核磁共振測井儀主控電路高溫化設計

陳敬智CHEN Jing-zhi；王光偉WANG Guang-wei；薛志波XUE Zhi-bo；趙迪ZHAO Di

（中海油田服務股份有限公司油田技術事業(yè)部，北京 101149）

1 研究背景

隨著我國陸地與近海常規(guī)油氣資源逐步枯竭，資源勘探開發(fā)的重點由近海走向深海，勘探開發(fā)活動越來越多地涉及到了高溫高壓的井底作業(yè)環(huán)境，對測井儀器及配套井下電子系統(tǒng)的耐溫性能要求越來越高，因此，高溫高壓井的探測正成為測井行業(yè)內新的挑戰(zhàn)。原有的從國外引進的測井設備耐溫、耐壓已經不能滿足目前勘探開發(fā)要求。受現(xiàn)有核磁測井技術水平發(fā)展及核磁測井的本身原理所局限，儀器測速無法提高，核磁共振測井儀入井后連續(xù)工作時間長（通常達8-10 個小時以上），現(xiàn)有的核磁共振測井儀因為器件和設計原因達不到更高的溫度性能，導致現(xiàn)有商業(yè)化儀器均無法滿足高溫高壓井核磁共振測井作業(yè)的需求。

隨著電子技術的飛速發(fā)展，出現(xiàn)了超高溫低功耗器件、厚膜電路、PSOC 等新技術，為實現(xiàn)核磁共振測井儀器的高溫化研制提供了有利條件；而核磁共振測井技術也正朝著提高儀器精度、測量速度和儀器耐溫性能等方向發(fā)展。為了適應更加復雜惡劣的井下環(huán)境，必須提高核磁共振測井儀的測量精度和耐溫性能。

2 國內外現(xiàn)狀

在過去的20 年中，核磁共振測井儀器研究和應用一直是石油測井領域的熱點和前沿領域，受到廣泛的關注，已經成為衡量一個公司甚至一個國家測井技術水平的標志。國外三大油服公司一直致力于核磁共振測井技術的研發(fā)，不斷提高其耐溫性能和測量精度。功耗高、測試慢一直困擾著核磁共振儀器在超高溫井中的應用，隨著核磁共振理論方法和電子技術的不斷發(fā)展，核磁共振測井儀器有了顯著的進步，目前國外三大油田服務公司均具有代表性的核磁共振測井儀器。商業(yè)化具有代表性的儀器有Schlumberger 公司推出的MR Scanner Expert 儀器（最大耐溫175℃），Baker Huges 公司推出的的MReX 儀器（最大耐溫204℃），及Halliburtor 公司推的出MRIL-P 型核磁儀器（最大耐溫177℃）。

近年以來，國內也進行了一些核磁共振測井技術的研究，中海油服油田技術研究院自主研制的核磁共振測井儀已成功應用于海內外，但受限于芯片耐溫等級，其最大儀器耐溫僅為150℃?？紤]到高溫芯片的價格極其昂貴，混合集成電路技術是一個不錯的解決方案，為了進一步提高現(xiàn)有的核磁儀器溫度性能，最關鍵的是將其主控電路實現(xiàn)高溫化。

3 主控電路高溫化設計

3.1 主控電路原理

主控電路相當于核磁共振測井儀的中樞神經，其主要功能是對上和對下的通訊以及輔助采集參數(shù)。它將地面軟件和儀器的功能模塊電路以總線的形式連接，實現(xiàn)命令和數(shù)據的交互。在儀器測井工作時，同樣需要主控板對事件控制板下發(fā)所需的信息指令，包括時序信息，儀器參數(shù)等。此外，主控板還會將采集到的輔助參數(shù)信息和采集處理電路獲得的回波信息上傳給地面軟件系統(tǒng)。該電路包含了通訊模塊，輔助參數(shù)測量模塊、板間通訊模塊、對地面系統(tǒng)通訊模塊等[3]。

3.2 SIP 以及MCM 技術

SiP 技術是使用半導體來創(chuàng)建包含多個IC 和無源元件的集成封裝，從而創(chuàng)建緊湊且高性能的設備。MCM 技術是一種多芯片組件技術，它是將一塊多層互連基板對裸芯片和其他元器件進行封裝，用高度集成化的方式來制作高密度和高可靠性的微電子組件[4]?；旌霞呻娐芳夹g可利用薄膜混合集成、厚膜混合集成、低溫共燒多層陶瓷基板（LTCC）、多芯片組裝及系統(tǒng)集成技術等多個方面的優(yōu)勢，為高精端產品研發(fā)奠定可靠的基礎。

3.3 高溫化設計內容

為了滿足在200℃以上高溫環(huán)境下工作的要求，對主控電路引入多芯片組件（MCM）及系統(tǒng)級封裝（SiP）等高級混合集成技術，并將主控SiP 模塊按功能分為多個模塊[5]，DSP 及存儲器、FPGA 及配置電路、接口與驅動電路等，用于井上、井下通訊和控制。其原理設計框如圖1 所示。

