超聲波測井的井下數據采集與傳輸系統的實(shí)現

摘要：介紹了井下數據采集與傳輸系統的結構和工作原理，該系統采用先進(jìn)的CPLD器件ISPLSI1016實(shí)現了其中的接口電路，解決了井下數據采集與傳輸系統的高精度、低功耗和小尺寸等關(guān)鍵問(wèn)題。

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

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

1 系統結構簡(jiǎn)介

本系統采用兩片AT89C52單片機分別作為主、從CPU；采用AD公司的高速A/D芯片AD7821進(jìn)行井下溫度、壓力和幅值等參數的實(shí)時(shí)數據采集；選用兩片美國Lattice公司的CPLD芯片isPLS1016實(shí)現數字信號采集處理接口電路和數據傳輸中的串并行轉換接口電路；然后通過(guò)雙口RAM（IDT7232）來(lái)傳輸數據。系統結構如圖1所示。

2 系統工作原理與實(shí)現

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、工作模式切換和數據采集等功能；從CPU主要完成主CPU所采集信號的上傳和地面命令字的下傳及命令解釋?zhuān)€包括一些監控功能。CPU對超聲波發(fā)射裝置進(jìn)行控制，采集回波信號。由于回波信號的尖峰時(shí)刻非常窄，一般不超過(guò)1.0μs，所以對A/D的采樣時(shí)間要求在ns級。本系統采用AD公司高速A/D芯片AD7821進(jìn)行采集。數字信號部分，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，以便對回波信號的時(shí)間間隔進(jìn)行計數，進(jìn)一步測出井下的剩余壁厚等距離參數。所有采集的信號按一定格式存在雙口RAM（IDT7132）內，以備從CPU調用和上傳。

2.1 數據采集的實(shí)現

2.1.1 數字信號的采集

系統所需采集的數字信號的頻率相差非常大。其中γ信號的頻率在幾赫茲到百赫茲之間。此信號直接進(jìn)入單片機，用單片機的計數器進(jìn)行計數，計算后得到頻率。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，每次只出現一個(gè)。這樣只能測量其周期。系統直接采用12MHz晶振信號的四分頻作為測量周期的計數脈沖。除γ信號外的所有數字信號的采集模塊完全集成在一片Lattice公司的isPLSI1016內。這樣不僅大大提高了系統的集成度，滿(mǎn)足了系統尺寸的特殊要求，而且增強了系統的可靠性和靈活性，方便系統的升級和調整。IsPLSI1016的內部設計框圖如圖2所示。

2.1.2 模擬信號的采集

對于回波的尖峰值，每次啟動(dòng)超聲波發(fā)射器后采集一次；而對溫度、壓力等監控信號，每當7.14Hz的信號對單片機中斷后才進(jìn)行采集。7.14Hz的信號由外部提供。由于對精度要求不高，這里采用8位的轉換精度。

2.2 數據的存儲與傳輸

井下的數據采集頻率接近2kHz，數據量非常大，不可能被完全存儲下來(lái)。而且井下所需要的也不是全部數據，當發(fā)出數據上傳命令后的前一個(gè)周期的數據為所要求的數據。這個(gè)周期信號即為上面提到的由外部提供的頻率為7.14Hz的控制信號。因此在數據存儲時(shí)，把RAM分成兩種，0000～0fff為第一塊，1000～1fff為第二塊。主CPU對兩塊存儲區進(jìn)行交替存儲。

7.14Hz信號接到中斷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。例如改變存儲數據的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P1.3口取非，即通知從CPU，主CPU正在寫(xiě)那一塊RAM，以避免以CPU讀取數據時(shí)發(fā)生讀寫(xiě)沖突。

系統采用雙口RAM作為CPU之間傳遞數據的中介，其結構圖如圖3所示。由于雙口RAM的高速存取，使大量數據能夠及時(shí)地傳輸。

2.3 命令下達與數據上傳

當從CPU接收到地面下傳的命令之后，進(jìn)行解釋并通知主CPU?？紤]到信號傳輸的可靠性，井下與地面之間的通信使用1553總線(xiàn)協(xié)議。1553總線(xiàn)的傳輸速率能達到1MHz以上。曼切斯特編碼作為信道編碼，提高信號傳輸的抗干擾能力。為方便實(shí)現曼切斯特編碼以及總線(xiàn)接口，系統采用了專(zhuān)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(lái)完成。1016主要完成數據的串并行轉換，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(xiàn)上，從CPU通過(guò)對外部數據存儲空間的讀寫(xiě)來(lái)完成命令字的接收和數據的上傳。

3 實(shí)驗結果與分析

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

該系統在與超聲波發(fā)生器和上位機組合調試中，性能明顯優(yōu)于原來(lái)的分離邏輯電路系統。系統采集的參數增多，靈活性增強，可根據用戶(hù)的要求增強或省云部分功能，以節約成本。