 并置接单根结束标志位。在接单根数据处理任务函数中，如果是接单根开始信号，则置接单 根报警标志位、井深显示锁定位和接单根显示标志位，清接单根结束标志位，然后返回程序 正常工作状态。在接单根状态下，通过键盘输入单根长度，然后就可以随时结束接单根状 态。但程序检测到接单根结束信号，清接单根开始标志位、井深显示锁定位和接单根显示标 志位，然后回到程序正常工作状态。在最后打印机打印出接单根的起止时间和接单根时的 井深，同时井空高度减少了一个单根的长度。中断优先级4、5的任务是绞车正反向调整任务。MCU检测的外部中断4或5向其 申请中断处理时，立即挂起当前任务，根据中断向量，跳转到相应中断处理函数。如果是中 断4，则置绞车顺时针旋转标志位Flagjnokroturn。若是是中断5，则置位绞车逆时针旋转 标志位 Flag—anticlockturn。
权利要求
一种钻时录井仪，包括主控制单元MCU、可充蓄电稳压电源单元、外接传感器单元Flash，以及微型打印机接口电路、6×5矩阵键盘接口单元、电子报警功能模块、16位7段数码管显示屏单元、电源电路模块、RS232通讯单元、绞车传感器信号接口电路、泥浆传感器信号接口单元、悬重传感器信号接口单元、手动停钻中断信号产生电路、手动停泵中断信号产生电路、手动接单根中断信号产生电路、手动绞车正反转跳转中断信号产生电路，其特征是主控制单元(MCU)采用ATmega128高档单片机，微型打印机接口电路、6×5矩阵键盘接口单元、16位7段数码管显示屏单元都是经过138译码器和373锁存器扩展成MCU的外部I/O口，ATmega128高档单片机通过对I/O的读写操作实现对其控制的功能，而绞车传感器信号接口电路、泥浆传感器信号接口单元、悬重传感器信号接口单元、手动停钻中断信号产生电路、手动停泵中断信号产生电路、手动接单根中断信号产生电路、手动绞车正反转跳转中断信号产生电路都是利用ATmega128高档单片机外部中断接口实现信号检测；外接传感器单元的外部中断信号，采用LM111进行信号整形，LM324进行二阶巴特沃兹滤波，然后通过光电耦合器，连接到相应的MCU中断引脚上。
全文摘要
本发明涉及一种钻时录井仪，包括主控制单元MCU、可充蓄电稳压电源单元、外接传感器、键盘接口、电子报警模块、显示屏、通讯单元、泥浆传感器信号、悬重传感器信号、手动停钻、停泵、接单根、正反转中断信号产生电路，其特征是键盘接口经过138译码器和373锁存器扩展成MCU的外部I/O口，ATmega128通过对I/O的读写对其控制，绞车传感器信号、泥浆传感器信号、悬重传感器信号、手动停钻、停泵、接单根、正反转调整是利用ATmega128外部中断接口实现信号检测；外接传感器单元的外部中断信号采用LM111进行信号整形，LM324进行二阶巴特沃兹滤波，通过光电耦合器，连接到MCU中断引脚上。其优点是功能完善、记录信息准确、开发难度相对较低。
文档编号E21B49/00GK101929333SQ20101022567
公开日2010年12月29日 申请日期2010年7月1日 优先权日2010年7月1日
发明者杨建文 申请人:内蒙古第一机械制造(集团)有限公司