基于FPGA的微電阻率掃描成像測井儀極板檢測裝置設計

何小英， 谷鵬羊， 吳愛平， 唐和佳

(1. 長江大學電子信息學院，湖北 荊州 434000; 2. 長江大學 電工電子國家級實驗教學示范中心，湖北 荊州 434000;3. 中國石油集團測井有限公司物資裝備公司，陜西 西安 710000)

0 引 言

微電阻率掃描成像測井儀（micro-conductivity imaging, MCI），是主要用于測量地層非均質特性的一種電阻率測井儀器，在裂縫檢測、薄層識別、沉積構造識別等方面已取得一定成果，目前MCI儀器已成為探井、深探井、超深探井測井的利器[1-4]。MCI儀器主要通過極板多個電扣測量井壁地層電阻率實現(xiàn)成像，因此極板性能直接影響儀器成像的質量。然而，在儀器出廠檢測和現(xiàn)場推廣維修時，往往因儀器較重、操作維修無法同時進行等原因導致出廠檢測效率低下、現(xiàn)場維修人員占用率高等問題。目前，國內極板測試裝置的發(fā)展取得了一定的成果。早期主要依靠儀器本身的機械結構進行測試，后來發(fā)展到使用一種模擬盒裝置進行極板測試，但存在易損壞、檢測繁瑣等問題[5-6]。再后來，國內相關企業(yè)設計了一種極板檢測裝置，但該裝置僅檢測幅度信息用于評判極板功能，不能充分反映極板功能狀態(tài)。因此，設計一種準確、高效、快捷的極板檢測裝置，具有較好的工程應用價值。

本文針對微電阻率掃描成像測井儀極板出廠檢測及現(xiàn)場維修存在的問題，提出了一種檢測方案，主要特點在于：該方案選用以FPGA為核心的純硬件電路，使用FFT算法分析極板輸出信號的頻率和幅度，采用頻率—幅度雙參數(shù)評判法確定極板功能正常與否，較好地實現(xiàn)了極板功能的準確、快速檢測。

1 設計方案

1.1 極板簡介

微電阻率成像測井儀由專用短節(jié)、采集短節(jié)、預處理短節(jié)以及液壓推靠器短節(jié)構成。其中液壓推靠器短節(jié)裝有6個極板，每個極板有24個電扣，共144個電扣。測井時，采集短節(jié)中的EMEX振蕩電路產生近似正弦波的電壓信號，此電壓經變壓器后加到地層上；極板電扣與井壁接觸，直接采集地層的電流[7-9]。

極板主要完成24通道電扣信號的放大及時序控制功能。極板的輸入信號包括±5V電源、極板復位信號（jb_rst）、極板時鐘信號（jb_clk）、24 通道電扣信號，輸出信號為單通道的模擬信號（sig_out）。極板工作時序見圖1，jb_rst信號到來后，第1個jb_clk信號的下降沿輸出的sig_out信號為第1個電扣信號放大2萬倍的模擬信號，第2個jb_clk信號的下降沿輸出的sig_out信號為第2個電扣信號放大2萬倍的模擬信號，直到輸出第24個電扣信號放大2萬倍的模擬信號。由于地層的各向異性，sig_out信號在每個jb_clk信號的下降沿后的幅度不同。

圖1 極板工作時序圖

1.2 總體方案

根據(jù)極板功能及工作時序可知，要實現(xiàn)對極板的檢測，首先需給極板提供±5 V電源，產生極板復位信號和極板時鐘信號，模擬極板24通道電流信號輸入；其次，需采集經極板放大后的輸出信號，對采集的信號做進一步分析，判斷極板功能是否正常。行業(yè)內對于極板輸出信號的分析方法一般采用幅度評判法，該方法不能反映極板輸入輸出信號的頻率一致性，因此采用頻率—幅度雙參數(shù)評判法，更能充分反映極板功能是否正常。針對頻率檢測，常規(guī)采用計數(shù)法，該方法硬件電路復雜，僅能分析單一頻率信號；針對幅度檢測，常規(guī)采用峰值檢測法，該方法僅針對單一頻率信號，而采用FFT算法能全面獲取信號的頻率、幅度、相位信息。因此，本文使用FFT算法分析極板輸出信號的頻率和幅度。

