油田深井高温环境电子监控系统研制.doc

【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流油田深井高温环境电子监控系统研制.精品文档.硕 士 学 位 论 文题 目: 油田深井高温环境 电子监控系统研制 研 究 生 专 业 指导教师 完成日期 2008年10月 杭州电子科技大学硕士学位论文油田深井高温环境电子监控系统研制研 究 生： 指导教师： 2008年10月Dissertation Submitted to Hangzhou Dianzi University for the Degree of MasterStudy and Realization of a High-temperature Environment Monitoring System in Deep-well on the OilfieldCandidate: Supervisor: October，2008杭州电子科技大学学位论文原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重声明： 所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。论文作者签名： 日期： 年 月 日学位论文使用授权说明本人完全了解杭州电子科技大学关于保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属杭州电子科技大学。本人保证毕业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为杭州电子科技大学。学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。（保密论文在解密后遵守此规定）论文作者签名： 日期： 年 月 日指导教师签名： 日期： 年 月 日摘 要石油作为一种重要的战略物资，它在我们生产和生活中占有及其重要的地位。尤其是当今世界油价飞涨，其产量和采出效率对国民经济乃至世界政治、经济产生深远的影响。而随着油田开发的不断深入，油井结蜡的现象愈发明显，严重制约了油田的正常生产。在这种情况下，研究疏通油井结蜡疏通、提高油井产量变得刻不容缓。而现有除蜡、疏通方法或因效率低下，或成本太高，都不能满足现场作业需要。本文设计开发的疏通油田深井油管堵塞设备解决了油田开发、生产的技术难题。针对高温、高压深井环境作业设备配备电子监控系统的迫切需求，分析了该类装备的工作过程和使用环境，明确了测量和控制的主要目标和任务，提出了以dsPIC30F4012单片机为控制核心，CAN总线为通信方式的设计方案，并详细阐述了该监控系统的硬件设计和软件设计过程。本文的主要工作分为三部分：井下测控电路设计、地面测控电路设计、PC机操作平台开发。该监控系统是个分布式系统，硬件部分采用两片dsPIC30F4012的MCU，一片作为地面监控系统主控单元，另一片作为井下测控系统主控单元，并通过CAN总线连接，实现4km长距离无中继通讯。井下测控系统负责测量油井环境温度和设备状态参数，通过CAN总线传给地面监控系统；地面监控系统则通过测量井下设备的供电电压和电流，并结合井下数据一起发送给PC机；PC机界面程序负责显示各项参数，同时能对地面系统以及井下系统做出各种命令操作。文章还进行了实验室的各项实验，分析对比了该设备测量参数与理论值的差别，初步测试性能后最终下井实验，并获得成功。完毕后对实验结果进行了分析，同时对论文的工作做了总结，指出了工作的成果及意义，并对今后的进一步工作进行了展望。配备了电子监控系统的油田深井通井设备的使用有助于提高油田产油效益，提高劳动生产率，降低劳动强度和难度。纵观当今国内外形势，开发具有自主知识产权的油田设备，能减少对国外设备的依赖，并有着广阔的市场空间和明显的经济、社会效益。关键词：油井，除蜡，疏通，CAN，dsPIC30F4012ABSTRACTOil is an important strategic material, which plays an important role in our life. With the oil price rising, oil production efficiency and output have a profound impact on the national economy and the world's politics. With the deepening of the oil field development, oil waxing on the oil pipeline becomes more and more serious, which hampered the