基于CPLD的動(dòng)調陀螺測斜儀數據采集系統設計與實(shí)現

0引 言

　　動(dòng)調式陀螺油氣井測斜儀(動(dòng)調陀螺測斜儀)是一種可在油氣勘探中用于測量鉆頭走向方位的儀器，且不受地磁干擾，它可在油氣井中按實(shí)際油層方向重新開(kāi)窗，使廢舊井或老井得到二次開(kāi)發(fā)，不但節約了開(kāi)支，而且也大大節省了人力物力，因而日益受到業(yè)界的青睞，國內也急需此類(lèi)井下儀器。本論文著(zhù)眼于基于CPLD的陀螺測斜儀信號采集電路設計。這主要緣于將各種模擬信號轉化為數字信號再進(jìn)行相應的處理，不僅可以提高系統的整體性能，還可以充分利用現代信號分析的各種處理算法。特別是，為提高測量精度，在提高陀螺儀和加速度計制造工藝的同時(shí)，作為捷聯(lián)慣性測量組合的核心部分--數據采集電路的設計，則顯得尤其重要。

1儀器的構成及采集系統方案選擇

1.1儀器的構成

　　動(dòng)調陀螺測斜儀主要由井下儀器和井上(地面)儀器兩部分組成，井上、井下儀器通過(guò)單芯測井電纜相連，如圖1所示。井下儀器是該測斜儀的數據采集與數據傳輸等部分，按其功能和作用主要由捷聯(lián)慣性系統、反饋系統、信號采集電路、微控制系統等幾部分構成；井上(地面)儀器是以便攜式微機為核心的主計算機系統，以完成數據分析與處理等工作。

1.2數據采集系統方案選擇

　　動(dòng)調陀螺測斜儀的數據采集系統，可以分為三類(lèi)：(1)基于單片機(MCU)的數據采集系統。其成本低廉，實(shí)現容易，可以實(shí)現微秒、毫秒級的采集速度，但是它的抗干擾能力較差。以51系列的單片機為例，在設計完成單片機系統且在試驗室調試成功后，在工程現場(chǎng)由于不可預測的干擾因素(如油氣井下高溫、高壓等)，常常會(huì )出現"死機"、"程序跑飛"等實(shí)際應用中絕對不允許存在的現象。(2)基于DSP數字信號處理器的數據采集系統。其特點(diǎn)是：精度高、靈活性好、系統穩定，處理速度快、可以分時(shí)復用、抗干擾能力相對于單片機(MCU) 有很大的提高，但價(jià)格也較高。采用DSP的數據采集系統，雖能通過(guò)軟件控制數據采集的A／D轉換，但必將頻繁中斷系統的運行，從而減弱系統的數據運算能力，數據采集的速度也將會(huì )受到限制。(3)基于CPLD的數據采集系統。CPLD芯片價(jià)格昂貴，但能實(shí)現高速采集，可以處理納秒級的采集速度，且易于升級擴展。尤為重要的是，一旦CPLD完成程序的燒寫(xiě)，其內部就相當于硬件電路的連接，抗干擾能力可以得到顯著(zhù)的提高；同時(shí)，使其能在油氣井下高溫、高壓等的惡劣環(huán)境下，維持穩定工作。有鑒于此，本文選擇采用基于CPLD的數據采集系統進(jìn)行了研究與開(kāi)發(fā)。

2采集系統的硬件設計

　　動(dòng)調陀螺測斜儀的數據采集信號，包括動(dòng)調陀螺儀測得的地球自轉角速度水平分量ωx、地球自轉角速度的垂直分量ωy、加速度計測得的重力加速度的水平分量ax、重力加速度的垂直分量ay以及井下的實(shí)際工作溫度T。因此，它是一個(gè)多路信號的采集系統。為使需要采集的所有信號與A／D轉換芯片的量程相匹配，須設計一個(gè)信號前端預處理電路。針對5路的信號采集，系統采用8通道HI-548模擬多路復用器對信號進(jìn)行選擇；AD7899SR-1實(shí)現信號的A／D轉換；CPLD完成A／D轉換的控制功能。其接口電路，如圖2所示。

