淺談新型超聲成像測(cè)井儀的設(shè)計(jì)與研究

孟 明 彭偉斌 趙乃賡

（北京中地英捷物探儀器研究所，北京 昌平 102200）

一、概述

早期的超聲波成像測(cè)井儀由于數(shù)據(jù)采集技術(shù)的限制，數(shù)據(jù)量太大，缺乏高性能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的支持等原因，難以推廣使用。直到20世紀(jì)90年代，隨著電子技術(shù)、數(shù)字記錄技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)以及單片機(jī)的發(fā)展，超聲波成像測(cè)井技術(shù)才逐步完善成熟，成為地球物理測(cè)井的一個(gè)有效方法，而我國在煤、煤層氣等資源的成像測(cè)井和地質(zhì)應(yīng)用方面幾乎為空白。近期北京中地英捷物探儀器研究所通過消化、吸收國內(nèi)外先進(jìn)的小井徑超聲成像測(cè)井儀基礎(chǔ)上，研制出新型全數(shù)控超聲成像測(cè)井儀，為煤炭地質(zhì)系統(tǒng)首臺(tái)，屬國內(nèi)領(lǐng)先水平。

二、儀器概述

這種超聲成像測(cè)井儀采用了旋轉(zhuǎn)式園片狀壓電陶瓷聚焦超聲換能探頭，每秒鐘向井壁發(fā)射2560次的聲波脈沖信號(hào)（10圈/秒），其返回的聲幅信號(hào)經(jīng)回波預(yù)處理電路、程控增益放大電路、程控門坎電路、峰值保持電路、回波時(shí)間檢測(cè)電路、行同步信號(hào)提取電路、命令接收電路等進(jìn)入單片機(jī)C8051F060。各單元電路在單片機(jī)的控制下協(xié)調(diào)地工作，完成聲波發(fā)射、接收、處理和上傳功能。

（一）超聲成像測(cè)井地面系統(tǒng)

由于超聲成像測(cè)井儀的數(shù)據(jù)量很大，這套儀器中采用了2路16位的A/D采樣，其數(shù)據(jù)量可達(dá)到近100Kbit/s，因此原有的電纜模擬傳輸系統(tǒng)和數(shù)字編碼傳輸系統(tǒng)已不能滿足超聲成像測(cè)井的要求。為此新研發(fā)了專門用于成像測(cè)井系統(tǒng)的高速電纜通訊系統(tǒng)，即高速電纜遙測(cè)短節(jié)。這種電纜遙測(cè)系統(tǒng)使用了目前最新的調(diào)制解調(diào)載碼通訊技術(shù)，該系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議，在3000米￠4.75mm的四芯電纜上以全雙工方式傳輸數(shù)據(jù)，波特率為1MB/S的情況下，4個(gè)小時(shí)無任何誤碼現(xiàn)象發(fā)生，從而克服了測(cè)井電纜不能傳輸高速數(shù)據(jù)的瓶頸現(xiàn)象，同時(shí)也為各種新老井下儀器的配套和任意組合打下基礎(chǔ)。

（二）C8051F060的功能特點(diǎn)

C8051F060[1]內(nèi)核采用流水線結(jié)構(gòu)，速度可達(dá)25M IPS(25MHz晶振)；其指令與標(biāo)準(zhǔn)系列51單片機(jī)兼容，因而掌握開發(fā)過程非常容易，該芯片的JTAG調(diào)試方式支持在線系統(tǒng)，全速，非插入調(diào)試和編程，且不占用片內(nèi)資源。特點(diǎn)如下：

（1）8個(gè)I/O端口，其中包括4個(gè)低部端口P0～P3(可位尋址)和4個(gè)高部端口P4～P7(不可位尋址)?？赏ㄟ^交叉開關(guān)實(shí)現(xiàn)I/O端口的靈活配置；

（2）5 個(gè) 16 bit計(jì)數(shù)/定時(shí)器 T0～T4。具有自動(dòng)裝載、捕獲、輸出占空比為50%方波等功能；

（3）2通道16 bit的1MSPS A/D 轉(zhuǎn)換器ADC0和ADC1,8通道10 bit 200 KSPS的A/D轉(zhuǎn)換器ADC2；

（4）2通道12 bit D/A轉(zhuǎn)換器DAC0和DAC1；

（5）可編程的16 bit的PCA計(jì)數(shù)器陣列,PCA有6個(gè)，可作為時(shí)基的捕捉/比較模塊，每個(gè)模塊有6種工作方式；

（6）3路模擬比較器，可以通過CPTnCN和CPT-rMD這兩個(gè)寄存器進(jìn)行設(shè)置，同時(shí)還可以設(shè)置上升沿或下降沿的比較器輸出中斷；

（7）通過 C8051F060的SPI可訪問 4線全雙工串行總線，C8051F060工作于全雙工模式的主方式時(shí)，可以通過向數(shù)據(jù)寄存器SPIODAT寫入1B來啟動(dòng)1次數(shù)據(jù)傳送；

（8）C8051F060集成了CAN 總線控制器,CAN總線可組成多節(jié)點(diǎn)的測(cè)控系統(tǒng)。

綜上所述,C8051F060是一種集成度高、功能強(qiáng)大的單片機(jī)芯片,非常適合于要求速度快、可靠性高、擴(kuò)展功能強(qiáng)和節(jié)電的應(yīng)用系統(tǒng)。

