可見光成像測(cè)井作為現(xiàn)代測(cè)井技術(shù)的前沿技術(shù)之一，以其圖像直觀、清晰、實(shí)時(shí)性好、容易理解等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于井下管道結(jié)構(gòu)及井內(nèi)總體狀況等的監(jiān)測(cè)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(cè)繪出實(shí)時(shí)圖像，經(jīng)相應(yīng)數(shù)字化處理后，通過電纜遠(yuǎn)距離傳送給上位機(jī)，以直觀反映井下油管的技術(shù)狀況。由于采集的井下圖像數(shù)據(jù)量一般較大，原有的DTB總線傳輸速率有限，而目前國(guó)內(nèi)測(cè)井領(lǐng)域廣泛應(yīng)用EILog-06測(cè)井系統(tǒng)，引入了具有高抗干擾能力以及高擴(kuò)展能力的CAN總線作為通信網(wǎng)絡(luò)，理論上也允許掛載無限多個(gè)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(hào)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)，掛載于EILog-06測(cè)井系統(tǒng)的遙傳短節(jié)，以實(shí)現(xiàn)井下圖像數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離傳輸。

1 井下視頻采集系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
    由于井下環(huán)境相對(duì)復(fù)雜，高溫、高壓等參數(shù)限制對(duì)井下系統(tǒng)儀器的可靠性要求提高，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需采用低功耗、溫度性能好的芯片，儀器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)也應(yīng)考慮井下照明和保溫措施。本設(shè)計(jì)的井下視頻信號(hào)采集系統(tǒng)作為井下視頻測(cè)井儀的重要組成部分，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。    系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)對(duì)井下圖像信號(hào)進(jìn)行采集和處理，并通過CAN總線完成井下儀器數(shù)據(jù)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(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)過內(nèi)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(jīng)過MAX232電平轉(zhuǎn)換后與主控芯片的SPORT串口進(jìn)行互連，實(shí)現(xiàn)異步串行的通信。主控芯片接收到JPEG圖像，數(shù)據(jù)處理后按照一定的幀格式存入相應(yīng)位置，當(dāng)收到遙傳的數(shù)據(jù)請(qǐng)求幀時(shí)，便經(jīng)由CAN接口單元按協(xié)議將數(shù)據(jù)幀發(fā)送至遙傳短節(jié)。遙傳短節(jié)主要由井下調(diào)制解調(diào)DSP板、模擬板、井下電纜驅(qū)動(dòng)板和方式變壓器等組成，主要功能：向下是將上位機(jī)命令解調(diào)處理后通過CAN總線發(fā)送至井下儀器，完成數(shù)據(jù)采集；向上是將采集的數(shù)據(jù)調(diào)制組幀，轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)后進(jìn)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(fù)用(OFDM)技術(shù)，使得井下圖像數(shù)據(jù)進(jìn)一步壓縮，更利于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離遙傳通信[1]。
1.1 主控芯片
    通過分析系統(tǒng)對(duì)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(yīng)用，對(duì)于較大數(shù)據(jù)量的井下圖像信息，本系統(tǒng)采用內(nèi)嵌CAN控制器的ADSP-21992高速芯片作為數(shù)據(jù)核心處理單元。高性能的DSP內(nèi)核和嵌入式混合信號(hào)外圍的集成，以及與諸如CAN和SPI通信接口的結(jié)合，使得ADSP-21992芯片數(shù)據(jù)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(gè)完全可配置的郵箱，支持標(biāo)準(zhǔn)和擴(kuò)展地址，工作溫度在-40 ℃~+125 ℃之間。主控芯片同時(shí)擁有一個(gè)獨(dú)立的、同步的串行口SPORT(Serial Port)，獨(dú)立的發(fā)送和接收引腳內(nèi)各自都有數(shù)據(jù)緩沖寄存器和移位寄存器，字長(zhǎng)可選擇3~16 bit。串口時(shí)鐘和幀同步可以由處理器內(nèi)核產(chǎn)生，也可從外部接收，在CCLK（內(nèi)核時(shí)鐘）:HCLK（外設(shè)時(shí)鐘）=1：1條件下，最高串行時(shí)鐘速率可達(dá)到HCLK/2。通過SPORT口對(duì)攝像頭模塊進(jìn)行合理參數(shù)設(shè)置和端口配置等，可實(shí)現(xiàn)對(duì)井下圖像數(shù)據(jù)的采集與控制。
