基于AM186处理器的深度测量系统
摘要 ：本文介绍了一种基于AM186嵌入式处理器，采用深度脉冲计量法实现油井深度测量，并通过网络传递数据信息的系统。该系统已经成功应用于石油勘测领域，提高了经济效益。
关键词 ：AM186；CS8900a；Nucleus
引言
在石油勘探过程中，油井深度测量的准确性是一项重要的工业指标。测量深度有很多方法，如深度脉冲法、声波阵列法、频谱射线法等。本文介绍了利用深度脉冲来实现油井深度测量的方法。在以往的测井设备中，由于高性能的处理器价格昂贵，而且不能适应井下恶劣的环境，所以通常使用8031系列单片机进行数据处理，处理后的数据通过并行总线传输到主机。由于8031系列单片机可寻址空间有限，处理速度慢，无法实现大量数据的实时处理，加之总线传输的可靠性比较差，因此不能满足石油测井工业的要求。如今，随着电子技术的不断发展，高性能、高可靠性、低价位的处理器已经广泛应用于工业测控领域，这为测井设备的更新升级提供了条件。
AMD公司的AM186嵌入式处理器具有处理速度快，可靠性能高，能够在恶劣环境下稳定而可靠的工作的特点，因此，我们选择AM186处理器作为深度测井的中央处理器，并选用CIRRUS公司的CS8900a以太网驱动芯片完成网络通信功能。
工作基本原理
在油井深度测量过程中，根据井下仪器的运动的速度和方向，地面设备可以获得周期和相位不同的马丁代克信号。根据单位时间内记数脉冲的多少和相位来判断井下仪器的速度、深度以及运动方向。
如图1所示，马丁代克信号分为A相和B相。均为占空比为0.5的脉冲信号，但是相位相差90度。在图1的a中，由于相位相差为正90度，则表明井下仪器为下放运动；而b中，由于相位相差为负90度，则表明井下仪器为上提运动。当井下仪器的运动速度改变时，相应的单位时间内的计数脉冲的个数也会发生变化。在实际的测井过程中，就是根据马丁代克信号相位的不同和单位时间内脉冲个数的多少来判断井下仪器的深度位置、运动方向和运动速度等。
随着网络的发展，各种网络协议已经成功的移植到了嵌入式系统中。由于网络传输比并行总线传输具有更高的速率和可靠性，因此我们选择了利用网络来进行命令的发送和数据的传递。
硬件设计
AM186是基于x86计算机体系结构的嵌入式处理器，具有16位总线，最高工作频率可以达到40MHz。AM186处理器芯片上集成了多个功能模块，无需增加额外的接口逻辑，就可以实现与ROM、RAM（DRAM）、串口，和一般I/O的接口功能。
芯片特性：
·系统损耗低，性能高，工作电压3.3V，可在20 MHz、25 MHz、33 MHz、40MHz四种频率下工作，1M字节寻址空间，64K字节I/O空间。工作频率为40MHz时，支持零等待状态。
·具有可编程中断控制器，为每个中断分配不同的优先级，最多可以控制8个内部中断和8个外部中断，允许中断嵌套。
·集成了多个外围设备和接口，包括有DRAM控制器，32位可编程I/O引脚，全双工异步串口，看门狗定时器，附加中断引脚等。这些外围设备和接口有助于降低生产成本。
·启用专用地址总线，提供快速、无缓冲的内存访问方式。处理器可选择8位、16位两种存储器和I/O总线方式，并可选择8位、16位两种引导模式。
·整体设计基于x86计算机体系结构，通用性强，与AMD E86系列的其它处理器兼容。
以AM186作为中央处理器，CS8900a作为以太网驱动芯片的深度模块结构如图2所示。
图2 深度模块总体结构框图
图2，CPLD逻辑内部的结构如图3所示。
图2中CPLD的详细结构如图3所示。
图3 CPLD内部结构框图
深度模块工作过程中，井下仪器通过电缆将A相、B相马丁代克信号传送到深度模块。经过放大、限幅、整形等预处理后，信号被接入CPLD。在CPLD中，A相信号分为三路，一路接入一个4位的计数器，当计数器计满后自动清零，并向中断控制器发送中断请求。中断控制器只有在接收到第一次中断请求后，才向处理器发送中断信号，使处理器进入相应的中断服务程序，并切换例程。中断控制器里包含有一个8位的计数器，由外部的CPU对这个计数器提供一个16Hz的时钟信号进行计数。上电复位以后，中断控制器处于复位状态，允许第一次的中断请求通过，之后的中断请求中断控制器阻止其通过，并利用中断请求信号把内部的计数器清零。在中断控制器的内部计数器记满之前，仍没有中断请求到达，则中断控制器则认为测井设备已经停止运行，并在计数器记为0xFF时，把自身复位。A相信号的第二路与B相信号一起加到相位检测器，用于鉴别相位为+90度还是-90度。根据相位检测器的输出，来决定方向信号为高电平还是低电平。而处理器则根据方向信号的电平来决定对计数是加计数还是减计数。A相信号的第三路输出为计数脉冲信号。直接输出到处理器的计数器引脚，进行脉冲计数。对应的计数器初值置为0xFFFE，每当一个计数脉冲到达时，引发中断对深度进行累加。
