基于快速平臺側向儀器的數(shù)字電路的設計

0   引言

隨著石油工業(yè)的發(fā)展，對石油勘探儀器的要求也越來越高。軟聚焦雙側向測井儀就是用來測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)雙側向儀器，測得的電阻率曲線是有4條：2條是傳統(tǒng)的深側向和淺側向曲線,2條是高分辨率深側向和淺側向曲線。該儀器的優(yōu)點就是對薄地層的分析和解釋更加清晰。軟聚焦雙側向測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)的測井功能控制命令，同時識別命令并完成控制功能(包括刻度、刻零、測井檔之間的切換、儀器工作模式控制等)。控制儀器在進行參數(shù)采集并處理后，可采集計算出電阻率值，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計方案,并詳細闡述其硬件設計與實現(xiàn)方法。

1   硬件總體方案

本文主要設計了一種基于“DSP+FPGA”架構的軟聚焦雙側向測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行通信等功能。FPGA選用的是Actel公司(編者注：Microsemi已于2012年收購Actel)的A3P250芯片,主要負責完成與DSP通信和3種頻率的正弦信號發(fā)射，如圖1。

圖1 主控硬件電路總體框圖

2   參數(shù)采集模塊設計

參數(shù)采集電路主要包括2片16位的A/D轉換器 (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輪詢采集，是因為并行采集可以滿足信號的完整性。DSP通過2路SPI控制2路A/D，另外的信號線分別為cs片選、busy信號、采樣率控制信號CNVST、時鐘信號sclk和數(shù)據(jù)信號sdata等（如圖2）。

圖2 數(shù)據(jù)采集模塊

3   軟件設計

本系統(tǒng)的軟聚焦雙側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的信號開始采集和控制FPGA向地層發(fā)射出3路預設好的電壓信號,然后開始本次采集循環(huán)。采集模塊向A/D發(fā)出ADCS信號后，然后啟動CNVST,A/D芯片會開始采集信號的1個點，同時，A/D將BUSY信號置高，采集完成后，A/D再將BUSY拉低,當DSP檢測到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個點的采樣后，采集控制模塊會再次發(fā)出CNVST信號，以采集下一個點。當采集完成后,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算公式函數(shù)，然后計算出要調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，同時將當前的4個電阻率值和一些狀態(tài)信息寫入到通信總線模塊，上傳給地面計算機顯示。

4   結語

本文針對實際測井生產(chǎn)作業(yè)環(huán)境以及數(shù)據(jù)處理的要求，設計了以“DSP+FPGA”架構作為軟聚焦雙側向測井儀器的采集和處理電路的實現(xiàn)方法，同時詳細介紹了電路的硬件設計，重點介紹數(shù)字采集控制模塊和固件設計流程。從實驗結果看，該電路能很好地應用在軟聚焦雙側向的測井儀器中。通過現(xiàn)場測井實驗，本數(shù)字雙側向測井儀器在井下175 ℃高溫、20 000 PSI高壓的惡劣環(huán)境中能夠穩(wěn)定可靠地長時間工作，完全可以滿足測井實際生產(chǎn)作業(yè)的需要，而且各項技術指標均可達到國外同型號產(chǎn)品的技術水平?，F(xiàn)在，該儀器已完成產(chǎn)品定型進入產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)階段。

參考文獻：

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[3] 黃家亮.基于DSP的數(shù)字相敏檢波器的實現(xiàn)[J].石油儀器,2009(6):84-85.

作者簡介，張森峰（1980-），男，山西，碩士，工程師，從事測井儀器研發(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）