1.2 串口攝像頭模塊
    串口攝像頭對(duì)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(yīng)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(chǎng)圖像的采集處理變得更易實(shí)現(xiàn)。
    攝像頭采集部分主要由高溫?cái)z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(hào)和圖像處理模塊，是一個(gè)內(nèi)含拍圖控制、視頻捕捉、圖像數(shù)據(jù)采集、JPEG圖像壓縮、串口通信等功能的工業(yè)級(jí)圖像采集設(shè)備。同時(shí)帶有可選擇的紅外照明功能，能夠輸出完整的JPEG格式，并結(jié)合最合適的網(wǎng)絡(luò)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(shí)現(xiàn)數(shù)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(jìn)水前需冷卻、溫差較大時(shí)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(chǎng)的重疊區(qū)域，消除照明中的燈絲成像，進(jìn)而降低背向散射光對(duì)成像光束的干擾，提高圖像分辨率。同時(shí)在攝像頭和燈罩下使用專利產(chǎn)品化學(xué)活性劑，使原油不沾附，以適應(yīng)測(cè)井環(huán)境[3]。
    串口攝像頭模塊的通信連接是由4根線進(jìn)行輸入/輸出，分別為電源、地、數(shù)據(jù)發(fā)送和接收。串口攝像頭不能單獨(dú)使用，需通過微處理器對(duì)其進(jìn)行控制操作，系統(tǒng)設(shè)計(jì)中將ADSP-21992的SPORT設(shè)置為可編程I/O，利用DT、DR作為發(fā)送和接收，與電平轉(zhuǎn)化后的攝像頭互連，實(shí)現(xiàn)異步串行通信協(xié)議。
    對(duì)于圖像采集數(shù)據(jù)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(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，才能發(fā)揮芯片的高性能。這里把SPORT串口配置成時(shí)鐘信號(hào)由處理器內(nèi)核產(chǎn)生，這樣就可在多個(gè)可變的波特率下進(jìn)行數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)收發(fā)，并且無論數(shù)據(jù)字有無幀同步信號(hào)，每個(gè)發(fā)送和接收端口都能運(yùn)行。在系統(tǒng)內(nèi)核對(duì)DMA初始設(shè)置并啟動(dòng)后，數(shù)據(jù)可自動(dòng)地在SPORT串口和片內(nèi)存儲(chǔ)器間進(jìn)行傳送，在有效地解決較大數(shù)據(jù)傳輸量這一問題的同時(shí)，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(shù)據(jù)處理能力。DMA數(shù)據(jù)傳送可選擇基于自動(dòng)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(cè)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(diǎn)的抗干擾能力，使得數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確可靠；CAN驅(qū)動(dòng)器芯片SN65HVD230連接于控制器局域網(wǎng)協(xié)議控制器與CAN總線的物理線路之間，應(yīng)用在控制器局域網(wǎng)串口通信物理層，符合ISO11898標(biāo)準(zhǔn)，能夠在所連兩者之間提供數(shù)據(jù)高速發(fā)收功能。

2 井下視頻采集系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    在EIlog-06測(cè)井系統(tǒng)中，CAN通信總是由井上遙傳發(fā)起，井下儀器被動(dòng)響應(yīng)。本系統(tǒng)作為一個(gè)通信節(jié)點(diǎn)，串口時(shí)鐘和幀同步由主控芯片內(nèi)核產(chǎn)生，并通過寫寄存器來控制波特率、幀同步和字長(zhǎng)。如圖3中主程序流程圖所示，當(dāng)接收到井上遙傳發(fā)往本節(jié)點(diǎn)的CAN通信幀時(shí)，首先判斷CAN通信幀是數(shù)據(jù)幀還是遠(yuǎn)程幀，如果是遠(yuǎn)程幀則作為數(shù)據(jù)請(qǐng)求命令，系統(tǒng)接收后傳輸準(zhǔn)備好的數(shù)據(jù)；如果是數(shù)據(jù)幀，則響應(yīng)數(shù)據(jù)指令操作。

2.1 攝像頭串行通信軟件設(shè)計(jì)
