一種用于高溫環(huán)境的低場(chǎng)核磁共振儀器主控電路

趙宏宇 張嘉偉 賽芳

【摘 要】針對(duì)低場(chǎng)核磁共振地層孔隙度測(cè)量方法在石油資源評(píng)估中的日益廣泛應(yīng)用，設(shè)計(jì)一種最高工作溫度可達(dá)200度的低場(chǎng)核磁共振儀器主控電路，具有微弱回波信號(hào)檢測(cè)處理、脈沖序列發(fā)生、井下數(shù)據(jù)通訊功能。該電路解決了低場(chǎng)核磁共振測(cè)井儀器中主控電路在高溫下連續(xù)工作的熱可靠問題。

【關(guān)鍵詞】核磁共振;高溫主控電路;回波采集;序列發(fā)生器

中圖分類號(hào)： O482.532;O511文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2019）06-0028-004

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.06.009

0 引言

核磁共振測(cè)井技術(shù)作為一種有效的石油探測(cè)方法[1-2]，在石油資源評(píng)估中的應(yīng)用日益廣泛，隨著近年來(lái)我國(guó)東海、南海等高溫超高溫海上油氣資源的不斷開發(fā)[3-4]，高溫核磁共振測(cè)井儀器研制也由此在我國(guó)油氣探測(cè)領(lǐng)域被重點(diǎn)關(guān)注[5]。設(shè)計(jì)一種最高工作溫度可達(dá)200度的低場(chǎng)核磁共振儀器主控電路，具有微弱回波信號(hào)檢測(cè)處理、脈沖序列發(fā)生、井下數(shù)據(jù)通訊功能。該電路采用系統(tǒng)級(jí)封裝SiP技術(shù)解決主控電路在高溫下連續(xù)工作的熱可靠問題。

1 主控電路硬件設(shè)計(jì)

1.1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

低場(chǎng)核磁共振儀器主控電路的硬件電路如圖1所示。主要由耦合變壓器、系統(tǒng)級(jí)封裝SiP（System in Package）器件、多芯片模塊MCM（Multi Chip Moudle）器件、輔助參數(shù)調(diào)理模塊和電源等組成。

低場(chǎng)核磁共振儀器主控電路有通訊功能和控制回波采集功能，由于測(cè)井環(huán)境惡劣，測(cè)井儀器尺寸限制了主控電路的長(zhǎng)度，以及單板承重限制，為了確保主控電路穩(wěn)定工作，將其分成兩塊電路進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。

1.2 電路熱設(shè)計(jì)

近年來(lái)，200℃的高溫井不斷的增加，測(cè)井儀器不可避免的面臨著高溫環(huán)境帶來(lái)的考驗(yàn)，然而200℃溫度環(huán)境的集成電路器件卻很少，尤其是缺少高速數(shù)據(jù)采集相關(guān)的器件。系統(tǒng)級(jí)封裝SiP是將多個(gè)具有不同功能的集成電路晶圓與無(wú)源元件組裝成為可以提供多種功能的一個(gè)子系統(tǒng)[6]。SiP中元件的互連線距離縮短，可降低寄生阻抗，提升傳輸速度，降低功耗，故高溫下的電氣性能得到改善[7];SiP所用的金屬屏蔽和內(nèi)部惰性氣體起到保護(hù)關(guān)鍵信號(hào)走線的作用，免受外界電磁干擾和高溫環(huán)境產(chǎn)生的腐蝕性氣體影響，高溫可靠性得到提高[8];SiP采用高導(dǎo)熱率材料作為外殼[9]，以及晶圓通過(guò)基板與封裝之間良好的熱接觸，可將封裝內(nèi)子系統(tǒng)工作時(shí)散發(fā)的熱量充分釋放到環(huán)境中，故可以顯著降低內(nèi)部集成電路晶圓與環(huán)境溫度之間的溫差，提高SiP內(nèi)集成電路的最高可允許工作的環(huán)境溫度。因此，SiP很好的提高電子系統(tǒng)溫度等級(jí)。與SiP類似，多芯片模塊封裝MCM采用同樣的封裝設(shè)計(jì)提高了系統(tǒng)的溫度等級(jí)。圖1中主控電路中共有兩個(gè)系統(tǒng)級(jí)封裝模塊SiP_1和SiP_2，其中SiP_2由DSP、FPGA、ADC及存儲(chǔ)器等外圍器件組成，具有模擬信號(hào)數(shù)據(jù)采集、數(shù)字信號(hào)處理、串行通訊、多路數(shù)字輸入檢測(cè)和輸出控制等功能。與SiP_2相比，由于不需要需采集回波，SiP_1內(nèi)部沒有ADC，具有串行數(shù)據(jù)通訊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和通訊信號(hào)編解碼等功能。系統(tǒng)級(jí)封裝SiP內(nèi)部DSP（TMS320F2812）與FPGA（A3P1000）晶圓均為廠家定制高溫晶圓，其它芯片晶圓均為西安微電子公司提供高溫器件。多芯片封裝MCM由差分轉(zhuǎn)單端、模擬開關(guān)ADG201、八階有源帶通濾波器和單端轉(zhuǎn)差分AD8138構(gòu)成。具有采集回波和激勵(lì)波切換、信號(hào)濾波和增益標(biāo)定等功能。與SiP類似，MCM內(nèi)部芯片同樣采用耐高溫的晶圓，芯片晶圓均為西安微電子公司提供。