（三）探管硬件結(jié)構(gòu)

以C8051F060單片機(jī)為主控芯片，設(shè)計(jì)了新型井壁超聲成像測(cè)井儀的電路，單片機(jī)外圍擴(kuò)展了聲波發(fā)射電路、聲波發(fā)射幅度控制電路、回波預(yù)處理電路、程控放大電路、峰值保持器電路、回波時(shí)間檢測(cè)電路、行同步信號(hào)提取電路、命令接收電路和PCM碼合成驅(qū)動(dòng)電路等，各電路單元在單片機(jī)的控制下協(xié)調(diào)地工作，完成聲波發(fā)射、接收、處理和上傳等功能。

發(fā)射電路是在C8051F060單片機(jī)的I/O口輸出一定頻率脈沖的控制下，重復(fù)地產(chǎn)生1MHz頻率的超聲波，由換能器發(fā)射出去，通過1路DAC可以控制聲波發(fā)射幅度?；夭A(yù)處理電路和程控放大器電路對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行濾波和放大后分成2路，一路送給峰值保持器后進(jìn)入單片機(jī)的ADC通道；另一路送回波時(shí)間檢測(cè)器后進(jìn)入單片機(jī)記錄回波時(shí)間。行同步信號(hào)提取電路對(duì)來自動(dòng)滑環(huán)的行同步信號(hào)進(jìn)行處理后進(jìn)入單片機(jī)的外部中斷口，作為行結(jié)束的標(biāo)志。命令接收電路可實(shí)時(shí)接收地面儀器下發(fā)的指令，分別控制聲波發(fā)射幅度和線性放大器的增益等。單片機(jī)處理的幅度信息和時(shí)間信息經(jīng)單片機(jī)的RS232口輸出，經(jīng)高速電纜遙測(cè)短節(jié)，再通過電纜傳送至地面，直接進(jìn)入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。單片機(jī)內(nèi)快速高精度的A/D、高速的SPI口輸出和高精度的16 bit定時(shí)/計(jì)數(shù)器合理編程、協(xié)調(diào)地工作，既保證了高速聲波數(shù)據(jù)采集又實(shí)現(xiàn)了大數(shù)據(jù)量傳輸。電路硬件框圖見圖1。

（四）單片機(jī)軟件流程

C8051F060單片機(jī)的軟件采用標(biāo)準(zhǔn)C語言編寫,配以完善的硬件體系,完成對(duì)聲波信號(hào)的發(fā)射、接收、處理和傳輸?shù)裙δ?。在軟件編寫過程中,充分利用各種中斷源,達(dá)到了對(duì)硬件系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制，同時(shí)提高了軟件的執(zhí)行效率。通過單片機(jī)的JTAG口可進(jìn)行程序的下載和在線調(diào)試。單片機(jī)軟件流程圖詳見圖2。

三、關(guān)鍵技術(shù)

該儀器為獲得較高幅度的回波信號(hào)，使之適應(yīng)裸眼井，重泥漿條件下的工作，換能器激勵(lì)的直流穩(wěn)壓電源為+200V，經(jīng)過發(fā)射變壓器獲得的激勵(lì)脈沖峰峰值為600V左右，比以前的儀器提高約6倍。由此提高了接收聲幅信號(hào)的信噪比，使圖像更清晰，但同時(shí)也造成了干擾加大。

為了克服干擾，聲幅接收處理電路、聲波發(fā)射電路和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路采用了電氣全隔離措施，從電源到地全部分開，各是一套獨(dú)立的系統(tǒng)。

井下儀器使用交流電源模塊，為所有井下電路工作提供各種直流穩(wěn)壓電源，其中換能器激勵(lì)電壓為+200V，模似電路工作電壓為±5V，數(shù)字電路工作電壓為+3.3V（C8051F060單片機(jī)的內(nèi)核工作電壓+2.5V），有效地降低了放大檢測(cè)和控制電路的功耗。

由于換能器在被激勵(lì)瞬間需要極大的高壓電流，因此采用了大容量的電容以避免高壓波動(dòng)太大。

結(jié)語

該高性能超聲成像測(cè)井儀通過提高發(fā)射電壓，可以承擔(dān)裸眼井重泥漿環(huán)境下的測(cè)井任務(wù)，通過提高換能器旋轉(zhuǎn)速率，提高了測(cè)井圖像的縱向分辨率，使之能更加真實(shí)反映井壁的實(shí)際情況。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：與以前的儀器相比，該高性能的超聲成像測(cè)井儀具有更好的成像效果，能清晰地反映井壁的裂縫和塌陷等情況。

[1]胡學(xué)紅，李長文，魏海云.影響超聲成像效果的模似實(shí)驗(yàn)[J].測(cè)井技術(shù)，2002，26（6）.

[2]魯放，屈萬里，余厚全等.《小井眼多功能超聲成像測(cè)井儀》[J].測(cè)井技術(shù)，1999，23(6).

[3]劉付光，武學(xué)維，許方寧.美國Matrix測(cè)井系統(tǒng)超聲波成像技術(shù)的應(yīng)用及淺析[J].中國煤炭地質(zhì).2009（S2）.