normal oil production. In this case, the study of dredging to clear the wax on oil pipeline's inner surface to increase oil production has become imperative. As a result of inefficient or costly, the existing ways of paraffin removals can not meet the needs of scene operations.In this thesis, design and realization of deep oil well dredging device resolves the technical problems in oil fields development and production. For electronic devices that worked in the environment of high-temperature and high pressure should be equipped with monitoring system need, we analyzed the work process of equipment and the use of the environment, and we defined the main objectives and tasks. We propose dsPIC30F4012 as a core control, the CAN bus as the communication method. The paper also describes the design of hardware and software process. This article is divided into three main tasks: underground monitoring and control circuit design, ground monitoring and control circuit design, PC platform design. The monitoring system is a distributed system. Two pieces of dsPIC30F4012 are used in the system. One is a control unit of ground monitoring system and the other is the underground. Through CAN bus connection 4km long-distance communications came true. Underground measurement and control system is responsible for measuring temperature in oil wells and parameters of the equipment, transmitting to the ground monitoring system through the CAN bus. Ground monitoring and control system is responsible for measuring the underground power supply voltage and current, sending them to the PC in conjunction with underground's data; PC interface program is responsible for showing the parameters, while on the ground and the underground system, or make a various commands to the system.This thesis also raises a scheme in laboratory, analyzes and compares the parameters between measurement values and theoretical values. After the preliminary performance tests, equipment are sent to the oil well to work. It has carried out analysis on experiment