基于此，本文提出了微電阻率掃描成像測井儀極板檢測裝置的總體設計方案。該檢測裝置主要由電源模塊、FPGA控制電路、LED指示電路、模擬信號產生電路和極板信號采集電路組成，設計框圖如圖2所示。

圖2 總體設計框圖

電源模塊由12 V鋰電池組和電源轉換電路組成。鋰電池組輸出的12 V電源，通過LDO穩(wěn)壓芯片轉換為±5 V電源，并輸出到極板。檢測裝置上電后，F(xiàn)PGA產生jb_clk信號和jb_rst信號，經TTL驅動電路輸出到極板。同時，F(xiàn)PGA控制DAC芯片產生10 kHz正弦信號，經電壓跟隨電路、加法電路、限流電阻網絡后，形成24路正弦電流信號，并輸出到極板。極板將24路正弦電流信號進行2萬倍放大，在jb_clk和jb_rst的時序控制下，以時分復用方式，通過單通道輸出放大后的24路正弦信號。檢測裝置接收極板的輸出信號，經減法電路、反向比例放大電路、RC低通濾波后，采用ADC芯片完成信號的數(shù)字化。FPGA使用FFT算法分析數(shù)字化后的信號的頻率和幅度特點，采用頻率—幅度雙參數(shù)評判法，判別極板的功能是否正常，并通過LED燈指示檢測結果。

2 硬件電路設計

2.1 FPGA控制電路

FPGA控制電路采用Altera公司型號EP4CE22E22C8N作為該檢測裝置的控制器，該器件包含22 320個邏輯單元，80個用戶I/O，132個嵌入式乘法單元，片內RAM高達74 kB，滿足本檢測裝置的需求。FPGA控制電路主要完成時序（jb_clk、jb_rst）輸出、ADC控制、DAC控制、FFT算法和極板功能評判與指示功能。

2.2 模擬信號產生電路

模擬信號產生電路由DAC轉換器、電壓跟隨器、加法器和限流電阻組成，電路原理圖如圖3所示。

圖3 模擬信號產生電路原理圖

DAC轉換器選用TI公司12位電流輸出型數(shù)模轉換器DAC7811IDGS。該轉換器采用3.3 V單電源供電，參考電壓為2.048 V。FPGA控制DAC7811IDGS產生10 kHz正弦信號，經跟隨器及加法器調理后，輸出雙極性的正弦信號，輸出信號的數(shù)學表達式為

式中：Uo——運放輸出引腳7腳電壓值；

Uref——參考電壓；

f——正弦信號頻率，f=10 kHz。

輸出的雙極性正弦信號經過限流電阻后，轉換為正弦電流信號，其數(shù)學表達式為：

式中：Io——輸出電流值；

RI——限流電阻阻值。

極板檢測裝置共輸出24路正弦電流信號，通過選取不同阻值的電阻，以模擬不同地層流入極板電扣的電流信號。該檢測裝置采用5種電流值模擬經過地層的電流，其通道、限流電阻RI與輸出電流關系如表1所示。

表1 通道、RI阻值與輸出電流關系

2.3 極板信號采集電路

極板信號采集電路由減法電路、比例放大、RC濾波電路以及ADC轉換器組成，電路原理圖如圖4所示。使用TI公司的OPA2156IDR集成運放，實現(xiàn)極板輸出的模擬信號的調理。經濾波放大調理后的輸出ADC_IN與電路輸入IN的關系如下：路的輸出信號UADC_o的關系如下：

