可见光成像测井作为现代测井技术的前沿技术之一，以其图像直观、清晰、实时性好、容易理解等优点而被广泛应用于井下管道结构及井内总体状况等的监测管理中，以利于石油开采。其具体工作原理是利用摄像头模块在井下测绘出实时图像，经相应数字化处理后，通过电缆远距离传送给上位机，以直观反映井下油管的技术状况。由于采集的井下图像数据量一般较大，原有的DTB总线传输速率有限，而目前国内测井领域广泛应用EILog-06测井系统，引入了具有高抗干扰能力以及高扩展能力的CAN总线作为通信网络，理论上也允许挂载无限多个带有CAN接口的仪器。所以本文研究了基于CAN总线的井下视频信号采集系统设计，挂载于EILog-06测井系统的遥传短节，以实现井下图像数据的远距离传输。

1 井下视频采集系统硬件设计
    由于井下环境相对复杂，高温、高压等参数限制对井下系统仪器的可靠性要求提高，系统设计时需采用低功耗、温度性能好的芯片，仪器结构设计时也应考虑井下照明和保温措施。本设计的井下视频信号采集系统作为井下视频测井仪的重要组成部分，其结构框图如图1所示。    系统主要负责对井下图像信号进行采集和处理，并通过CAN总线完成井下仪器数据采集上传和地面命令的接收等。

    系统工作原理：摄像头模块通过冷光源的照明，将采集的图像光信号转换为电信号，经过内部集成电路的处理，以JPEG图像格式通过RS232串口通信协议输出，经过MAX232电平转换后与主控芯片的SPORT串口进行互连，实现异步串行的通信。主控芯片接收到JPEG图像，数据处理后按照一定的帧格式存入相应位置，当收到遥传的数据请求帧时，便经由CAN接口单元按协议将数据帧发送至遥传短节。遥传短节主要由井下调制解调DSP板、模拟板、井下电缆驱动板和方式变压器等组成，主要功能：向下是将上位机命令解调处理后通过CAN总线发送至井下仪器，完成数据采集；向上是将采集的数据调制组帧，转换为模拟信号后进行功率放大，通过方式变压器送上电缆，传输至井上。遥传短节采用编码正交频分复用(OFDM)技术，使得井下图像数据进一步压缩，更利于实现数据的远距离遥传通信[1]。
1.1 主控芯片
    通过分析系统对各种资源的需求，借鉴基于DSP图像处理系统在其他方面的应用，对于较大数据量的井下图像信息，本系统采用内嵌CAN控制器的ADSP-21992高速芯片作为数据核心处理单元。高性能的DSP内核和嵌入式混合信号外围的集成，以及与诸如CAN和SPI通信接口的结合，使得ADSP-21992芯片数据处理能力表现优越[2]，其最高工作频率为160 MHz，具有16个完全可配置的邮箱，支持标准和扩展地址，工作温度在-40 ℃~+125 ℃之间。主控芯片同时拥有一个独立的、同步的串行口SPORT(Serial Port)，独立的发送和接收引脚内各自都有数据缓冲寄存器和移位寄存器，字长可选择3~16 bit。串口时钟和帧同步可以由处理器内核产生，也可从外部接收，在CCLK（内核时钟）:HCLK（外设时钟）=1：1条件下，最高串行时钟速率可达到HCLK/2。通过SPORT口对摄像头模块进行合理参数设置和端口配置等，可实现对井下图像数据的采集与控制。
1.2 串口摄像头模块
    串口摄像头对工业控制系统中原有硬件以及软件资源的依赖性很少，应用在油气田开发开采中，可以满足低功耗要求下的图像抓拍，使得现场图像的采集处理变得更易实现。
    摄像头采集部分主要由高温摄像头和光源组成。摄像头选择高集成度的CMOS型摄像头，本身集成了各种信号和图像处理模块，是一个内含拍图控制、视频捕捉、图像数据采集、JPEG图像压缩、串口通信等功能的工业级图像采集设备。同时带有可选择的红外照明功能，能够输出完整的JPEG格式，并结合最合适的网络协议将图像通过RS232/485/TTL串口输出，且可选择30 W/130 W/200 W/500 W等多种像素实现数字图像采集处理系统的逻辑控制，图像具有640×480、320×240、160×120多种分辨率。因井下采光困难、热光源耗电量较大、进水前需冷却、温差较大时易起雾等原因，这里采用低耗的发光二极管组作为新光源，采用前端照明的方式，使照明均匀，以减小照明光束与摄像头视场的重叠区域，消除照明中的灯丝成像，进而降低背向散射光对成像光束的干扰，提高图像分辨率。同时在摄像头和灯罩下使用专利产品化学活性剂，使原油不沾附，以适应测井环境[3]。
    串口摄像头模块的通信连接是由4根线进行输入/输出，分别为电源、地、数据发送和接收。串口摄像头不能单独使用，需通过微处理器对其进行控制操作，系统设计中将ADSP-21992的SPORT设置为可编程I/O，利用DT、DR作为发送和接收，与电平转化后的摄像头互连，实现异步串行通信协议。
    对于图像采集数据量较大的情况，需在主控芯片I/O处理器控制下，使用DMA（Direct Memory Access）进行数据传输，才能发挥芯片的高性能。这里把SPORT串口配置成时钟信号由处理器内核产生，这样就可在多个可变的波特率下进行数据动态收发，并且无论数据字有无帧同步信号，每个发送和接收端口都能运行。在系统内核对DMA初始设置并启动后，数据可自动地在SPORT串口和片内存储器间进行传送，在有效地解决较大数据传输量这一问题的同时，又能让DSP处理器专门从事算法处理工作，极大地提高了系统的数据处理能力。DMA数据传送可选择基于自动缓冲的DMA模式或基于描述符的DMA模式。
1.3 CAN接口单元部分
    如图2所示，CAN接口单元作为连接测井仪器和EILog-06遥传短节的桥梁，主要由三部分组成。TI公司的电气隔离芯片ISO7221可提高CAN总线节点的抗干扰能力，使得数据传输准确可靠；CAN驱动器芯片SN65HVD230连接于控制器局域网协议控制器与CAN总线的物理线路之间，应用在控制器局域网串口通信物理层，符合ISO11898标准，能够在所连两者之间提供数据高速发收功能。

