基于快速平臺側向儀器的數字電路的設計

0   引言

隨著(zhù)石油工業(yè)的發(fā)展，對石油勘探儀器的要求也越來(lái)越高。軟聚焦雙側向測井儀就是用來(lái)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之一。其區別于傳統雙側向儀器，測得的電阻率曲線(xiàn)是有4條：2條是傳統的深側向和淺側向曲線(xiàn),2條是高分辨率深側向和淺側向曲線(xiàn)。該儀器的優(yōu)點(diǎn)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的測井功能控制命令，同時(shí)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)?？刂苾x器在進(jìn)行參數采集并處理后，可采集計算出電阻率值，然后通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)總線(xiàn)傳回地面系統。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(shí)現方法。

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   參數采集模塊設計

參數采集電路主要包括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的串行數據輸出功能。這里選擇并行12路采集而沒(méi)有使用多路開(kāi)關(guān)輪詢(xún)采集，是因為并行采集可以滿(mǎn)足信號的完整性。DSP通過(guò)2路SPI控制2路A/D，另外的信號線(xiàn)分別為cs片選、busy信號、采樣率控制信號CNVST、時(shí)鐘信號sclk和數據信號sdata等（如圖2）。

圖2 數據采集模塊

3   軟件設計

本系統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的命令；當主控板接收到總線(xiàn)的采集命令后,DSP將分別控制A/D的信號開(kāi)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(kāi)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(dòng)CNVST,A/D芯片會(huì )開(kāi)始采集信號的1個(gè)點(diǎn)，同時(shí)，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(kāi)始讀取串行數據，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，以采集下一個(gè)點(diǎn)。當采集完成后,DSP將數據送入到數字相敏檢波函數，統一進(jìn)行相敏檢波數據處理，數據相敏檢波完成后，將相敏檢波后的數據分別送入功率控制算法和電阻率計算公式函數，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(shí)將當前的4個(gè)電阻率值和一些狀態(tài)信息寫(xiě)入到通信總線(xiàn)模塊，上傳給地面計算機顯示。

4   結語(yǔ)

本文針對實(shí)際測井生產(chǎn)作業(yè)環(huán)境以及數據處理的要求，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(shí)現方法，同時(shí)詳細介紹了電路的硬件設計，重點(diǎn)介紹數字采集控制模塊和固件設計流程。從實(shí)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(guò)現場(chǎng)測井實(shí)驗，本數字雙側向測井儀器在井下175 ℃高溫、20 000 PSI高壓的惡劣環(huán)境中能夠穩定可靠地長(cháng)時(shí)間工作，完全可以滿(mǎn)足測井實(shí)際生產(chǎn)作業(yè)的需要，而且各項技術(shù)指標均可達到國外同型號產(chǎn)品的技術(shù)水平?，F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。

參考文獻：

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

作者簡(jiǎn)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(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志社2020年12月期）