result and a summary of the work at the same time. It also points out the working achievement and significance, and makes a prospect of the following work.The well-dredging instrument allocated with intelligence monitoring system helps to improve oil producing efficiency and productivity, to reduce the labor force. Aimed at this current situation, the development of intelligence well-dredging instrument which has independent intellectual property can cut down dependency on abroad. It has vast marketplace space, obvious economy and social benefits.Keywords：Oil-well, Paraffin removal, Dredge, CAN, dsPIC30F4012目 录摘 要IABSTRACTII第1章 绪论11.1 课题的研究背景及意义11.2 国内外研究现状和发展趋势11.3 本课题的研究内容和主要工作31.4 本课题的主要创新点41.5 小结4第2章 系统总体方案52.1 系统功能要求52.2 系统设计思路与方案62.2.1 设计思路62.2.2 系统方案设计62.2.3 需要解决的关键问题和技术措施72.3 微控制器选择92.3.1 常用的微控制器92.3.2 本文选用的微控制器简介102.4 小结10第3章 硬件系统设计原理与实现113.1 硬件系统结构113.2 井下测控系统113.2.1 开关量标定113.2.2 直流无刷电机转速检测123.2.3 套管接箍信号特征及其检测电路153.2.4 温度测量173.2.5 切割钻头电机电压测量213.2.6 井下系统电源设计223.3 地面测控系统223.3.1 电压、电流检测223.3.2 RS-232电路设计243.3.3 井下设备电源控制263.3.4 地面监控系统电源263.4 控制器局域网(CAN)总线接口263.4.3 CAN通信电路接口设计293.4.4 匹配电阻的计算303.5 在线调试电路接口313.6 可靠性、抗干扰措施333.6.1 干扰的危害和传播途径333.6.2 硬件抗干扰措施343.6.3 CAN电路保护35第4章 软件系统设计364.1 系统的软件开发环境364.1.1 MPLAB集成开发环境(IDE)364.1.2 人机交互界面开发工具Visual Basic374.2 井下测控系统软件设计374.2.1 系统流程384.2.2 初始化394.2.3 中断程序处理414.2.4 算法分析及实现424.3 地面监控系统软件设计444.3.1 系统流程454.3.2 初始化454.3.3 CAN应用层协议设计及实现474.4 人机交互界面监控平台设计开发484.4.1 MSComm串口通信开发484.4.2 界面的设计与功能494.4.3 RS-232应用层协议设计及实现504.5 软件抗干扰、保护措施52第5章 系统调试545.1 实验方法545.1.1 高温、高压实验545.1.2 模拟阻抗网络通信传输实验555.1.3 油井现场实验555.2 实验数据、分析565.2.1 压力测试565.2.2 高温测试575.2.3 CAN模拟通信距离测试575.2.4 油井现场实验595.3 实验结论60第6章 总结与展望616.1 总结616.2 未来工作展望61致谢63参考文献64附录67第1章 绪论1.1 课题的研究背景及意义石油是一种战略物资，它是工业经济的血液，军事力量的命脉。石油的安全关系到一个国家的经济、社会的可持续发展与军事安全，它和国家的外交与对外战略紧密相联。在经济全球化和区域化发展的国际环境里，世界各消费国均把石油资源的持续、合理、稳定的获得作为国家的重要战略，它牵动着世界政治、经济和外交格局的变化。我国是石油消耗大国，1995年到2005年， 中国石油消费量年均增长5.25%， 同期国内石油产量增速缓慢，对外石油需求增长迅速1。2003年，中国取代日本成为全球仅次于美国的第二大石油消费国。2005年石油消费量超过3.27 亿吨，进口原油1.47亿吨，对外石油依存度接近50%大关。2007年中国石油消费总量超过4亿吨，2010 年将超过5亿吨。