可見光成像測井作為現(xiàn)代測井技術的前沿技術之一，以其圖像直觀、清晰、實時性好、容易理解等優(yōu)點而被廣泛應用于井下管道結構及井內總體狀況等的監(jiān)測管理中，以利于石油開采。其具體工作原理是利用攝像頭模塊在井下測繪出實時圖像，經相應數字化處理后，通過電纜遠距離傳送給上位機，以直觀反映井下油管的技術狀況。由于采集的井下圖像數據量一般較大，原有的DTB總線傳輸速率有限，而目前國內測井領域廣泛應用EILog-06測井系統(tǒng)，引入了具有高抗干擾能力以及高擴展能力的CAN總線作為通信網絡，理論上也允許掛載無限多個帶有CAN接口的儀器。所以本文研究了基于CAN總線的井下視頻信號采集系統(tǒng)設計，掛載于EILog-06測井系統(tǒng)的遙傳短節(jié)，以實現(xiàn)井下圖像數據的遠距離傳輸。

1 井下視頻采集系統(tǒng)硬件設計
    由于井下環(huán)境相對復雜，高溫、高壓等參數限制對井下系統(tǒng)儀器的可靠性要求提高，系統(tǒng)設計時需采用低功耗、溫度性能好的芯片，儀器結構設計時也應考慮井下照明和保溫措施。本設計的井下視頻信號采集系統(tǒng)作為井下視頻測井儀的重要組成部分，其結構框圖如圖1所示。    系統(tǒng)主要負責對井下圖像信號進行采集和處理，并通過CAN總線完成井下儀器數據采集上傳和地面命令的接收等。

