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(guò)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(wú)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(guò)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(guò)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(guò)內(nèi)部集成電路的處理，以JPEG圖像格式通過(guò)RS232串口通信協(xié)議輸出，經(jīng)過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(wú)論數(shù)據(jù)字有無(wú)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(wèn)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(guò)寫寄存器來(lái)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(guò)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(lái)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(lái)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(guò)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(guò)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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