如果届时国内石油供应能力保持在1.8到2亿吨，则供需缺口高达3亿吨，石油国际依存度将超过60%。可以说，中国的石油安全形势非常严峻2，因此自主研发石油开采及其相关技术非常必要。在油井开采过程中，石油中所含的蜡在一般油层条件下都处于溶解状态3。而随着开采过程中温度、压力的降低和气体的析出，溶解的石蜡便以晶体的形式析出。随着温度的进一步降低，石蜡晶体析出量增多，其结晶便长大聚集和沉积在管壁上，即出现所谓的结蜡现象。油井结蜡给自喷井带来的危害，使出油管道直径缩小甚至堵死，从而使油井产量递减或停产，严重影响了石油的正常生产。特别是油井的特殊环境：油井深、肉眼无法观察堵塞位置；温度高，压力大，给疏通油井工作带来了诸多问题。在这种情况下，对油井的除蜡、疏通刻不容缓。1.2 国内外研究现状和发展趋势针对油井结蜡问题，国内外研究了多种清防蜡方法，目前应用得最广泛的，主要有机械清蜡技术，热力清蜡技术，化学药剂清蜡技术，电磁清防蜡技术和微生物清蜡技术等几种4。自喷井的人工绞车机械清蜡方法是最早使用的清蜡方法。机械清蜡技术是一种既简单又直观的清蜡方法，它是以机械刮削方式利用刮蜡片或钻头来清除油井管壁内沉积的蜡。合理地清蜡必须根据每口油井的具体情况来制定。首先要掌握清蜡周期，使油井结蜡能及时刮除，保证压力、产量不受影响。清蜡深度一般要超过结蜡最深点或析蜡点以下50m。这种方法虽然直观，但是遇到高温高压深井就不可避免地产生各种弊端，如机械刮蜡处不可见产生的设备状态未知等等，下井长度有限等等。热力清蜡法是利用热能提高抽油杆、油管和液流的温度，当温度超过析蜡温度时，则起防止结蜡的作用，当温度超过蜡的熔点时，则起清蜡作用。利用这种方法可以有效地防止油井结蜡，并使地层保持良好的采油性能。特别是可以在清蜡时也能维持采油，很好提高了采油效率。缺点是：成本太高。不管是利用热水站还是使用高电流，都是很不经济的。所以常与化学药剂清蜡合用。用化学药剂对油井进行清防蜡是目前油田应用比较广泛的一种清防蜡技术，这是因为用化学药剂进行清防蜡，通常是将药剂从环形空间加入，不影响油井正常生产和其它作业，除可以收到清蜡、防蜡效果外，使用某些药剂还可以收到降凝、降粘和解堵的效果。化学药剂的作用过程是将已沉积的蜡溶解或分散开使其在油井原油中处于溶解或小颗粒悬浮状态而随油井液流流出对针，这涉及到渗透、溶解和分散等过程。但是化学药剂清防蜡方法，不但要对不同的原油和石蜡性质筛选最优的清防蜡剂配方，而且要保证清防蜡剂不间断地在原油中保持设计的配方和浓度，才能有效地解决石蜡的结晶和沉积问题，达到清防蜡的目的。而且如何正确使用清防蜡剂，充分发挥清防蜡剂的清防蜡效果也是一个很重要的因素。往往发现筛选出的配方、浓度和用量，在室内试验时效果很好，而上现场实施效果并不理想，甚至无效，主要是加药方法不当造成的。因此化学药剂清防蜡必须根据油井状况和结蜡情况，采用合适的加药方法，来保证充分发挥清防蜡剂的清防蜡效果。近十几年来，电磁防蜡处理技术以其特有的优点在油田防蜡降粘方面得到了越来越广泛的应用。电磁处理技术是属于原油的物理改性技术，不但能够降低原油的析蜡点，而且能够降低原油粘度，提高原油在输油管中的流动性，减小输送阻力。但是采用稀土永磁材料制成的固体强磁防蜡器，经过一段时间使用后，永磁材料磁性减弱或粉化，防蜡效果消失，使永磁材料构成的防蜡起的进一步应用受到了极大限制。微生物清蜡是近年来发展的一种技术，在我国已有推广应用。而微生物清防蜡技术是利用微生物的活性、依靠微生物自身的趋向性，将原油中的饱和碳氢化合物、胶质沥青质降解，降低原油中的含蜡量，从而抑制石蜡的沉积，做生物清防蜡技术具有施工工艺简单、有效期长；避免热洗造成的油层损害微生物在代谢过程中产生的生物表面活性料和生物乳化剂能改善油层的润湿性，提高油藏渗透率，增加油井产量用量少，成本低，经济效益广。但现用清蜡微生物在几千米以下的高温环境下无法生存，因此这种清蜡方式只适合浅层结蜡油井管道。近年来国外开发了一种叫做Enercat防蜡器5的工具。这种防蜡器结构非常简单，它仅有两端与油管短节外的装有固体石英混合物模具的工作筒组成。石英模具即为防蜡防垢部件，它由石英晶体与包含在铝合金中较贵重金属化合而成。防蜡机理是：防蜡器能显著降低蜡的结晶温度，并在蜡微粒出现以前已将油管壁清洗干净；随温度的降低，防蜡器导致产生偶极子，偶极子作为蜡晶体的“核心”，并悬浮在液体中。Enercat新型防垢防蜡器可用于各种推油井。目前国内应用较少。国内外石油业都非常重视清防蜡工艺技术的发展，都在积极改进或开发新的工艺技术。机械清防蜡、化学清防蜡、微生物清防蜡等各种技术面对各种弊端，都呈现出一种发展的新趋势。目前，随着计算机技术的发展和计算机技术在信号处理中的广泛应用，以及传感器技术和通信技术的快速进步，油井数据采集技术得到了迅速发展。由此带有电子监控的油井清防蜡设备就应运而生。