　　圖中，CPLD芯片采用的是ALTERA公司的EPM1270。A／D轉換芯片采用的是AD7899SR-1，它是美國AD公司生產(chǎn)的高速、低功耗、逐次逼近型單電源14位A／D轉換器，具有如下特點(diǎn)：

　　(1)可選擇的輸入范圍：±10 V、±5 V、±2.5 V、0～2.5 V以及0～5 V；
　　(2)允許與3 V處理器兼容的高速并行接口；
　　(3)低功耗，正常工作時(shí)功耗為80 mW，在省電的工作模式下，功耗僅為20μW；
　　(4)模擬信號輸入端具有過(guò)壓保護。

　　AD7899SR-1控制字的功能有：

　　(1)／STBY：邏輯輸入，低電平為低功耗模式(備用模式)，高電平為正常工作模式；
　　(2)／CS：邏輯輸入，片選信號，低電平有效；
　　(3)／RD：邏輯輸入，低電平有效，與／CS配合，讀入AD轉換的結果；
　　(4)／CONVST：邏輯輸入，一個(gè)上升沿信號啟動(dòng)AD轉換；
　　(5)CLKIN：時(shí)鐘輸入，若CLKIN為高電平時(shí)，／CONVST輸入一個(gè)上升沿，一個(gè)外界提供的時(shí)鐘將作為A／D轉換的轉換時(shí)鐘；若CLKIN在低電平時(shí)，／CONVST輸入-個(gè)上升沿，內部激光平衡的振蕩器將提供A／D轉換的轉換時(shí)鐘。如果要完成A／D轉換，上述兩種形式的時(shí)鐘輸入都需要16個(gè)時(shí)鐘周期；
　　(6)BUSY／EOC：邏輯輸出，判斷A／D轉換是否完成，它有兩種工作模式，BUSY模式和EOC模式。

　　在EOC模式下，A／D轉換的工作時(shí)序圖，如圖3所示。EOC模式下，／CONVST通常是高電平狀態(tài)，／CONVST的上升沿將啟動(dòng)AD轉換，轉換完成后，BUSY／EOC將產(chǎn)生一個(gè)負脈沖，／CS和／RD配合使用，CPLD就能夠讀取轉換結果。本文中的／STBY，則一直接高電平，即AD7899SR-1一直工作在正常模式下；而／CS一直接低電平，AD7899SR-1則一直處于選中狀態(tài)。

3采集系統的軟件設計

3.1 A／D轉換的狀態(tài)轉換圖和狀態(tài)轉換表

　　A／D轉換控制軟件的設計平臺是QuartusⅡ5.0，編程語(yǔ)言是硬件描述語(yǔ)言VHDL。根據AD7899SR-1的控制字以及CPLD的讀寫(xiě)需要，可將整個(gè)A／D轉換過(guò)程分為7個(gè)狀態(tài)：S0，S1，S2，S3，S4，S5，S6，各個(gè)狀態(tài)所要完成的功能，如表1所示。

3.2 A／D轉換的控制程序

　　根據狀態(tài)轉換表和狀態(tài)轉換圖，動(dòng)調陀螺測斜儀的信號采集系統整個(gè)軟件工作流程，如圖4所示。

4結果與討論

　　在設計完成動(dòng)調陀螺測斜儀信號采集系統后，對基于CPLD的數據采集系統進(jìn)行硬、軟件的調試，其結果如圖5所示。從AD7899的仿真波形可見(jiàn)，數據采集系統的設計滿(mǎn)足了動(dòng)調陀螺測斜儀信號采集的要求。圖6為基于CPLD的動(dòng)調陀螺測斜儀數據采集系統界面圖。

5結 論

　　(1)選擇采用CPLD取代MCU，對動(dòng)調陀螺測斜儀的數據采集系統進(jìn)行控制，可以提高數據采集系統的抗干擾能力。

　　(2)CPLD具有豐富的可供二次開(kāi)發(fā)的資源，這為動(dòng)調陀螺測斜儀靈活、快捷的升級換代提供了基礎或保證。