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基于快速平臺側向儀器的數(shù)字電路的設計

作者:張森峰,高秀曉,姚德忠,陳 文(中國石油測井技術研究院,北京 102206) 時間:2021-02-24 來源:電子產(chǎn)品世界 收藏
編者按:一種基于“DSP+FPGA”架構的軟聚焦雙側向測井儀數(shù)據(jù)采集控制和處理電路,本文詳細介紹了該電路的硬件設計和數(shù)字采集控制模塊的設計方法,該數(shù)字設計方法在大多數(shù)測井儀器控制電路中具有通用性。該電路使用的都是耐高溫芯片,能夠適應井下嚴酷的環(huán)境,該電路的特點是并行傳輸采集速度快,發(fā)射時為D/A輸出,有別于傳統(tǒng)的PWM調幅。從測井實驗結果看,該電路能夠很好地應用于軟聚焦雙側向的測井儀器。


本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/202102/422933.htm

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)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。

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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)。

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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。

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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:

[1] 陳召軍.恒功率測雙側向測井儀功率控制算法研究[J].石油儀器,2010,24(4):21-22.

[2] 馬國晏.一種數(shù)字雙側向測井儀數(shù)字電路的設計實現(xiàn)[J].電子技術與軟件工程,2015(9):124.

[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)



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