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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，并用數據遙測系統將測量結果實時送到地面進行處理，形成地層評價。由于當前數據傳輸技術的限制，大量的數據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，優化井眼軌跡和地質目標，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系統主要由2部分組成：地面系統和井下系統。如圖1所示。 
地面系統包括：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系統專用地質導向鉆井配套軟件Insite。 井下系統包括：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井下系統有大量傳感器對不同參數進行測量，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。隨鉆測井系統的供電由2組鋰電池(3．6 V)并聯組成，每組6節串聯，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傳感器甚至要連續在井下工作半個月之久。因此降低系統功耗就是隨鉆測井系統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，應該考慮在不影響系統性能前提下，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，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。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，動態功耗管理也是降低功耗的有效途徑。動態功耗管理是當前最重要的系統功耗優化技術之一。它根據系統各模塊性能，動態地配置系統，使系統中各功能模塊處于滿足性能需求所需的最低功耗狀態，從而實現節省功耗的目的。 2 基于MC9S12Q128的低功耗系統設計 MC9S12系列單片機是以CPU12內核為核心的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的功耗。芯片內部用2．5 V供電，低電壓供電保證了芯片的低功耗。芯片內部5 V到2．5 V通過內部電壓調整模塊自行進行轉換。 由于傳感器系統是由電池供電，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。 根據電池的以上特性，提出了根據電池狀態調度任務的策略；對多電池驅動的設備，提出了以下各種電池調度和管理技術： ◆靜態調度。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。 ◆動態調度。通過檢測電池的輸出電壓或放電電流，確定電池的狀態，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時鐘。MC9S12Q128內部總線速率最高可達25 MHz，即40 ns的最小指令周期。MC9S12Q128內部集成了完整的節能振蕩電路。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)。靠鎖相環產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。 經測試，應用鎖相環電路時，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。在保證不影響系統性能的前提下，減少系統功耗。 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執行WAI指令后進入等待模式。在這種模式下，CPU不執行指令，內部的數據總線和地址總線都被關閉，所有的外設都處于激活的狀態。 2．4 外設低功耗管理 隨鉆測井系統傳感器主要包括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，因此可以動態電源管理，達到節約功耗的目的。 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 系統低功耗控制流程 系統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，使開發人員有很大的余地來設計出高性能的低功耗系統。實踐證明，使用MC9S12Q128為核心構成的隨鉆測井系統，其電池的使用壽命已經與進口系統相差不大。 進口隨鉆測井設備一般在井下工作時間為300小時。經現場測試，自主研發的基于MC9S12Q128的隨鉆測井設備可以在井下持續工作200多小時，完全可以滿足各種水平井對傳感器的功耗要求。可以預見，在不久的將來國產隨鉆系統的功耗將越來越低，達到國際水平。 參考文獻 1. Motorola.MC9S12Q128B Device User Guide V02.15,2005. 2. 孫同景.Freescale 9S12十六位單片機原理及嵌入式開發技術[M].北京:機械工業出版社,2008. 3. 邵貝貝.單片機嵌入式應用的在線開發方法[M].北京:清華大學出版社,2004. 作者：北京交通大學 潘光瑋 王升輝 丁曉明 來源：《單片機與嵌入式系統》 2009（9） |