1.3 本课题的研究内容和主要工作该课题针对现有电动机械通井装置在油田深井作业时无法实时监控的不足进行的一次设备改造，目的是提高其作业的自动化水平、工作效率和安全可靠性。研究的油田深井高温设备电子监控系统是配合油田电动通井设备使用的电子除蜡疏通监控装置，该监控系统实时监控井下疏通管道的温度、切割钻头电机电压、电流、转速等各参数，通过绞车电缆传输到地PC机人机交互界面显示；并通过操作人机交互平台控制位于井下的通井设备启停和运转，且具有过压、过流、高温自动保护功能。地面系统要求安装在一套便携式手提箱内。监控系统和地面供电系统、井下电机系统及其密封、压力补偿系统组成完整的可与高温深井作业车配套的通井除蜡设备通用技术平台。本课题的主要工作有：(1) 介绍了国内外在油井管道结蜡疏通的发展概况，并阐述了今后的通井设备的发展趋势；(2) 分析油田深井通井设备的工作过程及其特殊工作环境，结合油田客户，明确监控系统任务，提出长距离数据传输的系统方案设计；(3) 详细介绍了基于dsPIC30F4012的测控系统方案及根据参数要求设计的测控电路设计原理、开发方法；(4) 监控系统的硬件电路设计。以dsPIC30F4012为微处理器设计了远距离通信电路、传感器组电路、电源模块电路、模拟信号处理电路。实现各个参数的测量检测并传输过程；(5) 监控系统的软件系统设计。使用集成开发环境开发C语言的dsPIC系列芯片固件程序，主要实现参数的采集和数据的传输；Visual Basic开发的人机交互界面软件，完成井下参数的接收显示和井下设备的指令控制；(6) 系统调试和实验结果。1.4 本课题的主要创新点本课题中的主要创新点有：(1) 适用于高温环境的电子监控装置。本课题是结合电动机械通井除蜡的监控装置，油田高温深井环境是最大的考验，油井底部的温度，随着井深的增加而提高，每深入100m温度约提高3，例如井深达4000m以上时，油井温度可达120。在这样的高温情况下，一般电子设备极有可能失去作用而无法正常工作。本监控系统电路全部采用高温电子元器件，并通过高温测试，完全适合4000m高温油井层工作；(2) 长距离无中继数据传输在油井设备中的应用。长距离无中继数据传输是本课题的另一创新点。利用控制器局域网（Controller Area Network ，简称CAN），井下地面才得以进行数据的交互传输。在油井设备中使用CAN总线，是一次新的尝试和突破。通过现场试验，取得了满意的效果，为今后油田深井监控技术的发展打下先行实验基础。1.5 小结在本章中，首先介绍了课题的研究背景和意义，并分析了国内外研究的现状，针对各种油井清蜡方法和清蜡工具存在的缺点和不足，提出了油田深井高温环境电子监控方案设计电动通井设备的方法。在以后的各章里，本论文将在此基础上，就系统硬件、软件等各方面做进一步的讨论。第2章 系统总体方案2.1 系统功能要求课题所研制的系统是油田深井疏通管道设备的监控系统，它的任务就是要完成设备实时状态的检测、数据的传输显示、命令的控制。它的特点和要求如下：(1) 对井下设备状态数据的采集和检测井下设备电流、切割钻头电机的电压、切割钻头电机转速、切割钻头电机轴心温度、油井环境温度、油井套管接口等都是系统所需要测量采集的数据。尤其是在切割电机运动到3000r/min的情况下，对系统的采集精度提出了比较高的要求。以下是各部分模拟、数字参数要求：设备电流：0-3A；切割钻头电机电压：0-300V；切割钻头电机转速：0-4000r/min；切割钻头电机轴心温度：100以下；油井环境温度：130以下；(2) 长距离通信数据采集系统采集油井各数据后，通过长距离无中继数据传输到地面并送达PC机显示，计算机通过运行专业软件进行数据分析，从而实现对在井下的设备的状态监测。长距离通信载体为油田电缆绞车，绞车电缆长为4000m；(3) 抗高温环境基于油田深井的高温环境的设计要求，必须使得设计的电路耐温达到所规定的等级范围。根据理论分析得出，设备在高温油井工作条件下，温度可达120。在可能达到如此高温状态下能够进行数据的采集和传输，这就对系统的可靠性提出了要求；(4) 设备控制和保护通过操作PC机界面能够有效地控制井下设备的启停，并能在环境温度过高或切割钻头电机卡死导致的电流过大的情况等进行保护并停止作业，有效提高设备的利用率，并增加疏通的有效性、降低盲目性；(5) 实时监测由于油井除蜡疏通设备工作环境的特殊性，必须要求对设备状态监测有良好的实时性。可靠的、实时的数据也为油井作业人员提供了油井设备状态的第一手数据，从而有效地对堵塞油井进行疏通除蜡，提高油井的产油率。2.2 系统设计思路与方案2.2.1 设计思路早期的仪表控制系统和电气控制系统都是集中式的，原因是工业化大规模生产线还未形成，控制的物理面积比较小，所以没有这种需求。