圖1 主控SIP 模塊原理設計框圖

主控SiP 模塊以DSP 為控制核心，具有以下特點：①主處理器采用TMS320F2812—HT，耐溫210℃，工作頻率30MHz；②SRAM 存儲容量達8Mbit；③FPGA 規(guī)模100萬門，可實現(xiàn)曼碼通訊，用于地面調試（等效于ACTEL A3P1000）；④內置PROM 容量4Mbit；⑤2 路CAN 總線接口，最高碼速率為1Mbps，兼容高溫電纜測井儀器平臺；⑥集成McBSP 接口驅動，兼容目前電纜測井儀器內部總線；⑦集成SPI 接口驅動，作為儀器內部總線；⑧擴展接口可用于控制溫度與電壓采集MCM 模塊；⑨電源轉換等功耗較大器件，不集成到SiP 中，防止器件局部發(fā)熱影響高溫穩(wěn)定性；⑩晶振、復位電路不集成，保證模塊的通用性能。

3.3.1 DSP 及擴展數(shù)據存儲器

DSP 選用的是TI 公司的TMS320F2812—HT，實際耐溫高達210℃，外部時鐘30MHz。這款32 位的信號處理器支持多種運行模式，具有低功耗高信噪比的特點，其運行支持最高可達128kSPS 的位速率。并且內部資源非常豐富，包含256KB Flash 存儲器，8KB 引導ROM，2KB OTP ROM 以及數(shù)字運算表等，另外還包括1 路CAN 接口，1 路McBSP，1 路SPI 接口，提高了系統(tǒng)集成密度?？紤]到DSP的資源還包括外部接口XINTF，為了讓模塊有足夠的數(shù)據運算空間，外部增加了2 片三星公司的4Mbit SRAM 存儲器，可通過XINTF 接口訪問。

3.3.2 FPGA 及配置存儲器

目前，國產SRAM 型FPGA 在高溫下電流增加較多，可靠性相對較差，為了防止FPGA 失效導致系統(tǒng)故障，在系統(tǒng)設計時弱化了FPGA 的功能，并且FPGA 與DSP 之間的接口通過LC164245 進行隔離，通過關閉FPGA 電源，可以實現(xiàn)FPGA 冷備份，在井下高溫環(huán)境中不再使用。通過對曼碼通信協(xié)議及代碼分析，30 萬門以上的FPGA 可以滿足相應功能的要求。因此FPGA 選擇ACTEL A3P1000 型。

3.3.3 與事件采集電路的接口設計

主控電路和事件采集電路之間的通信是通過DSP 的McBSP 模塊完成，它是一種多通道緩沖串行口，時鐘頻率可達1Mhz。兩者之間數(shù)據交互需要驅動芯片，這里選用TI公司的SN54HC244，功能夠用，性價比高。另外根據信號傳輸?shù)奶匦钥芍?，長距離傳輸會導致時鐘和信號的畸變，需要在驅動電路中增加一個電阻來平滑信號反射帶來的影響，根據實際效果確定以1～2K 為宜。

3.3.4 參數(shù)采集MCM 模塊的接口設計

溫度與電壓采集MCM 模塊是實現(xiàn)電壓監(jiān)測，溫度采集，輔助參量采集以及模數(shù)轉換等功能[6]，它可對高溫核磁共振測井儀狀態(tài)進行監(jiān)控和校正，設計一個16 路數(shù)據采集模塊，采樣頻率10Hz，集成4 路恒流源和16 選1 選擇器、16 位AD 轉換器，實現(xiàn)儲能高壓檢測和溫度等輔助參量采集，由主控SiP 模塊將地面發(fā)送的采集命令轉發(fā)給溫度電壓采集模塊，控制采集開關的通斷來采集數(shù)據。

控制溫度電壓采集MCM 模塊可以利用DSP 的GPIO，也可以利用DSP 的外部接口XINTF。本設計采用GPIO 控制溫度電壓采集MCM 模塊，DB[15：0]為采集模塊數(shù)據端口，AD_CHEN 是使能，CNSTA～CNSTD 為采樣通道選擇，CTRL_SW1/2 是控制恒流源開關，可以關閉恒流源降低模塊功耗。