在環(huán)境溫度為200℃情況下，為了驗(yàn)證SiP器件組成的主控電路的性能，采用COMSOL5.1軟件分別對(duì)通訊功能模塊和控制回波采集功能模塊進(jìn)行有限元熱仿真。在環(huán)境溫度200℃下，對(duì)高溫核磁測(cè)井儀主控電路進(jìn)行熱仿真，溫度達(dá)到熱平衡后，控制回波采集功能模塊的芯片晶圓最高溫度達(dá)210℃，通訊功能模塊的芯片晶圓最高溫度達(dá)220℃，與環(huán)境溫度分別相差10℃和20℃，熱仿真結(jié)果如圖2。同常規(guī)磁共振測(cè)井儀器EMRT仿真結(jié)果相比[10]，系統(tǒng)級(jí)封裝SiP很好的提高了系統(tǒng)的耐溫等級(jí)。

2 主控電路軟件設(shè)計(jì)

2.1 脈沖序列發(fā)生器設(shè)計(jì)

核磁共振現(xiàn)象需要在合適的射頻RF信號(hào)作用下才能有效的被激發(fā)以及被觀測(cè)。在核磁共振測(cè)井儀器中，測(cè)井的效果很大程度上取決于脈沖序列信號(hào)的控制精度與穩(wěn)定性[13]。然而現(xiàn)有的脈沖序列發(fā)生器并不能直接工作于高溫200℃環(huán)境下，這是受到電子器件溫度性能的限制。采用系統(tǒng)級(jí)封裝SiP技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種能夠很好的工作在200℃下的高溫脈沖序列發(fā)生器。

脈沖序列發(fā)生器程序流程如圖3所示，由DSP配合FPGA來(lái)實(shí)現(xiàn)通用脈沖序列發(fā)生器。DSP下發(fā)的定時(shí)參數(shù)利用RAM來(lái)實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)，定時(shí)器根據(jù)從RAM中讀取的定時(shí)參數(shù)開始計(jì)數(shù)，產(chǎn)生分段計(jì)時(shí)結(jié)束的標(biāo)志，從而觸發(fā)模式狀態(tài)機(jī)進(jìn)入下一個(gè)定時(shí)階段。脈沖循環(huán)控制模塊根據(jù)控制字寄存器和模式狀態(tài)機(jī)反饋的脈沖進(jìn)行邏輯判斷，產(chǎn)生模式狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移條件。相位控制器對(duì)來(lái)自DDS時(shí)鐘進(jìn)行分頻和循環(huán)計(jì)數(shù)并作為相位標(biāo)志，為射頻脈沖的發(fā)射提供不同相位時(shí)鐘參考。序列發(fā)生器則負(fù)責(zé)將脈沖發(fā)射的電平信號(hào)，調(diào)制成符合頻率、脈寬、相位要求的射頻脈沖。最后將該特定的射頻能量發(fā)射給天線，天線在射頻場(chǎng)與靜磁場(chǎng)的共同作用下產(chǎn)生核磁共振現(xiàn)象。