AM186为中央处理器。当检测到中断信号时，判断是马丁代克产生的中断信号，还是计数脉冲信号。如果为马丁代克信号产生的中断信号，则CPU进行切换，执行相应的服务程序。如果CPU处于其他例程（非深度计数例程）而有计数脉冲中断产生，则CPU忽略这个中断信号。当马丁代克中断信号到来以后，立即停止正在运行的任务，转而调用中断服务程序，从硬件计数器读取相应的记数值，从指定寄存器获得测井方向。驻留在CPU中的应用程序处理数据，并补偿CPLD中因计数器延迟导致的深度误差来得到地层深度值和井下仪器下放（上提）的速度。AM186实时处理数据，在接收到主机传来的上传数据命令后把数据打包，并通过CS8900a 以太网驱动芯片送入以太网接口，传输到指定地址。至此深度模块的基本功能就完成了。
图2中所示的EEPROM用于保存调电后不能丢失的数据，主要用于记录MAC地址，初始化网络芯片，配置网络协议，它与CPU的I/O空间统一编址SRAM作为CPU的存储器。FLASH主要存储了引导程序、系统监控程序和用户应用程序。
石油测井工程通常时野外操作，电源条件比较差，因此测井系统必须配备有电源管理模块，实现电压变换、稳压功能。为满足这一要求，可以选用MAXIM公司生产的DS1705芯片，实时监控输入电压。当电压低于4.65V时，芯片认为电源处于不稳定的非正常工作状态，产生一个复位信号，复位CPU，从而避免了由于电源问题产生的不可知错误，保证了CPU的正常工作，提高系统的稳定性。
软件设计
我们选用ATI公司提供的Nucleus PLUS平台作为嵌入式操作系统，在其上开发深度模块的应用程序。Nucleus PLUS 平台是专为嵌入式应用设计，实时性很强的抢先式多任务实时操作系统，提供任务管理、消息控制、文件管理、内存管理和标准输入、输出设备接口等功能。为满足用户进行网络通讯的要求，ATI公司开发了Nucleus NET作为外挂模块，与Nucleus PLUS无缝结合，可实现多任务实时操作系统下的网络互联功能。目前Nucleus NET支持的协议栈有TCP/IP和UDP。根据实时测井的要求，基于Nucleus PLUS平台的深度模块应用程序流程如图4：
图4 深度模块软件流程图
模块加电启动后，多任务应用程序首先初始化网络设备、分配IP地址，创建侦听主机、实时测井、数据发送等各项任务，注册用户中断服务程序，初始化各个全局变量、标志位，恢复一些关键的系统变量。之后，侦听主机通过网络发送的消息，直到收到主机发送的命令。如果主机命令系统推出，侦听任务交出CPU控制权，返回内核；如果主机命令系统进入测井状态，侦听任务将CPU控制权交给实时测井任务，进入测井状态。进入测井状态后，CPU检测CPLD是否产生中断信号。如果查询到中断，进入中断服务程序，完成测量任务，并根据接收到的主机命令判断是否向主机汇报数据情况。如果需要发送，测井任务将CPU控制权交给数据发送任务，否则等待下一次中断。数据发送任务完成数据的网络发送后仍然将CPU使用权交还给测井任务。
这是一个多任务的应用程序，由于侦听主机的任务优先级高于其它任务，所以无论CPU在执行哪个任务，只要主机发送命令，CPU都会停止手头工作，转而处理主机命令，这样可以实现主机命令的强实时操作，充分体现了人机接口的实时性。
深度测量有模拟等时测井、模拟等深测井、实际等时测井和实际等深测井4种不同模式，分别用于不同的实际需要。表1列出了深度模块的部分主要命令：
表1 深度模块部分命令
命令的第一个字为标志符$$，表示此命令由主机发出；第二个字为命令总字节数，unsigned short型，包括$$等所有发送内容；第三个字为命令码，short型，含模块类型和命令编号，01表示深度模块，02表示命令编号；之后为命令参数；命令均以十六进制表示，高字节在前，低字节在后。
结束语
目前，深度测量模块作为某测井系统的组成部分，已经通过了国家鉴定，在国内外的相关领域得到了广泛应用，大大提高了生产效率，创造了经济效益。