    系統(tǒng)工作原理：攝像頭模塊通過冷光源的照明，將采集的圖像光信號轉換為電信號，經過內部集成電路的處理，以JPEG圖像格式通過RS232串口通信協(xié)議輸出，經過MAX232電平轉換后與主控芯片的SPORT串口進行互連，實現(xiàn)異步串行的通信。主控芯片接收到JPEG圖像，數據處理后按照一定的幀格式存入相應位置，當收到遙傳的數據請求幀時，便經由CAN接口單元按協(xié)議將數據幀發(fā)送至遙傳短節(jié)。遙傳短節(jié)主要由井下調制解調DSP板、模擬板、井下電纜驅動板和方式變壓器等組成，主要功能：向下是將上位機命令解調處理后通過CAN總線發(fā)送至井下儀器，完成數據采集；向上是將采集的數據調制組幀，轉換為模擬信號后進行功率放大，通過方式變壓器送上電纜，傳輸至井上。遙傳短節(jié)采用編碼正交頻分復用(OFDM)技術，使得井下圖像數據進一步壓縮，更利于實現(xiàn)數據的遠距離遙傳通信[1]。
1.1 主控芯片
    通過分析系統(tǒng)對各種資源的需求，借鑒基于DSP圖像處理系統(tǒng)在其他方面的應用，對于較大數據量的井下圖像信息，本系統(tǒng)采用內嵌CAN控制器的ADSP-21992高速芯片作為數據核心處理單元。高性能的DSP內核和嵌入式混合信號外圍的集成，以及與諸如CAN和SPI通信接口的結合，使得ADSP-21992芯片數據處理能力表現(xiàn)優(yōu)越[2]，其最高工作頻率為160 MHz，具有16個完全可配置的郵箱，支持標準和擴展地址，工作溫度在-40 ℃~+125 ℃之間。主控芯片同時擁有一個獨立的、同步的串行口SPORT(Serial Port)，獨立的發(fā)送和接收引腳內各自都有數據緩沖寄存器和移位寄存器，字長可選擇3~16 bit。串口時鐘和幀同步可以由處理器內核產生，也可從外部接收，在CCLK（內核時鐘）:HCLK（外設時鐘）=1：1條件下，最高串行時鐘速率可達到HCLK/2。通過SPORT口對攝像頭模塊進行合理參數設置和端口配置等，可實現(xiàn)對井下圖像數據的采集與控制。
1.2 串口攝像頭模塊
    串口攝像頭對工業(yè)控制系統(tǒng)中原有硬件以及軟件資源的依賴性很少，應用在油氣田開發(fā)開采中，可以滿足低功耗要求下的圖像抓拍，使得現(xiàn)場圖像的采集處理變得更易實現(xiàn)。
    攝像頭采集部分主要由高溫攝像頭和光源組成。攝像頭選擇高集成度的CMOS型攝像頭，本身集成了各種信號和圖像處理模塊，是一個內含拍圖控制、視頻捕捉、圖像數據采集、JPEG圖像壓縮、串口通信等功能的工業(yè)級圖像采集設備。同時帶有可選擇的紅外照明功能，能夠輸出完整的JPEG格式，并結合最合適的網絡協(xié)議將圖像通過RS232/485/TTL串口輸出，且可選擇30 W/130 W/200 W/500 W等多種像素實現(xiàn)數字圖像采集處理系統(tǒng)的邏輯控制，圖像具有640×480、320×240、160×120多種分辨率。因井下采光困難、熱光源耗電量較大、進水前需冷卻、溫差較大時易起霧等原因，這里采用低耗的發(fā)光二極管組作為新光源，采用前端照明的方式，使照明均勻，以減小照明光束與攝像頭視場的重疊區(qū)域，消除照明中的燈絲成像，進而降低背向散射光對成像光束的干擾，提高圖像分辨率。同時在攝像頭和燈罩下使用專利產品化學活性劑，使原油不沾附，以適應測井環(huán)境[3]。
    串口攝像頭模塊的通信連接是由4根線進行輸入/輸出，分別為電源、地、數據發(fā)送和接收。串口攝像頭不能單獨使用，需通過微處理器對其進行控制操作，系統(tǒng)設計中將ADSP-21992的SPORT設置為可編程I/O，利用DT、DR作為發(fā)送和接收，與電平轉化后的攝像頭互連，實現(xiàn)異步串行通信協(xié)議。
    對于圖像采集數據量較大的情況，需在主控芯片I/O處理器控制下，使用DMA（Direct Memory Access）進行數據傳輸，才能發(fā)揮芯片的高性能。這里把SPORT串口配置成時鐘信號由處理器內核產生，這樣就可在多個可變的波特率下進行數據動態(tài)收發(fā)，并且無論數據字有無幀同步信號，每個發(fā)送和接收端口都能運行。在系統(tǒng)內核對DMA初始設置并啟動后，數據可自動地在SPORT串口和片內存儲器間進行傳送，在有效地解決較大數據傳輸量這一問題的同時，又能讓DSP處理器專門從事算法處理工作，極大地提高了系統(tǒng)的數據處理能力。DMA數據傳送可選擇基于自動緩沖的DMA模式或基于描述符的DMA模式。
1.3 CAN接口單元部分
    如圖2所示，CAN接口單元作為連接測井儀器和EILog-06遙傳短節(jié)的橋梁，主要由三部分組成。TI公司的電氣隔離芯片ISO7221可提高CAN總線節(jié)點的抗干擾能力，使得數據傳輸準確可靠；CAN驅動器芯片SN65HVD230連接于控制器局域網協(xié)議控制器與CAN總線的物理線路之間，應用在控制器局域網串口通信物理層，符合ISO11898標準，能夠在所連兩者之間提供數據高速發(fā)收功能。

2 井下視頻采集系統(tǒng)軟件設計
    在EIlog-06測井系統(tǒng)中，CAN通信總是由井上遙傳發(fā)起，井下儀器被動響應。本系統(tǒng)作為一個通信節(jié)點，串口時鐘和幀同步由主控芯片內核產生，并通過寫寄存器來控制波特率、幀同步和字長。如圖3中主程序流程圖所示，當接收到井上遙傳發(fā)往本節(jié)點的CAN通信幀時，首先判斷CAN通信幀是數據幀還是遠程幀，如果是遠程幀則作為數據請求命令，系統(tǒng)接收后傳輸準備好的數據；如果是數據幀，則響應數據指令操作。