2.2 數(shù)據(jù)通訊設(shè)計(jì)

測(cè)井儀器內(nèi)部的通信方式有兩種，一種是1553b總線通信，一種是多通道緩沖McBsp總線通信。1553b總線是上位機(jī)與測(cè)井儀之間的通訊方式，是一種半雙工異步通訊總線，總線信號(hào)為曼徹斯特Manchester II型信號(hào)編碼。T_Bus接口電路主要是用來(lái)實(shí)現(xiàn)總線信號(hào)收/發(fā)以及總線設(shè)備供電兩大功能。通訊功能模塊與控制回波采集功能模塊之間的數(shù)據(jù)交互是通過(guò)兩者之間DSP的多通道緩沖串口模塊McBsp實(shí)現(xiàn)，F(xiàn)2812系列的DSP中的McBsp模塊不僅具有普通端口的作用，同時(shí)還在支持多通道發(fā)送和接收，從而實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)設(shè)備之間的全雙工通訊。

測(cè)井儀器典型工作流程如圖4所示，上位機(jī)通過(guò)1553b總線下發(fā)數(shù)據(jù)或命令，主控電路經(jīng)過(guò)FPGA解碼模塊解碼，通過(guò)McBsp下發(fā)給控制回波采集模塊，數(shù)據(jù)采集處理完成之后，上位機(jī)下發(fā)上傳數(shù)據(jù)命令，回波數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)FPGA編碼模塊編碼，通過(guò)1553b總線上傳給上位機(jī)，上位機(jī)在進(jìn)行下一步的算法處理。

3 儀器高溫測(cè)試

目前，該高溫核磁共振測(cè)井儀器已經(jīng)成功在南海某高溫井完成作業(yè)測(cè)試，圖5為其反映作業(yè)測(cè)井質(zhì)量的解釋成果圖之一，從第1道至第5道依次為測(cè)井深度、測(cè)井溫度TEMP、回波擬合CHI值、振鈴RING以及地層回波標(biāo)準(zhǔn)T2譜。由圖5可知，測(cè)井深度為x660m～x700m范圍內(nèi)，測(cè)井溫度約為170℃屬于高溫井范圍，其質(zhì)量控制參數(shù)回波擬合CHI值均在2附近（國(guó)外同類儀器要求CHI小于3即可）和振鈴均在4以內(nèi)（國(guó)外同類儀器要求振鈴小于50即可），該高溫核磁儀器在此高溫井中質(zhì)量監(jiān)控參數(shù)均在容限范圍內(nèi)，且反映本口井作業(yè)性能優(yōu)良。地層回波標(biāo)準(zhǔn)T2譜在泥巖、砂泥巖及純砂巖地層中形態(tài)符合相應(yīng)的地質(zhì)特性。

4 總結(jié)

本文針對(duì)常規(guī)核磁共振儀器主控電路不能滿足高溫測(cè)井要求的問題，設(shè)計(jì)一種最高工作溫度可達(dá)200度的低場(chǎng)核磁共振儀器主控電路，從微弱回波信號(hào)檢測(cè)處理、脈沖序列發(fā)生和井下數(shù)據(jù)通訊三方面進(jìn)行主要介紹。熱仿真、高溫測(cè)試實(shí)驗(yàn)以及儀器測(cè)井實(shí)驗(yàn)表明，該電路很好解決了低場(chǎng)核磁共振測(cè)井儀器中主控電路在高溫下連續(xù)工作的熱可靠問題，同時(shí)也為其它高溫測(cè)井儀器的電子電路設(shè)計(jì)提供了有益的參考。

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