    主控芯片接收到設(shè)置攝像頭控制寄存器的命令后，進(jìn)入攝像頭控制子程序，接收控制信息，對(duì)攝像頭的采集方式、波特率、包大小、紅外燈開啟等進(jìn)行設(shè)置，然后調(diào)用串口運(yùn)行子程序，對(duì)串口進(jìn)行工作模式設(shè)置，開始進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)的收發(fā)，最后檢查數(shù)據(jù)收發(fā)是否結(jié)束，結(jié)束時(shí)子程序返回。
    測(cè)試串口攝像頭協(xié)議中，一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)由1個(gè)起始位、8 bit數(shù)據(jù)位和1個(gè)停止位組成。起始位始終為0，數(shù)據(jù)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(nèi)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(huì)向主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度信息。對(duì)于主機(jī)發(fā)送給攝像頭的其他命令，攝像頭會(huì)在60 ms內(nèi)響應(yīng)并發(fā)送相關(guān)信息。如果較長(zhǎng)一段時(shí)間不需要圖像處理部分工作，則應(yīng)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(shè)計(jì)
    CAN通信采用“多主對(duì)等”方式，對(duì)CAN控制器的初始化主要是對(duì)配置寄存器和郵箱的設(shè)置。可通過對(duì)位配置寄存器CANBCR進(jìn)行設(shè)置完成通信波特率、同步跳轉(zhuǎn)寬度SJW、采樣次數(shù)及重同步方式的設(shè)置，同時(shí)配置好節(jié)點(diǎn)模塊中的接收碼和屏蔽碼，再按照發(fā)送數(shù)據(jù)幀格式來配置郵箱ID和信息控制寄存器。只有當(dāng)主控制寄存器CANMC中配置請(qǐng)求位CCR=1且全局狀態(tài)寄存器CANGSR中配置模式確認(rèn)位CCA=1時(shí)才能進(jìn)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(guān)的數(shù)據(jù)都可存儲(chǔ)在郵箱中，對(duì)郵箱的初始化主要是對(duì)郵箱收發(fā)的報(bào)文標(biāo)識(shí)符進(jìn)行設(shè)置，如發(fā)送的是遠(yuǎn)程幀還是數(shù)據(jù)幀等。初始化正確完成后，就可收發(fā)數(shù)據(jù)了。該芯片擁有16個(gè)可以完全配置的郵箱，為使較大數(shù)據(jù)量的圖像信息能夠連續(xù)傳輸，可在內(nèi)存設(shè)置2個(gè)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)（讀和寫2個(gè)數(shù)據(jù)區(qū)），分別用來存放需要發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)。
3 測(cè)試驗(yàn)證
    本文選用30萬(wàn)像素的測(cè)試串口攝像頭。串口攝像頭接收相應(yīng)的拍照指令之后，立即響應(yīng)進(jìn)行拍照，并把數(shù)據(jù)暫存在內(nèi)存當(dāng)中。通過串口將調(diào)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(shè)置
    aa2f0306040a        AA 2F 03 0E 06 14
//設(shè)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(shù)據(jù)大小為0x7870=30 832 B
    aa2f042e00002e//取包號(hào)為00的圖像數(shù)據(jù)
    aa2f042e01002e//取包號(hào)為01的圖像數(shù)據(jù)
    …
    aa2f042e1e002e//取包號(hào)為1e的圖像數(shù)據(jù)
//當(dāng)前幀圖像數(shù)據(jù)取完
    如圖5所示，采集到的井下管道內(nèi)壁圖像清晰可見，可用于進(jìn)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(duì)應(yīng)3種壓縮質(zhì)量，用不同的采集方式采集相同的靜止圖像，數(shù)據(jù)大小的對(duì)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(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。
    詳細(xì)闡述了基于CAN總線的井下視頻信號(hào)采集系統(tǒng)，以ADSP-21992芯片為核心對(duì)井下圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。因其采用CAN總線搭載EILog-06測(cè)井平臺(tái)的遙傳短節(jié)，數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)靈活性得到提高，同時(shí)CAN總線的糾錯(cuò)能力使得系統(tǒng)可靠性得到保證，加上芯片內(nèi)嵌CAN控制器，外圍電路得以簡(jiǎn)化。基于CAN總線的井下視頻信號(hào)采集系統(tǒng)適合應(yīng)用于深井復(fù)雜惡劣環(huán)境下的測(cè)井系統(tǒng)中。
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