圖4 極板信號采集電路原理圖

式中：UADC_o——輸入到模數(shù)轉換器的電壓；

UADC_i——檢測裝置的輸入電壓；

A——采集電路的增益，A=1.5。

放大及濾波電路將輸入信號放大1.5倍，并疊加了1.024 V的直流電平。在進行極板電扣信號的檢測時，由于待檢測的極板電扣信號頻率為10 kHz，根據(jù)奈奎斯特采樣定律，數(shù)字化時，采樣頻率至少為20 kHz。為了更準確檢測并判斷24個電扣信號通道的好壞，實際采用512 kHz的采樣頻率?；诖耍珹DC芯片選用ADI公司的LTC2368-16模數(shù)轉換器，該器件是一款低噪聲、低功率、1 MHz采樣率的16位逐次逼近型模數(shù)轉換器。LTC2368-16模數(shù)轉換器采用2.5 V單電源供電，參考電壓為2.048 V。模數(shù)轉換器輸出的數(shù)字量DATAADC與濾波放大電

其中，N為模數(shù)轉換器位數(shù)，N=16。將式（3）代入式（4），有：

3 軟件設計

FPGA邏輯控制單元主要完成時序產生和檢測評判功能。系統(tǒng)采用模塊化設計方法實現(xiàn)各部分功能，包括時鐘復位（Rst_Clk）模塊、正弦信號產生（Sin_10 kHz）模塊和檢測（Detection）模塊，設計框圖如圖5所示。時序產生涵蓋以上3個模塊，提供極板的工作時序以及控制ADC轉換時序；檢測評判功能的實現(xiàn)由Detection模塊完成，采用FFT算法及頻率—幅度雙參數(shù)評判法高效準確檢測極板24通道好壞。

圖5 FPGA軟件設計框圖

3.1 時序產生

FPGA時序產生主要包括Rst_Clk模塊以及Sin_10 kHz模塊。

Rst_Clk模塊的輸出信號既作為控制極板工作的時序，也作為檢測裝置啟動AD采集、處理和評判的控制時序。其輸入信號為50 MHz時鐘，輸出信號為極板時鐘信號和極板復位信號，一個復位信號下對應24個極板時鐘，時序圖如圖1所示。Rst_Clk模塊的輸出均采用計數(shù)器實現(xiàn)。

Sin_10 kHz模塊采用查表法實現(xiàn)10 kHz正弦信號的產生。該模塊包括SIN_ROM子模塊、SIN_CTL子模塊和DAC7811子模塊，如圖5所示。SIN_ROM子模塊為512字節(jié)的ROM，保存正弦數(shù)據(jù)。SIN_CTL子模塊采用查表法讀取SIN_ROM子模塊中保存的正弦數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)傳輸給DAC7811子模塊，并產生啟動數(shù)模轉換的使能信號SIN_en。DAC7811子模塊接收SIN_en信號和SIN_data信號后，通過SPI總線（SIN_SCLK信號、SIN_SDIN信號和SIN_SYNC信號）控制DAC7811數(shù)模轉換器，完成10 kHz正弦波信號的產生。

