超聲波測(cè)井的井下數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

摘要：介紹了井下數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理，該系統(tǒng)采用先進(jìn)的CPLD器件ISPLSI1016實(shí)現(xiàn)了其中的接口電路，解決了井下數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)的高精度、低功耗和小尺寸等關(guān)鍵問題。

隨著石油工業(yè)的不斷發(fā)展，測(cè)井技術(shù)越來越顯示出其重要作用。超聲波測(cè)井作為測(cè)井的一種重要方法得到了廣泛的應(yīng)用。由于測(cè)井儀器，特別是井下儀器工作環(huán)境的特殊性，使得對(duì)其研究和開發(fā)也具有特殊的要求。油井下的直徑很小，因此對(duì)井下儀器的尺寸要求十分嚴(yán)格，一般來說印刷電路板的寬度不能超過4.5cm。體積達(dá)不到要求再好的儀器也無法在實(shí)際中應(yīng)用。

本系統(tǒng)采用雙CPU和雙端口RAM，尤其是采用先進(jìn)的PLD器件及1553總線技術(shù)很好地解決了井下高速數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)的可靠性、低功耗和小尺寸等問題。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

本系統(tǒng)采用兩片AT89C52單片機(jī)分別作為主、從CPU；采用AD公司的高速A/D芯片AD7821進(jìn)行井下溫度、壓力和幅值等參數(shù)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集；選用兩片美國(guó)Lattice公司的CPLD芯片isPLS1016實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)采集處理接口電路和數(shù)據(jù)傳輸中的串并行轉(zhuǎn)換接口電路；然后通過雙口RAM（IDT7232）來傳輸數(shù)據(jù)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 系統(tǒng)工作原理與實(shí)現(xiàn)

在圖1中，主CPU及其相關(guān)模塊主要完成超聲波發(fā)生器的控制、工作模式切換和數(shù)據(jù)采集等功能；從CPU主要完成主CPU所采集信號(hào)的上傳和地面命令字的下傳及命令解釋，還包括一些監(jiān)控功能。CPU對(duì)超聲波發(fā)射裝置進(jìn)行控制，采集回波信號(hào)。由于回波信號(hào)的尖峰時(shí)刻非常窄，一般不超過1.0μs，所以對(duì)A/D的采樣時(shí)間要求在ns級(jí)。本系統(tǒng)采用AD公司高速A/D芯片AD7821進(jìn)行采集。數(shù)字信號(hào)部分，在啟動(dòng)超聲波發(fā)生裝置的同時(shí)產(chǎn)生時(shí)延控制信號(hào)，以便對(duì)回波信號(hào)的時(shí)間間隔進(jìn)行計(jì)數(shù)，進(jìn)一步測(cè)出井下的剩余壁厚等距離參數(shù)。所有采集的信號(hào)按一定格式存在雙口RAM（IDT7132）內(nèi)，以備從CPU調(diào)用和上傳。

2.1 數(shù)據(jù)采集的實(shí)現(xiàn)

2.1.1 數(shù)字信號(hào)的采集

系統(tǒng)所需采集的數(shù)字信號(hào)的頻率相差非常大。其中γ信號(hào)的頻率在幾赫茲到百赫茲之間。此信號(hào)直接進(jìn)入單片機(jī)，用單片機(jī)的計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)算后得到頻率。而超聲波回的時(shí)間間隔只有幾微秒，而且是定時(shí)產(chǎn)生，每次只出現(xiàn)一個(gè)。這樣只能測(cè)量其周期。系統(tǒng)直接采用12MHz晶振信號(hào)的四分頻作為測(cè)量周期的計(jì)數(shù)脈沖。除γ信號(hào)外的所有數(shù)字信號(hào)的采集模塊完全集成在一片Lattice公司的isPLSI1016內(nèi)。這樣不僅大大提高了系統(tǒng)的集成度，滿足了系統(tǒng)尺寸的特殊要求，而且增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性和靈活性，方便系統(tǒng)的升級(jí)和調(diào)整。IsPLSI1016的內(nèi)部設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

2.1.2 模擬信號(hào)的采集

對(duì)于回波的尖峰值，每次啟動(dòng)超聲波發(fā)射器后采集一次；而對(duì)溫度、壓力等監(jiān)控信號(hào)，每當(dāng)7.14Hz的信號(hào)對(duì)單片機(jī)中斷后才進(jìn)行采集。7.14Hz的信號(hào)由外部提供。由于對(duì)精度要求不高，這里采用8位的轉(zhuǎn)換精度。

2.2 數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與傳輸

井下的數(shù)據(jù)采集頻率接近2kHz，數(shù)據(jù)量非常大，不可能被完全存儲(chǔ)下來。而且井下所需要的也不是全部數(shù)據(jù)，當(dāng)發(fā)出數(shù)據(jù)上傳命令后的前一個(gè)周期的數(shù)據(jù)為所要求的數(shù)據(jù)。這個(gè)周期信號(hào)即為上面提到的由外部提供的頻率為7.14Hz的控制信號(hào)。因此在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí)，把RAM分成兩種，0000～0fff為第一塊，1000～1fff為第二塊。主CPU對(duì)兩塊存儲(chǔ)區(qū)進(jìn)行交替存儲(chǔ)。

7.14Hz信號(hào)接到中斷0口上，并采用邊沿觸發(fā)方式。每次中斷后，主CPU將改變各種相關(guān)參數(shù)。例如改變存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的RAM初始地址，即上一次是第一塊則這一次為第二塊，反之亦然。同時(shí)對(duì)P1.3口取非，即通知從CPU，主CPU正在寫那一塊RAM，以避免以CPU讀取數(shù)據(jù)時(shí)發(fā)生讀寫沖突。

系統(tǒng)采用雙口RAM作為CPU之間傳遞數(shù)據(jù)的中介，其結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。由于雙口RAM的高速存取，使大量數(shù)據(jù)能夠及時(shí)地傳輸。

2.3 命令下達(dá)與數(shù)據(jù)上傳

當(dāng)從CPU接收到地面下傳的命令之后，進(jìn)行解釋并通知主CPU?？紤]到信號(hào)傳輸?shù)目煽啃裕屡c地面之間的通信使用1553總線協(xié)議。1553總線的傳輸速率能達(dá)到1MHz以上。曼切斯特編碼作為信道編碼，提高信號(hào)傳輸?shù)目垢蓴_能力。為方便實(shí)現(xiàn)曼切斯特編碼以及總線接口，系統(tǒng)采用了專用曼切斯特編碼/解碼芯片HD-6408。HD-6408與CPU的接口用一片Lattice1016來完成。1016主要完成數(shù)據(jù)的串并行轉(zhuǎn)換，以及6408編碼/解碼所需的外部時(shí)序。1016直接掛在從CPU并行總線上，從CPU通過對(duì)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間的讀寫來完成命令字的接收和數(shù)據(jù)的上傳。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

圖4是ispEXPERT SYSTEM的仿真波形圖。仿真測(cè)出的剩余壁厚為0xbb即187，與預(yù)計(jì)的結(jié)果一致。在系統(tǒng)傳輸可靠性測(cè)試中，誤碼率在10 -9以下，由于井下條件惡劣，實(shí)際應(yīng)用中會(huì)略高。

該系統(tǒng)在與超聲波發(fā)生器和上位機(jī)組合調(diào)試中，性能明顯優(yōu)于原來的分離邏輯電路系統(tǒng)。系統(tǒng)采集的參數(shù)增多，靈活性增強(qiáng)，可根據(jù)用戶的要求增強(qiáng)或省云部分功能，以節(jié)約成本。