摘 要：本文分析了測井機器人作業(yè)仿真模擬的具體要求，設計采用虛擬井數(shù)據(jù)庫和測井信號相結(jié)合的方法，實現(xiàn)對測井環(huán)境的虛擬仿真。選擇了以深度信號作為仿真系統(tǒng)的驅(qū)動信號，以嵌入式處理器系統(tǒng)為核心，構建了仿真系統(tǒng)的總體結(jié)構，設計了虛擬仿真的工作流程。在此基礎上，提出了虛擬仿真系統(tǒng)的具體實現(xiàn)方案，重點敘述了關鍵模塊的設計與實現(xiàn)。 關鍵詞：虛擬現(xiàn)實仿真 機器人 ARM9 FPGA Abstract: This paper has analyzed the requirements of the oil well robot simulation and combined the suppositional well database with the oil well logging signal in design to achieve the simulation of the oil well enviornment. The depth signal has been chosen to take as the simulation system drive signal. Through analyzing the simulation system of signal transmission mechanism, the ensemble architecture of the simulation system has been constructed, whose coin is the embedded processor. And the work process of the simulation system has been designed. Based on this, the realization scheme has been proposed about the virtual reality simulation system. The system hardware has also been provided in the paper. Keyword: Virtual real-time simulation , robot, ARM9 , FPGA 1 前言 　　測井作業(yè)是一個高風險和技術性非常強的野外作業(yè)，對設備的操作工程師有非常高的要求，必須進行嚴格培訓，執(zhí)證上崗。而傳統(tǒng)的操作員培訓只能采取理論學習和跟井作業(yè)見習的方法，培訓時間長，效果差。因而開發(fā)測井機器人的虛擬仿真系統(tǒng)，實現(xiàn)在室內(nèi)對地面系統(tǒng)整機進行功能與性能分析，并解決操作工程師的培訓問題，使地面系統(tǒng)調(diào)試和操作人員能在實驗室有身臨其境的效果，對測井機器人的推廣應用具有十分重要的意義，并具有良好的經(jīng)濟和社會效益。 2 仿真系統(tǒng)工作過程簡介 　　一個測井機器人系統(tǒng)是由地面系統(tǒng)、電纜遙傳系統(tǒng)、深度測量系統(tǒng)和下井儀器組成的。地面系統(tǒng)是整個系統(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)送來的下井儀器測量數(shù)據(jù)和深度系統(tǒng)傳來的深度信號，對這些信息進行處理，并顯示記錄測井的資料和結(jié)果。同時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，對其進行控制。每項仿真研究都應從所研究系統(tǒng)的說明開始，只有對該系統(tǒng)具有深入的了解，明確需要解決的問題和應達到的目標，并且在這些問題上與決策者取得一致意見，才能為仿真建模與仿真運行提供可靠的基礎。實際測井過程中，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表，配置服務表使下井儀器完成初始化，并開始等時測井過程。此時電纜遙傳系統(tǒng)與下井儀器均下入油井，在井筒中快速下行。此時每隔一定時間間隔，地面系統(tǒng)的DSP采集模塊自動向下井儀器發(fā)送采集命令，下井儀器采集一組測井數(shù)據(jù)并存儲，DSP采集模塊經(jīng)一段短暫的固定時間自動向下井儀器發(fā)送數(shù)據(jù)上傳命令，下井儀器與遙傳系統(tǒng)把存儲測井數(shù)據(jù)回傳到地面測井系統(tǒng)。地面系統(tǒng)利用此測井數(shù)據(jù)判斷下井儀器下放是否受阻。當下井儀器下入井底，操作人員控制地面絞車緩慢上提電纜，并操作地面系統(tǒng)開始等深測井過程。在等深測井過程中，每隔一定深度間隔，地面系統(tǒng)的DSP采集模塊自動向下井儀器發(fā)送采集命令，下井儀器采集一組測井數(shù)據(jù)并存儲，DSP采集模塊經(jīng)一段短暫的固定時間自動向下井儀器發(fā)送數(shù)據(jù)上傳命令，下井儀器與遙傳系統(tǒng)把存儲測井數(shù)據(jù)回傳到地面測井系統(tǒng)。