3.3.5 EDIB 接口設計

EDIB 總線接口是主控電路中的一個標準接口，它以DSP+FPGA 為架構，外部配置有收發(fā)器，另外需要耦合變壓器對接地面系統(tǒng)。DSP 是整個接口的控制核心，它將FPGA 當做外設，編解碼等繁瑣工作主要在FPGA 內部執(zhí)行，F(xiàn)PGA 可以利用其地址編解碼的功能識別到該儀器的不同命令，同時還可以屏蔽其他無效的命令。具體表現(xiàn)為編碼模塊將FPGA 輸出的信號通過邏輯電平變換傳輸給地面，而解碼模塊是將地面系統(tǒng)傳輸過來的雙端信號變換成單端信號，最后進入FPGA 處理，這兩個過程中變壓器是對EDIB 接口和FPGA 之間進行隔離，起到保護作用[7]。EDIB 接口的控制部分由FPGA 實現(xiàn)，驅動部分包括變壓器等器件不在模塊內部集成。

3.3.6 SPI 接口設計

串行外圍設備接口SPI 是一種同步串行總線，支持3線和4 線兩種工作方式，它是一種高速全雙工且同步的通信總線，芯片管腳只需四根線，設計SIP 模塊時可以為PCB 的布局節(jié)省空間。它還支持在同一總線上連接多個主器件和從器件，主從器件均可使用，符合設計需求。從動傳送使能信號SPISTEA 可以被配置為輸入以擇選從方式下的SPI，或在多主環(huán)境中禁止主器件方式操作，以避免兩個以上主器件試圖同時進行數(shù)據傳輸時產生沖突。SPISTEA 還可以被配置為主方式下的片選輸出，或在3 線操作時被禁止。在主方式中可以用通用端口I/O 引腳選擇多個從器件。另外，DSP 的SPI 接口通過MCP2515 擴展了一路CAN 接口，還通過SN54HC244 驅動引出，可以作為內部總線使用。

3.3.7 CAN 接口設計

模塊具有2 路CAN 接口與驅動，其中1 路利用DSP中的CAN 控制器，另外1 路利用DSP 中的SPI 接口和MCP2515 芯片進行擴展。MCP2515 與DSP 的串行外設接口（SPI）直接相連，支持0，0 和1，1 運行模式。外部數(shù)據和命令通過SI 引腳傳送到器件中，且數(shù)據在SCK 時鐘信號的上升沿傳送進去。MCP2515 在SCK 的下降沿通過SO 引腳傳送出去。

3.3.8 差分驅動接口設計

為了提高信號傳輸正確性，主控電路中電流采集和電壓采集的數(shù)據以差分信號傳輸為宜。選用DS26C31 芯片可將GPIO 輸出的單端開關量轉換為差分信號，且需要提供1 路5V 電源。

3.3.9 模塊成品設計

根據主控電路原理，使用SiP 技術設計形成一款尺寸為45mm*45mm，引腳數(shù)為168 的陶瓷管殼封裝模塊，命名為LSGCU01HT，該模塊是用陶瓷共燒技術將芯片的裸晶圓共燒在一塊陶瓷基板上[8]，其表面焊接有SM320F2812-HT 和A3P1000 等12 種芯片的裸晶圓，以及多種0805 封裝的電阻電容。實物圖如圖2 所示。

圖2 高溫SIP 系統(tǒng)級封裝實物

3.4 高溫實驗

完成主控SIP 模塊的設計和加工后，將其安裝在測試裸板上，焊接電源和信號引出線，對其高溫性能進行摸底測試，利用定時器設置固定時間10us，頻率為500kHz 觸發(fā)產生曼碼往上發(fā)送，并同時對IO 口產生方波信號，實驗方案結構框圖如圖3 所示，圖中設立了3 個不同的監(jiān)測點位。①方波測試點：DSP 利用定時器固定事件產生方波，如果該測試點輸出不正常，則可斷定DSP 工作異常。②曼碼測試點1：是指DSP 下發(fā)數(shù)據給FPGA，F(xiàn)PGA 進行編碼發(fā)出去，在FPGA 的IO 檢測曼碼是否從FPGA 中發(fā)出來。③曼碼測試點2：是檢測經過變壓器的曼碼，看曼碼從主控板上發(fā)出去，主控板中有三路曼碼信號，測試的時候任選一組作為測試點。

圖3 主控SIP 模塊實驗模型

將該模塊總共工作11 個小時，溫度從常溫25℃上升到205℃，并且在205℃正常工作6 小時，其電源變化均在合理范圍之內變化，未出現(xiàn)過流現(xiàn)象。（表1）

表1 不同溫度下模塊供電電壓電流變化情況

4 總結

主控電路是高溫核磁儀器中的核心功能模塊，它采用耐高溫混合集成工藝將電路中的數(shù)字控制邏輯電路以及驅動電路封裝在一個模塊內，最高可在205℃的環(huán)境溫度下工作，實現(xiàn)了高溫化的跨越，并且電路接口性能兼容高溫電纜測井平臺的規(guī)格和通信接口要求，可以在其他高溫電纜測井儀器中使用。這種方式將為更多的石油測井類儀器提供高溫化參考，以此作為突破口，將對高溫油氣田的勘探起到極大的促進作用。