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1、华中科技大学硕士学位论文测井仪器通用CAN总线接口设计与实现姓名：常杰锋申请学位级别：硕士专业：检测技术与自动化装置指导教师：孔力20070601I华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文摘 要 摘 要 测井仪器通信总线接口电路的设计是新型成像测井系统研制的关键技术之一。和常规的 DTB（Data Transmit Bus，数据传输总线）总线等传输方式相比，以高速 CAN（Controller Area Network，控制器局域网）方式实现测井仪器通信总线接口电路是较为优越的选择，其结构简单且数据传输速率高、可靠性高。 论文基于高速 CAN2.0B 协议， 分析并细化了 CAN 总线接
2、口电路的功能需求，建立了 CAN 总线接口电路的功能模型；基于电路可用性理论，建立了 CAN 总线接口电路的可用性模型，并自上而下预计了电路的可用性，分配了电路的可用性指标。最终根据电路功能和可用性两方面的设计原则，论文提出了一种工作于井下环境中的通用 CAN 总线接口电路设计方案。 按照设计方案，通用 CAN 总线接口电路选用高品质的 DSP 芯片 TMS320LF2407 为电路核心处理器，处理器向下通过高速双口 RAM 与井下测井仪器进行数据交换，向上通过 CAN 总线驱动器与 CAN 总线连接通信。通过对元器件进行合理的选型和筛选、电路印制电路板的热设计、电磁兼容性设计以及对电路的 C
3、 语言编程，最终实现了设计方案。 全文最后在实验室模拟的高温环境下，对所设计的通用 CAN 总线接口电路进行了一系列的电路测试实验。实验结果证明，在温度为 155C 的工作环境下，所设计的通用 CAN 总线接口电路与 CAN 总线之间的数据传输速率稳定达到1Mbit/s， 与井下仪器之间的数据交换速率稳定达到 42.7Mbit/s， 其平均寿命 MTBF（Mean Time Between Failures, 平均故障间隔时间） 的置信度为 0.9 的置信下限为9.1 个小时。 关键词：控制器局域网；测井仪器；可用性；热设计；定时截尾 II华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文Abst
4、ract Design of the data transfer bus interface circuit is one of the key technologies in the new imaging logging system developed. Compared with conventional DTB (Data Transmit Bus) and other means of transmission, the high-speed CAN (Controller Area Network) is a better choice to achieve the data t
5、ransfer bus interface circuit for well logging tools, with simple structure, high data transfer rate and high reliability. Based on the high-speed CAN2.0B agreement, the functional requirements of the CAN bus interface circuit is analyzed and detailed, and then the functional model for the circuit i
6、s established. Based on the theory of circuit availability, an availability model for the circuit is established, and the circuits availability whose targets are distributed later is top-down forecasted in the thesis. Finally according to the principles of functions and availability of the circuit,
7、a universal CAN bus interface circuit design is proposed to well logging. According to the design, the universal CAN bus interface circuit selects high-quality chip of TMS320LF2407 as the circuits main processor, high-speed processor downward exchanges data with well logging tools through the dual-p
8、ort RAM, and upward communicates with CAN bus through the actuator. After reasonable selecting and filtrating of Components, thermal and EMC designing of the circuit PCB and C language programming, the circuit is ultimate realized. At The end of the thesis, the universal CAN bus interface circuit de