在等深測井過程中，反映地層巖石物性的大量測井數(shù)據(jù)被地面系統(tǒng)采集處理，得到相應測井結(jié)果。 3 系統(tǒng)總體設計方案 　　測井作業(yè)都與實際測井時下井儀器所處的深度有關，所有的測井信號都是該深度的測井信息，因此整個仿真系統(tǒng)都應在深度信號驅(qū)動下進行同步。在測井系統(tǒng)中，深度信號由稱為“馬丁代克”的深度測量裝置產(chǎn)生，其原理就是通過測量輪帶動光電碼盤，光電碼盤產(chǎn)生1280/米個脈沖。對此脈沖進行計量，就可得出儀器所處的深度和儀器運動的速度。為此必需設計一個與此深度信號相仿的深度信號產(chǎn)生電路，該電路輸出的1280/米深度信號驅(qū)動地面系統(tǒng)，同時驅(qū)動仿真系統(tǒng)輸出虛擬井相應深度的測井信號。地面系統(tǒng)接收的測井信號是由電纜遙傳系統(tǒng)經(jīng)電纜傳來的測井信號。各遙傳系統(tǒng)都有自己的編碼體制，本文所仿真的機器人系統(tǒng)采用的是LDT遙傳系統(tǒng)體制，其中包含WTS總線和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，并由一個控制核心進行控制和數(shù)據(jù)處理。由于測井時除上述測井信號外，還有一些輔助的信號，如電纜張力、磁記號等，故仿真系統(tǒng)的總體結(jié)構如圖一所示。 [align=center] 圖 一 ：系統(tǒng)結(jié)構框圖[/align] 　　不同測井項目有不同的測井數(shù)據(jù)和組織格式，開始仿真時，地面系統(tǒng)配置服務表，仿真設備接收相應命令，判斷為何種測井項目，若存儲設備中存儲有此種測井項目數(shù)據(jù)，則選擇此測井項目，發(fā)送深度信號，并馬上進入等時測井工作狀態(tài)，若無此項目數(shù)據(jù)，應輸出報告，通知操作工程師下載相應數(shù)據(jù)。下載數(shù)據(jù)時，操作員需連接通信接口到上位機，并通過上位機把所需數(shù)據(jù)下載入仿真設備的存儲系統(tǒng)。仿真設備判斷為測井數(shù)據(jù)則自動接收，并保存為相應文件。存儲設備支持斷電保存功能，可長期保存測井數(shù)據(jù)。 　　仿真設備進入等時測井工作狀態(tài)后，操作員即可仿真測井操作?？赏ㄟ^人機交互接口模擬纜車操作，選擇測井速度，仿真設備輸出相應的深度脈沖信號。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，仿真設備按命令發(fā)送等時測井數(shù)據(jù)。到達相應深度后，操作員控制仿真儀器緩慢上提電纜，操作SL-6000型地面處理設備開始等深測井操作，仿真設備接收地面處理系統(tǒng)命令并實時響應，輸出仿真測井信號。操作員可由人機交互接口隨時改變測井速度，直到地面處理設備停止測井作業(yè)。地面系統(tǒng)在仿真信號源的作用下，與實際測井一樣，可對數(shù)據(jù)記錄，顯示存儲，并輸出測井結(jié)果，其測井資料可與標準資料進行對比，一方面可確定地面處理系統(tǒng)的性能，另一方面可對操作員的操作作出評價。 4 關鍵模塊的實現(xiàn) 　　4.1控制模塊的設計 　　測井機器人傳輸?shù)淖畲髷?shù)據(jù)率為230Kb/s，仿真設備不僅要提供如此的數(shù)據(jù)量，而且要考慮能同時支持人機交互設備（如顯示屏、觸摸屏、鍵盤等）并進行數(shù)據(jù)存儲，這就要求所選控制器的速度、存儲器管理單元（MMU）、高速緩存（Cach）、流水線等方面的綜合性能達到任務要求。仿真系統(tǒng)的深度脈沖達到計數(shù)要求時，需及時產(chǎn)生所有相關的測井信號，如此才能保證測井信號與下井儀器的相應深度協(xié)調(diào)一致，否則，仿真實驗將產(chǎn)生誤差，誤差過大會導致整個仿真過程的失敗，這就要求系統(tǒng)提供很強的實時性保障，給控制模塊的選取提出了要求。 　　選用CPU芯片設計控制模塊，費時費力，增加設計難度并延長設計周期。因此設計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，實現(xiàn)了MMU、五級整數(shù)流水線、AMBA總線、Harvard Cach結(jié)構，最高頻率203MHz，采用低功耗設計，與實時操作系統(tǒng)配合可有效保證系統(tǒng)的實時性能。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，極大的減小了外圍元件的添加，減小了電路板的面積和設計工作量。另一方面，三星公司提供的資料比較齊全，提供最小系統(tǒng)與基本外設的原理圖，有多種外設的測試程序可供參考，給軟硬件開發(fā)帶來方便。調(diào)試可使用基于JTAG 的調(diào)試系統(tǒng)，不需要在目標系統(tǒng)運行相應程序，就可訪問系統(tǒng)狀態(tài)和內(nèi)核狀態(tài)，并可在RAM、ROM程序中設置斷點等，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，同時給結(jié)構設計帶來便利。 　　4.2 通信模塊的實現(xiàn) 　　目前較有競爭力的通信接口包括USB、以太網(wǎng)和1394接口。