引 言

隨鉆測井LWD（Logging WhiIe Drilling）技術是將測井儀器安裝在靠近鉆頭的部位，在地層剛鉆開后就測量地層各種信息的一種測井方法。它通過測量地層傾角和方位、鉆頭方向、鉆壓、扭矩等，進行鉆井定向控制，測量地層的電阻率、自然電位、自然伽馬、密度／中子、核磁、聲波時差等。LWD在鉆井的過程中測量地層巖石物理參數(shù)，并用數(shù)據(jù)遙測系統(tǒng)將測量結果實時送到地面進行處理，形成地層評價。由于當前數(shù)據(jù)傳輸技術的限制，大量的數(shù)據(jù)仍存儲在井下儀器的存儲器中，起鉆后回放。其測量結果克服了井眼擴徑、泥漿入侵等一系列環(huán)境條件的影響。隨鉆測井可實時提供地層和井深信息，對地層做出快速評價，優(yōu)化井眼軌跡和地質(zhì)目標，指導鉆進。特別是在疑難井、大斜度井、水平井中，它顯示出比電纜測井更為重要的作用。LWD系統(tǒng)主要由2部分組成：地面系統(tǒng)和井下系統(tǒng)。如圖1所示。

地面系統(tǒng)包括：上位機PC、接口卡、專用電纜、增效箱以及其他附屬配件。其中主機裝有LWD系統(tǒng)專用地質(zhì)導向鉆井配套軟件Insite。

井下系統(tǒng)包括：總線控制器（HCIM）、隨鉆自然伽馬測量儀（DGR）、隨鉆電阻率測量儀（EWR）、隨鉆中子傳感器（CNP）、隨鉆巖石密度傳感器（SLD）、工具串振動傳感器（DDS）、探管（PCD）。

由此可見，LWD井下系統(tǒng)有大量傳感器對不同參數(shù)進行測量，耗電量非常大。由于每次鉆井設備下井都要耗費大量人力物力，而且一旦下井，鉆井設備會在地下持續(xù)長時間工作，而且鉆井深度可達幾千米，只能通過安裝在鉆頭附近的電池供電。隨鉆測井系統(tǒng)的供電由2組鋰電池（3．6 V）并聯(lián)組成，每組6節(jié)串聯(lián)，構成21 V直流電源。電池儲能是有一定限制的。例如渤海油田的B20井就是應用LWD技術，測量井段為2 102～3 073 km，連續(xù)工作5天。其他應用LWD鉆井技術的石油井也是如此，有些LWD傳感器甚至要連續(xù)在井下工作半個月之久。因此降低系統(tǒng)功耗就是隨鉆測井系統(tǒng)設計時需要考慮的一個十分重要的問題。

1 、低功耗電路設計的基本原則

對于典型系統(tǒng)而言，其功耗大致滿足：P=C×V2×f。C是電容負載，V是電源電壓，f是開關頻率。功耗與工作電壓的平方成正比，因此工作電壓對系統(tǒng)的功耗影響最大，其次是工作頻率。電容負載也會有一些影響，但電容負載對設計人員而言一般是不可控的。因此設計低功耗系統(tǒng)，應該考慮在不影響系統(tǒng)性能前提下，盡可能地降低工作電壓和使用低頻率的時鐘。

對于隨鉆測井系統(tǒng)，由于傳感器在地下幾千米工作，溫度極高，工作空間狹小，在設計上就提出了其他一些挑戰(zhàn)。在高溫下，電容等器件的性能會減半，因此在進行器件選型時，這些因素都考慮其中。

另外，動態(tài)功耗管理也是降低功耗的有效途徑。動態(tài)功耗管理是當前最重要的系統(tǒng)功耗優(yōu)化技術之一。它根據(jù)系統(tǒng)各模塊性能，動態(tài)地配置系統(tǒng)，使系統(tǒng)中各功能模塊處于滿足性能需求所需的最低功耗狀態(tài)，從而實現(xiàn)節(jié)省功耗的目的。

2、 基于MC9S12Q128的低功耗系統(tǒng)設計

MC9S12系列單片機是以CPU12內(nèi)核為核心的16位單片機，簡稱S12系列。典型的S12總線速度為8 MHz，最高可達25 MHz。其I／O和CPU可以運行在不同的時鐘下。CPU功耗可以通過開關狀態(tài)寄存器的控制位來控制。MC9S12Q128外部采用5 V電壓供電，正常運行時最大電流為5 mA，低功耗模式下不到1 mA，為設計低功耗系統(tǒng)提供了有利的條件。

2．1 電 源

對于MC9S12Q128而言，它的外部供電電壓是5 V，I／O端口也是按5 V供電的邏輯電平設計的，這樣可以在使用時接口電路直接與TTL標準電平的器件連接。這些接口電路應該也是低功耗的，否則會造成一方面使用低電壓降低了功耗，另一個方面使用額外的接口電路又增加了系統(tǒng)的功耗。芯片內(nèi)部用2．5 V供電，低電壓供電保證了芯片的低功耗。芯片內(nèi)部5 V到2．5 V通過內(nèi)部電壓調(diào)整模塊自行進行轉換。