9、signed is tested by some circuit experiments in the high-temperature environment simulated in the laboratory. The results show that at the working environment with temperature of 155C, the data transmission rate stability achieves 1Mbit/s between the circuit and CAN bus, and the data exchange rate s
10、tability achieves 42.7Mbit/s between the circuit and well logging tools. The lower confidence limit of the circuits MTBF (Mean Time Between Failures) is 9.1 hours with confidence of 0.9. Keywords: Controller Area Network; Well Logging Tools; Availability; Thermal design; fixed time test 独创性声明 独创性声明
11、本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。 对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印
12、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密 ，在_年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 1华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文1 绪 论 绪 论 1.1 研究背景和目的研究背景和目的 测井仪器通用 CAN 总线接口是测井系统中井下测井仪和高速遥传短节之间数据通信的桥梁，其通用性是指现有的大多数井下成像测井仪器都可以通过该接口与遥传短节实现数据通信。 1.1.1 研究背景 研究背景 石油测井技术是现代科学技术革命中产生的重要技术之一，是石油工业技术的一个重要领域，其发展水平
13、主要体现在测井系统的研制水平上1。随着社会发展，为满足油气田的勘探、开发的要求，测井系统发展到现在的成像测井系统时代，出现了成像测井系统。相比以前的测井系统，成像测井系统数据传输速度、采集的信息量、数据处理精度以及系统可靠性等性能都大幅度提高。事实证明，成像测井系统的使用大大提高了勘探油气藏的效率，尤其是对复杂油气藏的勘探效果显著。因此在石油勘探中广泛使用高性能的成像测井系统是今后石油测井的发展趋势2-4。 鉴于成像测井仪器的优秀品质，为满足国内石油测井事业的发展壮大，国家目前正在开展成像测井仪器的研究。2006 年国家在资源环境技术领域中设立“先进测井技术与装备” 项目， 旨在研发出具有自主
14、知识产权的高性能成像测井系统。 “先进测井技术与装备”项目所设计成像测井仪器整体结构框架如图 1.1 所示，包括地面工作站、高速电缆遥传系统和井下成像测井仪器5。地面工作站是多台高性能计算机组成，主要完成数据的处理和测井解释的功能；高速电缆遥传系统由地面调制解调器、长达数千米的传输电缆和井下遥传短节组成，主要实现井下测井仪器和地面工作站之间传输信息；各井下仪器是一些测井方法和功能较为独立的测井仪器，例如核磁共振测井仪、微电阻成像测井仪、阵列感应成像测井仪等，它们通过 CAN 总线接口电路与高速电缆遥传系统的井下遥传短节通信。 CAN 总线接口电路是“先进测井技术与装备”项目中的关键部分之一，其
15、性2华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文能直接影响整个成像测井系统的数据传输性能。 调制解调器部分数据总线控制器CAN总线接口井 下 遥 传 短 节地面工作站井下仪器1CAN总线接口井下仪器2CAN总线接口井下仪器nCAN总线接口井下仪器CAN总线地面调制解调器传输电缆图1.1 成像测井仪器整体结构框图 1.1.2 课题来源 课题来源 本课题进行的测井仪器通用 CAN 总线接口设计来源于“十一五”国家高科技研究发展计划（863 计划）“先进测井技术与装备”项目（2006AA060101）。 1.1.3 研究意义 研究意义 国内现有的测井技术和装备大部分是从国外测井公司引进或仿制的，正
16、在使用的主力测井装备都是国外 20 年前的技术， 早已该淘汰， 具有自主知识产权的技术较少，这是影响国内测井队伍国际竞争力的关键因素。国内现有井下测井仪器总线接口，传输速率低，没有统一标准和整体的设计规范，其互换性、可靠性、兼容性、可升级性差，不能满足新一代成像测井系统的要求。 本课题从事的通用 CAN 总线接口研制不但可以满足新型成像测井系统的需求，而且降低了研发成本。最终的研制成果即可以提高我国测井装备水平，又可以替代国外同类产品以增加出口创汇能力，从而使我国测井技术真正跨上新的台3华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文阶，必将取得很好的社会效益和经济效益。 1.1.4 研究目的 研究目的 课题进行井下测井仪器的通用 CAN 总线接口的软硬件研制，实现在井下环境中现有的多频阵列感应、微电阻率成像和超声成像三种高性能井下成像测井仪与 300K/500K 高速电缆遥传系统之间的可靠数据交换。具体指标要求通用 CAN总线接口与高速遥传短节