其中1394接口性能最好，硬件代價高，目前只在高端應用。USB和以太網(wǎng)應用非常普遍，成本低，性能可靠。在選用ARM通用板卡的基礎上，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（通用串行總線接口）。UART接口技術簡單成熟，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10M、100Mbps，適合大數(shù)據(jù)量傳輸，并且通信距離遠，普通雙絞線的組網(wǎng)方式可以達到150m的連接范圍，通過中繼則可連接到更遠距離，已成為當今互聯(lián)網(wǎng)絡中底層鏈接不可缺少的部分。此外USB總線具有低成本、兼容性好、功能強大、易于使用、易于擴展、支持即插即用等特點，已被廣泛采用，但通信距離不應超過3m。 　　基于以上分析，仿真設備采用以太網(wǎng)和USB兩種通信方式。采用以太網(wǎng)接口便于仿真設備與地面處理系統(tǒng)通信。仿真機器人內(nèi)部使用10/100M自適應交換機，與主機通信速率為100Mbps，故仿真設備的網(wǎng)絡接口也選用了100M的網(wǎng)絡控制器DM9000，下載500MB的數(shù)據(jù)僅需幾十秒，速度可以滿足要求。DAVICOM公司生產(chǎn)的DM9000網(wǎng)絡控制芯片是一款10/100M自適應單芯片以太網(wǎng)控制器，集成了MAC層控制器、PHY層控制器和片內(nèi)4K dword SRAM緩存器，支持8位、16位、32位微處理器接口，支持MII接口，采用低功耗設計，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：默認模式，IO限定引腳模式和EEPROM模式。三種模式的優(yōu)先級為EEPROM最高，IO引腳模式其次，默認模式最低。EEPROM模式，DM9000的配置信息存儲在外部的串行EEPROM里，系統(tǒng)上電復位時，DM9000通過SPI接口，自動將配置信息讀出; IO限定引腳模式，DM9000的配置信息（包括總線寬度、IO基址、中斷極性等）都由特定引腳的電平?jīng)Q定，在系統(tǒng)上電復位時完成;特定引腳都內(nèi)置了60KΩ的下拉電阻，默認為低電位，即默認模式。在本課題中，為方便地完成初始化配置過程，選用默認模式，不必使用專用的ROM，降低了設計的復雜度。本設計中采用默認的配置模式，使用16位數(shù)據(jù)總線，分配地址0x86000000用于訪問尋址端口，分配地址0x86000004用于訪問數(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。 [align=center] 圖 二 ：DM9000接口示意圖[/align] 　　4.3 人機接口模塊的實現(xiàn) 　　人機交互模塊需有命令接收和狀態(tài)顯示功能。為了便于操作，設計中沒有選擇鍵盤、鼠標等輸入方式。旋鈕、按鈕等操作方式靈活性差，不利于功能擴展，設計中也沒有采用。LCD與觸摸屏組成的人機接口結(jié)構緊湊，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，更大大簡化了硬件設計，增強了可靠性，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STN LCD和TFT LCD，支持多種尺寸的LCD屏?？紤]LCD性能及設備外形與裝配，選用臺灣元太公司生產(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控制器用來發(fā)送視頻數(shù)據(jù)并產(chǎn)生必需的控制信號，主要包括REGBANK、LCDCDMA、TIMEGEN、VIDPRCS。REGBANK用來配置控制器，使之與LCD面板相匹配。TIMEGEN 產(chǎn)生LCD控制信號，如VSYNC，HSYNC，VCLK，VDEN等。LCDCDMA為專用DMA，可自動傳送幀存儲區(qū)視頻數(shù)據(jù)到LCD驅(qū)動器，不受CPU的干預。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)動器。 5、總結(jié) 　　本文的創(chuàng)新點是：在設計中，采用以實物為基礎實時仿真機制，以ARM9處理器S3C2410和FPGA為核心成功搭建了硬件仿真平臺;實現(xiàn)了底層驅(qū)動程序與上層軟件程序的編寫與調(diào)試，可進行測井項目的虛擬仿真實驗。經(jīng)過測試，系統(tǒng)能夠按照實際機器人的工程作業(yè)過程，對地面系統(tǒng)的性能進行全面仿真和模擬。 參考文獻： 　　[1] 馬忠梅， 徐英慧.ARM嵌入式處理器結(jié)構與應用基礎. 北京：航空航天大學出版社 　　[2]曾繁泰，陳美金著.VHDL程序設計.北京：清華大學出版社，2003 　　[3] 郝立果，王玉東等， 基于CPLD和MCU網(wǎng)絡的服務機器人研究，北京，《微機算計信息》，2005.No.10-2 　　[4]黃田苗，嵌入式系統(tǒng)設計與實例開發(fā).北京：清華大學出版社,2002