由于傳感器系統(tǒng)是由電池供電，實際電池具有以下非線性特性：

①輸出電壓在放電過程中逐漸下降，低于某個閾值電壓時，電池耗盡而停止工作；

②電池的有效能量與放電電流情況有關；

③電池具有自恢復效應，即電池在非供電時期可以回收部分電荷，從而增加了其有效量。

根據(jù)電池的以上特性，提出了根據(jù)電池狀態(tài)調(diào)度任務的策略；對多電池驅(qū)動的設備，提出了以下各種電池調(diào)度和管理技術：

◆靜態(tài)調(diào)度。按照一定的次序輪流使用各個電池，每個電池工作的時間固定。

◆動態(tài)調(diào)度。通過檢測電池的輸出電壓或放電電流，確定電池的狀態(tài)，從而決定各電池間的切換時間和順序。

2．2 時鐘頻率

從低功耗的角度看，需要較低的頻率；但是在實時應用中為了快速響應外部事件，又需要比較快的系統(tǒng)時鐘。MC9S12Q128內(nèi)部總線速率最高可達25 MHz，即40 ns的最小指令周期。MC9S12Q128內(nèi)部集成了完整的節(jié)能振蕩電路。如果外接振蕩電路，需要配置時鐘合成寄存器（SYNR）和時鐘分頻寄存器（REFDV）。靠鎖相環(huán)產(chǎn)生的時鐘頻率由下面的公式得到：

PLLCLK=2×OSCCLK×（SYNR+1）／（REFDV+1）其中OSCCLK為外部晶振頻率。

經(jīng)測試，應用鎖相環(huán)電路時，在21 V電壓供電情況下，電流會增大5 mA左右。本設計選用16 MHz的外部晶振，總線頻率為默認的8 MHz。在保證不影響系統(tǒng)性能的前提下，減少系統(tǒng)功耗。

2．3 低功耗軟件控制

MC9S12Q128的工作模式通過模塊的智能化運行管理和CPU的狀態(tài)組合，以先進的方式支持超低功耗的各種要求。MC9S12Q128支持3種低功耗模式——停止模式、偽停止模式和等待模式。CPU條件碼寄存器CCR中的S位是STOP指令禁止位，如果要進入STOP模式，該位應置0。

停止模式：當CLKSEL寄存器中的PSTP=0時，CPU執(zhí)行STOP指令，停止所有的時鐘和晶振，從而使芯片進入完全靜態(tài)模式。從這一模式喚醒CPU可以通過復位或外部中斷。

偽停止模式：當CLKSEL寄存器中的PSTP=1時，CPU執(zhí)行STOP指令進入偽停止模式。在這種模式下實時時鐘中斷和看門狗模塊仍然在工作，其他的外設被關閉。這種模式消耗的電流比停止模式要大，但是縮短了喚醒CPU所需要的時間。

等待模式：CPU執(zhí)行WAI指令后進入等待模式。在這種模式下，CPU不執(zhí)行指令，內(nèi)部的數(shù)據(jù)總線和地址總線都被關閉，所有的外設都處于激活的狀態(tài)。

2．4 外設低功耗管理

隨鉆測井系統(tǒng)傳感器主要包括CPU及外圍電路、電源、UART通信、RTC、電壓電流及溫度傳感器、Flash存儲、總線通信部分和總線接口部分。其中耗電較多的是Flash模塊、電壓、電流及溫度測量模塊、RTC及通信電路。有些模塊在一些時期是不需要工作的，因此可以動態(tài)電源管理，達到節(jié)約功耗的目的。

應用增強型P溝道MOS開關管VP0300L進行以上模塊的供電控制，在無需供電的情況下切斷模塊的供電，達到節(jié)能的效果。在關閉每個模塊的供電前先關閉該模塊與MCU相應的通信總線，避免損壞接口。

Flash模塊：在不讀寫存儲器時可以關閉存儲器的電源節(jié)約功耗。在讀寫的時候同時由MCU相應I／O口送出高電平，閉合開關。讀寫完成后可以斷開開關。Flash約1分鐘讀寫1次。SW_FL連接到Q128的I／O，當SW_FL置高時，SW_FL端電壓不小于VCC，開關管斷開，停止供電。當SW_FL置低時，SW_FL端電壓小于VCC，開關管導通。

溫度、電壓、電流、電量監(jiān)測模塊：3個檢測模塊每1分鐘采集1次。3個模塊應用1個開關，在檢測時閉合開關，給3個傳感器供電，使其工作。采集結束，斷開開關，降低功耗。

時間管理模塊與1553通信模塊：當總線無信號時，MCU斷開2個模塊的電源，降低功耗。當總線有信號時，MCU先被喚醒，然后通過MOS開關閉合開關，給2個模塊供電。2個模塊共用1個開關。

2．5 系統(tǒng)低功耗控制流程

系統(tǒng)低功耗控制流程如圖2所示。

結 語

MC9S12Q128以其卓越的性能和極低功耗的特點，使開發(fā)人員有很大的余地來設計出高性能的低功耗系統(tǒng)。實踐證明，使用MC9S12Q128為核心構成的隨鉆測井系統(tǒng)，其電池的使用壽命已經(jīng)與進口系統(tǒng)相差不大。

進口隨鉆測井設備一般在井下工作時間為300小時。經(jīng)現(xiàn)場測試，自主研發(fā)的基于MC9S12Q128的隨鉆測井設備可以在井下持續(xù)工作200多小時，完全可以滿足各種水平井對傳感器的功耗要求?？梢灶A見，在不久的將來國產(chǎn)隨鉆系統(tǒng)的功耗將越來越低，達到國際水平。

責任編輯：gt