设备的控制都是独立的，控制系统都安装在设备附近，通信通常不会超过20m，而且设备与设备之间、设备与主机之间也没有通信要求，设备与操作人员通过按钮、指示灯来进行交互，功能比较简单，设备的加工和制造的产品，属于“大批量，少品种”的状态。因此，自动化的控制水平处于初级阶段。随着流水线、自动线、生产线的发展和扩大，对自动化控制系统的要求也随之提高。因为原来的输入、输出的走线距离为十几米、几十米，后来的要求提高到上百米，甚至几百上千米，所以带来的问题有两个：一是输入、输出的距离过远，信号衰减过大，导致了误动作，甚至无法工作（现在的接线距离通常限制在四百米以内）；二是输入、输出线都采用并行接法，随着距离的增加，电缆的费用也不断增加，而且给后来的校线、调试、运行和维护都带来问题，所以使得项目的整体拥有成本大大的提高了。在这种情况下，出现了各种现场总线技术，以适合通信要求6-7。就这样，出现了DCS（Distributed Control System，集散控制系统，也称分布式系统）。为了提高石油生产效率、强化生产管理、方便现场监控设备参数、根据油井特殊环境和该课题特殊功能要求，并使系统能安全、可靠、高性能地运行，提出了集散控制的设计方案。整个系统采用如下设计思路：(1) 采用集散控制的方案。主要由井下测控系统、地面监控系统、上位机操作管理软件构成。油田工作人员对某一处油井进行疏通操作时，也可对整个疏通设备进行全方位的监控，尤其是在高温高压油井下遇到疏通受阻或仪器设备工作不正常立刻采取安全措施；(2) 采用总线式的现场通信协议。它具备多主协议、通信速率高、实时能力、错误纠正、强噪声抑制能力，同时，系统具备一定的扩充能力。2.2.2 系统方案设计为满足系统功能要求，设计的监控系统如图2.1所示。图2.1 监控系统结构图该监控系统为一个分布式结构，井上地面系统通过绞车七芯电缆连接。井下测控系统主要功能是实时监控油井疏通设备的状态和油井环境监测。油井温度、钻头电机轴心温度、电压、转速，套管检测等参数由井下系统测量；地面供电电压、电流的检测由地面监控系统完成；通过井下、地面两个测控系统对各个参数的测量，传输数据到上位机显示，上位机通过接收到的数据进行软件过载保护。功能结构图如图2.2所示。图2.2 系统功能结构图2.2.3 需要解决的关键问题和技术措施(1) 油井高温环境考验评价油藏的温度系统通常用地温梯度，地温梯度是指每增加一定深度所增加的温度，一般用每增加100m或1km深度所升高的温度来表示。一般来说，地壳稳定地区的地温梯度比活动的造山带、边缘带为低。世界平均地温梯度为25/km。目前观察到的地温梯度最低可到5/km，最高可达90/km。沉积盆地中的地温梯度一般变化在1550/km8。如地处山东北部渤海之滨的黄河三角洲地带，地温梯度高，3000m 井深地层温度可达到125，研究表明：济阳坳陷的现今地温梯度平均为35. 5/km，其中沾化、东营、车镇和惠民等4个主要凹陷地温梯度平均值分别为36. 1/km、35. 5/km、35. 4/km和34. 6/km，外围的潍北凹陷为35. 0/km。在井深达3000m时温度可达120左右9。因此，克服高温环境的电子设备作业成为课题的首要工作。在本课题中，采用抗高温的电子元器件、高温芯片，并配合软件过温技术设计，能充分克服高温环境对电子设备的影响，并能时刻检查过温的影响，一旦超过软件所设定的温度值，立刻提示油井工作人员进行过温处理。(2) 油田深井远距离无中继传输由于油井环境的复杂和恶劣，并且系统的观测点都在井下和高压高温设备的环境中，受到较强的电磁辐射和耐潮耐腐的考验，因此数据的传输就变得更为关键。井下和地面系统通过七芯油井专用作业电缆连接。长电缆系统存在较大分布电容、电阻等参数。电缆包括导体、绝缘层、屏蔽层和护套几部分组成。电缆内部芯线有绞合。七芯铠装电缆，其内部七根缆芯自身也是7根直径0.32mm的铜线绞合而成，外部是绞合的双层铠装，如图2.3所示。采用一种合理、可靠的传输协议就成了解决本课题的又一个关键。图2.3 七芯电缆截面图在长距离有线传输方式中，现今常用的协议有CAN总线与RS-485。通过表2.1即可发现它们各自的特点。表2.1 两种常用的通信方式比较特性RS-485方式CAN总线拓扑结构直线拓扑直线拓扑传输介质双绞线双绞线硬件成本很低每个节点成本有所增加总线利用率低高网络特性单主结构多主结构数据传输率低最高可达1Mbps容错机制无由硬件完成错误处理和检错通信失败率很高极低节点错误影响有可能导致整个网络瘫痪故障节点对整个网络无影响通信距离<1.2km可达10km(5kbps)后期维护成本较高很低比较发现，与通常应用的RS-485方式相比，现场总线CAN具有更多方面的优势，可以完全取代RS-485网络，从而组建一个具有高可靠性、远距离、多节点、多主方式的设备通信网络。同时，现场总线CAN可以直接采用RS-485方式相同的传输电缆、拓扑结构10。 