基于快速平臺(tái)側(cè)向儀器的數(shù)字電路的設(shè)計(jì)

0   引言

隨著石油工業(yè)的發(fā)展，對(duì)石油勘探儀器的要求也越來越高。軟聚焦雙側(cè)向測(cè)井儀就是用來測(cè)量地層電阻率的儀器，而地層電阻率是地層的重要物理參數(shù)之一。其區(qū)別于傳統(tǒng)雙側(cè)向儀器，測(cè)得的電阻率曲線是有4條：2條是傳統(tǒng)的深側(cè)向和淺側(cè)向曲線,2條是高分辨率深側(cè)向和淺側(cè)向曲線。該儀器的優(yōu)點(diǎn)就是對(duì)薄地層的分析和解釋更加清晰。軟聚焦雙側(cè)向測(cè)井儀器中的控制與通訊模塊電路的作用主要是接收地面系統(tǒng)的測(cè)井功能控制命令，同時(shí)識(shí)別命令并完成控制功能(包括刻度、刻零、測(cè)井檔之間的切換、儀器工作模式控制等)?？刂苾x器在進(jìn)行參數(shù)采集并處理后，可采集計(jì)算出電阻率值，然后通過工業(yè)以太網(wǎng)總線傳回地面系統(tǒng)。本文將介紹該儀器的總體設(shè)計(jì)方案,并詳細(xì)闡述其硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法。

1   硬件總體方案

本文主要設(shè)計(jì)了一種基于“DSP+FPGA”架構(gòu)的軟聚焦雙側(cè)向測(cè)井儀器的控制和處理電路。該電路主要由采集和控制電路兩部分組成。其中控制電路主要包括DSP主控制器和FPGA控制邏輯模塊。DSP選用的是TI公司的TMS320F28335芯片。主要完成功率控制算法，數(shù)字相敏檢波算法,與地面和其他儀器進(jìn)行通信等功能。FPGA選用的是Actel公司(編者注：Microsemi已于2012年收購(gòu)Actel)的A3P250芯片,主要負(fù)責(zé)完成與DSP通信和3種頻率的正弦信號(hào)發(fā)射，如圖1。

圖1 主控硬件電路總體框圖

2   參數(shù)采集模塊設(shè)計(jì)

參數(shù)采集電路主要包括2片16位的A/D轉(zhuǎn)換器 (AD7656)，2片16位6路并行,采樣率250 kSPS,采集輸入電壓±10 V的采集模塊主要采用AD7656的串行數(shù)據(jù)輸出功能。這里選擇并行12路采集而沒有使用多路開關(guān)輪詢采集，是因?yàn)椴⑿胁杉梢詽M足信號(hào)的完整性。DSP通過2路SPI控制2路A/D，另外的信號(hào)線分別為cs片選、busy信號(hào)、采樣率控制信號(hào)CNVST、時(shí)鐘信號(hào)sclk和數(shù)據(jù)信號(hào)sdata等（如圖2）。

圖2 數(shù)據(jù)采集模塊

3   軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的軟聚焦雙側(cè)向通訊與控制模塊的軟件流程圖如圖3所示。

圖3 軟件流程圖

其具體工作流程首先是DSP上電初始化以等待接收地面系統(tǒng)的命令；當(dāng)主控板接收到總線的采集命令后,DSP將分別控制A/D的信號(hào)開始采集和控制FPGA向地層發(fā)射出3路預(yù)設(shè)好的電壓信號(hào),然后開始本次采集循環(huán)。采集模塊向A/D發(fā)出ADCS信號(hào)后，然后啟動(dòng)CNVST,A/D芯片會(huì)開始采集信號(hào)的1個(gè)點(diǎn)，同時(shí)，A/D將BUSY信號(hào)置高，采集完成后，A/D再將BUSY拉低,當(dāng)DSP檢測(cè)到BUSY拉低后，即開始讀取串行數(shù)據(jù)，并存放入DSP的SPIBUF中。完成1個(gè)點(diǎn)的采樣后，采集控制模塊會(huì)再次發(fā)出CNVST信號(hào)，以采集下一個(gè)點(diǎn)。當(dāng)采集完成后,DSP將數(shù)據(jù)送入到數(shù)字相敏檢波函數(shù)，統(tǒng)一進(jìn)行相敏檢波數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)相敏檢波完成后，將相敏檢波后的數(shù)據(jù)分別送入功率控制算法和電阻率計(jì)算公式函數(shù)，然后計(jì)算出要調(diào)整輸出的電壓值送入到FPGA中，之后FPGA再控制3路D/A輸出電壓，同時(shí)將當(dāng)前的4個(gè)電阻率值和一些狀態(tài)信息寫入到通信總線模塊，上傳給地面計(jì)算機(jī)顯示。

4   結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)實(shí)際測(cè)井生產(chǎn)作業(yè)環(huán)境以及數(shù)據(jù)處理的要求，設(shè)計(jì)了以“DSP+FPGA”架構(gòu)作為軟聚焦雙側(cè)向測(cè)井儀器的采集和處理電路的實(shí)現(xiàn)方法，同時(shí)詳細(xì)介紹了電路的硬件設(shè)計(jì)，重點(diǎn)介紹數(shù)字采集控制模塊和固件設(shè)計(jì)流程。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，該電路能很好地應(yīng)用在軟聚焦雙側(cè)向的測(cè)井儀器中。通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)井實(shí)驗(yàn)，本數(shù)字雙側(cè)向測(cè)井儀器在井下175 ℃高溫、20 000 PSI高壓的惡劣環(huán)境中能夠穩(wěn)定可靠地長(zhǎng)時(shí)間工作，完全可以滿足測(cè)井實(shí)際生產(chǎn)作業(yè)的需要，而且各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均可達(dá)到國(guó)外同型號(hào)產(chǎn)品的技術(shù)水平?，F(xiàn)在，該儀器已完成產(chǎn)品定型進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)階段。

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作者簡(jiǎn)介，張森峰（1980-），男，山西，碩士，工程師，從事測(cè)井儀器研發(fā)工作。E-mail：zsflyn@163.com。

（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志社2020年12月期）