2.1 攝像頭串行通信軟件設計
    主控芯片接收到設置攝像頭控制寄存器的命令后，進入攝像頭控制子程序，接收控制信息，對攝像頭的采集方式、波特率、包大小、紅外燈開啟等進行設置，然后調用串口運行子程序，對串口進行工作模式設置，開始進行圖像數據的收發(fā)，最后檢查數據收發(fā)是否結束，結束時子程序返回。
    測試串口攝像頭協(xié)議中，一個字節(jié)數據由1個起始位、8 bit數據位和1個停止位組成。起始位始終為0，數據位低位先發(fā)，停止位始終為1，最后發(fā)送。為了穩(wěn)定可靠地工作，在攝像頭接收到拍攝命令后，7 s內主控芯片不再給攝像頭模塊發(fā)送任何信息。拍攝完成后，攝像頭會向主機發(fā)送數據包長度信息。對于主機發(fā)送給攝像頭的其他命令，攝像頭會在60 ms內響應并發(fā)送相關信息。如果較長一段時間不需要圖像處理部分工作，則應該向攝像頭發(fā)出休眠命令以節(jié)省電能。
2.2 CAN通信軟件設計
    CAN通信采用“多主對等”方式，對CAN控制器的初始化主要是對配置寄存器和郵箱的設置?？赏ㄟ^對位配置寄存器CANBCR進行設置完成通信波特率、同步跳轉寬度SJW、采樣次數及重同步方式的設置，同時配置好節(jié)點模塊中的接收碼和屏蔽碼，再按照發(fā)送數據幀格式來配置郵箱ID和信息控制寄存器。只有當主控制寄存器CANMC中配置請求位CCR=1且全局狀態(tài)寄存器CANGSR中配置模式確認位CCA=1時才能進入配置模式[4]。具體初始化流程圖如圖4所示。

2.2.2 郵箱初始化
    所有與CAN相關的數據都可存儲在郵箱中，對郵箱的初始化主要是對郵箱收發(fā)的報文標識符進行設置，如發(fā)送的是遠程幀還是數據幀等。初始化正確完成后，就可收發(fā)數據了。該芯片擁有16個可以完全配置的郵箱，為使較大數據量的圖像信息能夠連續(xù)傳輸，可在內存設置2個數據緩沖區(qū)（讀和寫2個數據區(qū)），分別用來存放需要發(fā)送和接收的數據。
3 測試驗證
    本文選用30萬像素的測試串口攝像頭。串口攝像頭接收相應的拍照指令之后，立即響應進行拍照，并把數據暫存在內存當中。通過串口將調試器模擬處理器端與攝像頭采集模塊建立通信連接的一種過程示例如下：
    微處理器端    串口攝像頭模塊
    aa00020d0d    AA 2F 03 0E 0D 1B AA 2F 02 0D 0D
    aa2f030e0d1b//握手連接命令
    aa2f040901000a    AA 2F 03 0E 09 17//喚醒攝像頭
    aa2f06010407000713   AA 2F 03 0E 01 0F//初始化設置
    aa2f0306040a        AA 2F 03 0E 06 14
//設置包大小為1 024 B
    aa2f03040509        AA 2F 03 0E 04 12 AA 2F 06 0A
05 70 78 00 F7    //取圖像
//該幀圖像數據大小為0x7870=30 832 B
    aa2f042e00002e//取包號為00的圖像數據
    aa2f042e01002e//取包號為01的圖像數據
    …
    aa2f042e1e002e//取包號為1e的圖像數據
//當前幀圖像數據取完
    如圖5所示，采集到的井下管道內壁圖像清晰可見，可用于進行分析處理。

    串口攝像頭具有靈活的采集方式，每種圖像分辨率對應3種壓縮質量，用不同的采集方式采集相同的靜止圖像，數據大小的對比如表1所列。由表1可知在圖像的分辨率和傳輸效率之間能夠達到動態(tài)平衡。
    詳細闡述了基于CAN總線的井下視頻信號采集系統(tǒng)，以ADSP-21992芯片為核心對井下圖像數據進行處理。因其采用CAN總線搭載EILog-06測井平臺的遙傳短節(jié)，數據采集節(jié)點靈活性得到提高，同時CAN總線的糾錯能力使得系統(tǒng)可靠性得到保證，加上芯片內嵌CAN控制器，外圍電路得以簡化?；贑AN總線的井下視頻信號采集系統(tǒng)適合應用于深井復雜惡劣環(huán)境下的測井系統(tǒng)中。
參考文獻
[1] 張家田，陳寶，嚴正國.測井電子信息技術[M].北京：石油工業(yè)出版社，2010.
[2] 王曉明，莊喜潤，孫偉濤，等.高性能工業(yè)控制DSP——ADSP-2199x原理及應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，2005.
[3] 魏常偉，袁縱橫，張文濤，等.基于FPGA的新型高速CCD圖像數據采集系統(tǒng)[J].電子技術應用，2010，35(4)：77-80.
[4] Analog Device Inc.CAN configuration procedure for adsp21992 dsps[Z].2004.
[5] 紀文志，陳國忠，唐加山.基于CAN總線智能節(jié)點的設計與實現(xiàn)[J].微型機與應用，2012，31(3)：44-46.