现场总线是当今自动化领域技术发展的一个热点，被誉为自动化领域的计算机局域网。它的出现，标志着工业控制技术领域又一个新时代的开始，并对该领域的发展产生了重要的影响。控制器局域网CAN属于现场总线的范畴，CAN总线的数据通信具有极高的可靠性、实时性和灵活性的特点，是一种有效支持集散控制系统和实时控制的多主串行总线。采用CAN总线通信，可靠地解决了油田深井疏通设备分布式系统井下和地面之间的通信。2.3 微控制器选择2.3.1 常用的微控制器(1) 嵌入式微处理器嵌入式微处理器的基础是通用计算机中的CPU。在应用中，将微处理器装配在专门设计的电路板上，只保留和嵌入式应用有关的母板功能，这样可以大幅度减小系统体积和功耗。为了满足嵌入式应用的特殊要求，嵌入式微处理器虽然在功能和标准微处理器基本是一样的，但在工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方面一般都做了各种增强。和工业控制计算机相比，嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高的优点，但是在电路板上必须包括ROM、RAM、总线接口、各种外设等器件，从而降低了系统的可靠性，技术保密性也较差。嵌入式微处理器及其存储器、总线、外设等安装在一块电路板上，称为单板计算机。如STD-BUS、PC104等。(2) 嵌入式微控制器嵌入式微控制器又称单片机，它是将整个计算机系统集成到一块芯片中。嵌入式微控制器一般以某种微处理器内核为核心，芯片内部集成ROM/EPROM、RAM、总线、总线逻辑、定时/计数器、Watchdog、I/O、串行口、脉宽调制输出、A/D、D/A、EEPROM等各种必要功能和外设。为适应不同的应用需求，一般一个系列的单片机具有多种衍生产品，每种衍生产品的处理器内核都是一样的，不同的是存储器和外设的配置及封装。这样可以使单片机最大限度地和应用需求相匹配，功能不多不少，从而减少功耗和成本。和嵌入式微处理器相比，微控制器的最大特点是单片化，体积大大减小，从而使功耗和成本下降、可靠性提高。微控制器是目前嵌入式系统工业的主流。微控制器的片上外设资源一般比较丰富，适合于控制，因此称微控制器。嵌入式微控制器目前的品种和数量最多，比较有代表性的通用系列包括8051、MCS-96/196/296、MC68HC05/11/12/16、68300、数目众多的ARM芯片等。目前MCU占嵌入式系统的70%的市场份额。(3) DSP数字信号处理器DSP处理器对系统结构和指令进行了特殊设计，使其适合于执行DSP算法，编译效率高，指令执行速度也较高。在数字滤波、FFT、频谱分析等方面DSP算法正在大量进入嵌入式领域，DSP应用正从通用单片机中以普通指令实现DSP功能，过渡到采用嵌入式DSP处理器。嵌入式DSP处理器比较有代表性的产品是Texas Instruments的TMS320和Motorola的DSP56000系列。TMS320系列处理器包括应用于控制的C2000系列，移动通信的C5000系列，以及性能更高的C6000和C8000系列。DSP56000目前已经发展成为DSP56000，DSP56100，DSP56200和DSP56300等几个不同系列的处理器。另外PHILIPS公司近年也推出了基于可重置嵌入式DSP结构低成本、低功耗技术上制造的REAL DSP处理器，特点是具备双Harvard结构和双乘累加单元，应用目标是大批量消费类产品。(4) 嵌入式片上系统随着EDA的推广和VLSI设计的普及化及半导体工艺的迅速发展，在一个硅片上实现一个更为复杂的系统的时代已经来临，这就是SOC （System On Chip，简称片上系统）。各种通用处理器内核将作为SOC设计公司的标准库，和许多其它嵌入式系统外设一样，成为VLSI设计中一种标准的器件，用标准的VHDL等语言描述，存储在器件库中。用户需定义出其整个应用系统，仿真通过后就可以将设计图交给半导体工厂制作样品。这样除个别无法集成的器件以外，整个嵌入式系统大部分均可集成到一块或几块芯片中去，应用系统电路板将变得很简洁，对于减小体积和功耗、提高可靠性非常有利。SOC可以分为通用和专用两类。通用系列包括Infineon的TriCore、Motorola的M-Core、某些ARM系列器件、Echelon和Motorola联合研制的Neuron芯片等。专用SOC一般专用于某个或某类系统中，不为一般用户所知。一个有代表性的产品是Philips的Smart XA，它将XA单片机内核和支持超过2048位复杂RSA算法的CCU单元制作在一块硅片上，形成一个可加载JAVA或C语言的专用SOC，可用于公众互联网如Internet安全方面。2.3.2 本文选用的微控制器简介根据该系统所要求的测控要求与传输方式，最终选择了d