3.2 檢測評判

為實現(xiàn)極板輸出信號的有效檢測，設計Detection模塊完成模數(shù)轉換器的時序控制、數(shù)據(jù)處理及評判。

檢測時，采用模數(shù)轉換器及FFT算法獲取極板輸出信號的頻譜特性。如圖5所示，進行模數(shù)轉換時，ADC_CTL子模塊在jb_clk下降沿時產生256個脈沖信號，脈沖頻率512 kHz，該脈沖信號即為模數(shù)轉換使能信號ADC_EN。LTC2368_16bit子模塊接收到該脈沖信號后，控制LTC2368完成一次模數(shù)轉換。同時，F(xiàn)FT_CTL子模塊在jb_clk的下降沿，將ADC采集到的數(shù)據(jù)打包為Avalon_ST總線形式輸出到FFT子模塊。FFT子模塊采用 IP-FFT V13.0實現(xiàn) FFT算法，根據(jù)數(shù)據(jù)特點相關參數(shù)設置為：變換長度選擇256點，數(shù)據(jù)精度選擇16位，旋轉因子精度選擇16位，選擇數(shù)據(jù)流形式，復數(shù)乘法器結構由3個乘法器、5個加法器完成[10-15]。FFT子模塊的輸出信號為實部、虛部和縮放因子。Calculate_Judge子模塊使用三級流水線計算信號幅度，第一級實部和虛部乘以縮放因子；第二級計算實部和虛部平方和；第三級完成開方計算，并將計算結果除以256/2。三級流水線計算結束后，得到信號幅度。通過查找幅度最大值方法，保存幅度最大值和最大值對應的頻率點。

評判時，采用頻率—幅度雙參數(shù)評判法，當頻率和幅度均正常時判定通道功能正常；否則判定通道功能不正常，并將判定結果通過LED燈亮滅指示。針對頻率的評判，將頻率點與預設值10 kHz比較，判別正常與否；針對幅度的評判，采用雙閾值分析法，其中幅度的上閾值和下閾值是根據(jù)采用的5種限流電阻阻值、極板放大倍數(shù)以及極板信號采集電路理論推導得出。當幅度在雙閾值范圍內，判定為正常；當幅度超出雙閾值范圍，則判定為不正常。

4 測試結果與分析

檢測裝置實物圖如圖6所示。

圖6 檢測裝置實物

頻率幅度檢測：函數(shù)信號發(fā)生器輸出頻率為10 kHz，幅度0.45 V的正弦波信號，極板檢測裝置以512 kHz采樣率、256點采集該正弦波信號，通過Quartus II開發(fā)軟件中的SignalTap在線分析工具獲取采集的數(shù)據(jù)，再將采集的數(shù)據(jù)使用Matlab軟件繪圖，得到的原始信號波形如圖7所示。將采集的正弦波數(shù)據(jù)在Matlab軟件中做FFT分析得到如圖8所示的頻譜圖。由頻譜圖及采集調理電路特性可知，信號特征頻率為10 kHz，幅度為0.448 V。信號特征與函數(shù)信號發(fā)生器輸出信號相吻合。

圖7 原始信號

圖8 頻譜圖

將極板檢測裝置通過專用連接器與極板相連，使用示波器監(jiān)測極板輸出的電壓值。上電后通過SignalTap工具在線調試，獲取FPGA片內FFT處理結果，從中查找最大幅值以及最大幅值對應的頻率，并計算出電壓相對誤差，如表2所示。由表可知，極板檢測裝置頻率檢測準確，電壓檢測相對誤差小于2%，檢測精度較高。

表2 FFT檢測結果（頻率和電壓）

將極板檢測裝置通過專用連接器與極板相連，并將通道4的連線接地，測試檢測結果指示功能，結果如表3所示。表中僅列出1～5通道的測試結

表3 指示功能測試結果

5 結束語

本文根據(jù)微電阻率掃描成像測井儀極板工作特點，設計實現(xiàn)了一種極板檢測裝置。該裝置結合了國內極板電扣刻度裝置檢測原理，使用不同阻值電阻模擬不同電阻率的地層；相對于國內極板檢測裝置采用的單一幅度評判法，本文采用了頻率—幅度雙參數(shù)評判法，并采用FFT算法進行分析，更全面、準確地反映了極板的功能正常與否。同時，該檢測裝置操作時，僅需要將其連接器與極板相連，上電后即可根據(jù)LED燈亮滅狀態(tài)觀察檢測結果。該檢測裝置使用鋰電池供電，便于攜帶。因此，該檢測裝置可靠性高、操作簡單、攜帶方便，可應用于極板出廠時的高效檢測以及儀器損壞時的現(xiàn)場檢修。