基于FPGA的感應(yīng)測井?dāng)?shù)據(jù)采集電路設(shè)計*

李婷蘭 葉 欣

(西安石油大學(xué)光電油氣測井與檢測教育部重點實驗室 西安 710065)

0 引 言

感應(yīng)測井儀是一種以電磁感應(yīng)原理為基礎(chǔ)的測井儀器，通過對交變電磁場的特性研究來反映介質(zhì)電導(dǎo)率。在實際應(yīng)用中很快發(fā)現(xiàn)，感應(yīng)測井在水基泥漿尤其是淡水泥漿井中比普通電阻率測井優(yōu)越，發(fā)展至今，已成為一種用來測量低到中等電阻率地層的基本電阻率儀器。本文設(shè)計的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是該測井儀的重要組成部分之一，設(shè)計主要實現(xiàn)對7 道數(shù)據(jù)的采集，及數(shù)據(jù)的串并轉(zhuǎn)換。

1 系統(tǒng)設(shè)計總體方案

本系統(tǒng)的主要任務(wù)是完成對感應(yīng)、聚焦及輔助道總共7 路模擬信號的采集，并進(jìn)行相應(yīng)的后續(xù)處理后，通過電纜傳輸?shù)降孛嫦到y(tǒng);同時產(chǎn)生整個感應(yīng)測井系統(tǒng)的控制信號，用以協(xié)調(diào)本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和其他系統(tǒng)的聯(lián)合工作。本文提到的感應(yīng)測井儀采用DSP+FPGA 的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，此數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)也是圍繞這個結(jié)構(gòu)核心設(shè)計的。采用Xilinx 公司的FPGA 芯片XCS40XL－4PQ208 進(jìn)行系統(tǒng)的邏輯控制模塊設(shè)計;用TI 公司的32 位浮點型TMS320VC33 芯片對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行井下與處理，同時也方便系統(tǒng)的軟件升級。系統(tǒng)的總體設(shè)計框圖如圖1 所示。在實際測井中，感應(yīng)測井所測量的信號幅度為毫伏級，所以輸入A/D 的信號都是通過放大調(diào)理的。

圖1 系統(tǒng)總框圖

在圖1 中，F(xiàn)PGA 是本系統(tǒng)的核心控制器，XCS40XL－4PQ208 芯片內(nèi)有豐富的RAM 資源，系統(tǒng)門高達(dá)40 000 門，內(nèi)部邏輯單元達(dá)1862 個，可用的最大I/O 管腳數(shù)為224個，采用3.3 V 內(nèi)核電壓，功耗低，能夠支持高達(dá)250 MHz的雙向I/O 接口，用256 ×16 位RAM 時最大訪問頻率可達(dá)212 MHz。系統(tǒng)中所有涉及到工作狀態(tài)和時序控制的電路均共用10.24 MHz 的同一時鐘源，這樣可有效地抑制時間基準(zhǔn)的不一致而帶來的時序混亂。主通道的A/D 芯片采用AD974，AD974 是CMOS、4 通道、分辨率為16 位，最高采樣率為200 KSPS 的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，可以實現(xiàn)與FPGA的無縫連接，從而降低系統(tǒng)的復(fù)雜度。同時系統(tǒng)經(jīng)過對數(shù)據(jù)的編碼后通過電纜向地面?zhèn)鬏敂?shù)據(jù)以及接受地面系統(tǒng)發(fā)向井下的命令。

2 硬件電路設(shè)計

2.1 FPGA 內(nèi)部邏輯設(shè)計

井下一幀數(shù)據(jù)的周期為16 個儀器工作狀態(tài)時間50.4 ms，每個50.4 ms 中的30 ms 用于數(shù)據(jù)采集，20.4 ms用于數(shù)據(jù)處理。采集的數(shù)據(jù)包括雙感應(yīng)A 道和B 道、聚焦0、1、2、3 道以及輔助道。FPGA 主要實現(xiàn)與DSP、感應(yīng)道ADC、聚焦道ADC、輔助道ADC 和模擬開關(guān)之間的接口邏輯、時序控制以及對采集信號的串轉(zhuǎn)并，同時產(chǎn)生感應(yīng)測井系統(tǒng)其他一些控制信號。FPGA 的內(nèi)部功能框圖如圖2所示。

圖2 FPGA 內(nèi)部功能框圖

2.2 A/D 轉(zhuǎn)換電路

本文中的所有ADC 均采用AD974。A/D 轉(zhuǎn)換器作為數(shù)據(jù)采集的核心器件，其性能直接影響到整個系統(tǒng)的測量精度和分辨率。現(xiàn)有的A/D 轉(zhuǎn)換芯片種類很多，其中Flash A/D 轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度很高，但分辨率較低;Sigma－Delta A/D 轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度很高，但轉(zhuǎn)換速度比較低;逐次逼近型A/D 轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度和分辨率介于兩者之間，適用于中速率采樣而分辨率要求較高的場合。因此，按照高分辨率感應(yīng)測井儀地面系統(tǒng)的性能要求，感應(yīng)信號采樣率要在320 KSPS 以上，中、深感應(yīng)測井信號經(jīng)信號調(diào)理后為0～10 V 的電壓信號，要求其分辨率在305 μV，故選用16 位逐次逼近型的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，即使信號為滿量程時，也能滿足其分辨率的要求。

2.3 感應(yīng)道ADC 接口設(shè)計

圖3 AD 與FPGA 接口電路

2.4 聚焦及輔助道ADC

根據(jù)AD974 的時序和測井儀器工作狀態(tài)的要求，采用底層模塊VHDL 和頂層原理圖結(jié)合設(shè)計出的ADC 采樣中斷產(chǎn)生硬件原理圖，如圖4 所示。

3 采集系統(tǒng)的仿真驗證

4 結(jié) 論

本文以FPGA 和AD974 為設(shè)計核心，設(shè)計了16 位高分辨率數(shù)據(jù)采集電路，給出了FPGA 與AD974 的接口設(shè)計和內(nèi)部邏輯和時序控制設(shè)計。結(jié)果表明:該采集系統(tǒng)的最大采樣頻率為320 KSPS，采集命令和采集時序由FPGA 控制，最終采集數(shù)據(jù)以二進(jìn)制形式緩存在FPGA 中，串轉(zhuǎn)并之后通過并行接口傳輸給DSP 以待數(shù)據(jù)處理。該采集電路以成功應(yīng)用于高分辨感應(yīng)測井儀的室內(nèi)試驗研究項目中，獲得良好的實驗效果。

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