2 井下视频采集系统软件设计
    在EIlog-06测井系统中，CAN通信总是由井上遥传发起，井下仪器被动响应。本系统作为一个通信节点，串口时钟和帧同步由主控芯片内核产生，并通过写寄存器来控制波特率、帧同步和字长。如图3中主程序流程图所示，当接收到井上遥传发往本节点的CAN通信帧时，首先判断CAN通信帧是数据帧还是远程帧，如果是远程帧则作为数据请求命令，系统接收后传输准备好的数据；如果是数据帧，则响应数据指令操作。

2.1 摄像头串行通信软件设计
    主控芯片接收到设置摄像头控制寄存器的命令后，进入摄像头控制子程序，接收控制信息，对摄像头的采集方式、波特率、包大小、红外灯开启等进行设置，然后调用串口运行子程序，对串口进行工作模式设置，开始进行图像数据的收发，最后检查数据收发是否结束，结束时子程序返回。
    测试串口摄像头协议中，一个字节数据由1个起始位、8 bit数据位和1个停止位组成。起始位始终为0，数据位低位先发，停止位始终为1，最后发送。为了稳定可靠地工作，在摄像头接收到拍摄命令后，7 s内主控芯片不再给摄像头模块发送任何信息。拍摄完成后，摄像头会向主机发送数据包长度信息。对于主机发送给摄像头的其他命令，摄像头会在60 ms内响应并发送相关信息。如果较长一段时间不需要图像处理部分工作，则应该向摄像头发出休眠命令以节省电能。
2.2 CAN通信软件设计
    CAN通信采用“多主对等”方式，对CAN控制器的初始化主要是对配置寄存器和邮箱的设置。可通过对位配置寄存器CANBCR进行设置完成通信波特率、同步跳转宽度SJW、采样次数及重同步方式的设置，同时配置好节点模块中的接收码和屏蔽码，再按照发送数据帧格式来配置邮箱ID和信息控制寄存器。只有当主控制寄存器CANMC中配置请求位CCR=1且全局状态寄存器CANGSR中配置模式确认位CCA=1时才能进入配置模式[4]。具体初始化流程图如图4所示。

2.2.2 邮箱初始化
    所有与CAN相关的数据都可存储在邮箱中，对邮箱的初始化主要是对邮箱收发的报文标识符进行设置，如发送的是远程帧还是数据帧等。初始化正确完成后，就可收发数据了。该芯片拥有16个可以完全配置的邮箱，为使较大数据量的图像信息能够连续传输，可在内存设置2个数据缓冲区（读和写2个数据区），分别用来存放需要发送和接收的数据。
3 测试验证
    本文选用30万像素的测试串口摄像头。串口摄像头接收相应的拍照指令之后，立即响应进行拍照，并把数据暂存在内存当中。通过串口将调试器模拟处理器端与摄像头采集模块建立通信连接的一种过程示例如下：
    微处理器端    串口摄像头模块
    aa00020d0d    AA 2F 03 0E 0D 1B AA 2F 02 0D 0D
    aa2f030e0d1b//握手连接命令
    aa2f040901000a    AA 2F 03 0E 09 17//唤醒摄像头
    aa2f06010407000713   AA 2F 03 0E 01 0F//初始化设置
    aa2f0306040a        AA 2F 03 0E 06 14
//设置包大小为1 024 B
    aa2f03040509        AA 2F 03 0E 04 12 AA 2F 06 0A
05 70 78 00 F7    //取图像
//该帧图像数据大小为0x7870=30 832 B
    aa2f042e00002e//取包号为00的图像数据
    aa2f042e01002e//取包号为01的图像数据
    …
    aa2f042e1e002e//取包号为1e的图像数据
//当前帧图像数据取完
    如图5所示，采集到的井下管道内壁图像清晰可见，可用于进行分析处理。

    串口摄像头具有灵活的采集方式，每种图像分辨率对应3种压缩质量，用不同的采集方式采集相同的静止图像，数据大小的对比如表1所列。由表1可知在图像的分辨率和传输效率之间能够达到动态平衡。
    详细阐述了基于CAN总线的井下视频信号采集系统，以ADSP-21992芯片为核心对井下图像数据进行处理。因其采用CAN总线搭载EILog-06测井平台的遥传短节，数据采集节点灵活性得到提高，同时CAN总线的纠错能力使得系统可靠性得到保证，加上芯片内嵌CAN控制器，外围电路得以简化。基于CAN总线的井下视频信号采集系统适合应用于深井复杂恶劣环境下的测井系统中。
参考文献
[1] 张家田，陈宝，严正国.测井电子信息技术[M].北京：石油工业出版社，2010.
[2] 王晓明，庄喜润，孙伟涛，等.高性能工业控制DSP——ADSP-2199x原理及应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2005.
[3] 魏常伟，袁纵横，张文涛，等.基于FPGA的新型高速CCD图像数据采集系统[J].电子技术应用，2010，35(4)：77-80.
[4] Analog Device Inc.CAN configuration procedure for adsp21992 dsps[Z].2004.
[5] 纪文志，陈国忠，唐加山.基于CAN总线智能节点的设计与实现[J].微型机与应用，2012，31(3)：44-46.