??? 摘? 要: 一種用于偶極子聲波測井儀" title="測井儀">測井儀的四通道高精度數(shù)據(jù)采集" title="數(shù)據(jù)采集">數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),該系統(tǒng)具有16位分辨率、100ksps的最高轉(zhuǎn)換速度。復雜可編程邏輯器件CPLD實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集速率和采集數(shù)據(jù)量的程控選擇功能，并控制FIFO的波形數(shù)據(jù)緩存。在單片機的控制下進行采集速率和采集數(shù)據(jù)量設置及四個通道波形采集和數(shù)據(jù)處理的并行執(zhí)行。整個電路控制靈活、結構緊湊、體積小,適合井下" title="井下">井下使用。
??? 關鍵詞: 數(shù)據(jù)采集? 模/數(shù)轉(zhuǎn)換器? 復雜可編程邏輯器件? FIFO存儲器? 聲波測井儀? 自動化與儀器儀表
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??? 20世紀90年代以來,國外測井公司陸續(xù)開發(fā)研制了以DSI(Schlumberger，1990)、MAC(Western Atlas， 1992)和LFD(Halliburton，1994)為代表的新一代多極陣列聲波測井儀器,這類測井儀具有其它聲波測井儀器不可替代的強大功能。它可在軟、硬地層中測量充液井孔中的縱波、橫波和斯通利波的波速,可以記錄反射的斯通利波和反射縱波。這些波形數(shù)據(jù)中包含大量有應用價值的地質(zhì)信息,如橫波和反射的斯通利波信息可以評價低角度裂縫;反射的縱波可對井周近10米范圍內(nèi)的地質(zhì)結構進行成像;交叉偶極資料可用于地層各向異性的評價。近幾年來,我國斥巨資直接請斯侖貝謝測井公司服務,并引進了幾十套包括MAC在內(nèi)的ECLIPS2000系統(tǒng)。借鑒國外在聲波測井儀器研制方面的成功技術,開發(fā)新一代偶極聲波測井儀器是提高我國測井裝備水平的重要途徑。?
??? 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)" title="數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)">數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是決定偶極子聲波測井儀能否取得合格數(shù)據(jù)的關鍵部分之一,對整個儀器系統(tǒng)的性能有重大影響。聲波信號的頻率及數(shù)據(jù)處理對數(shù)據(jù)精度、動態(tài)范圍的要求是決定數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計的主要因素。為了適應廣泛的地層條件和保證數(shù)據(jù)能進行高精度數(shù)值計算(如聲速衰減等),要求該儀器系統(tǒng)有大的動態(tài)范圍和高分辨率的測量,并適合井下高溫、高壓工作環(huán)境。?
1 系統(tǒng)設計?
??? 根據(jù)交叉偶極測量的聲系設計要求,采用四組接收換能器,通過四組數(shù)據(jù)采集通道完成多道數(shù)據(jù)同時采集的任務。為了使各通道具有較好的一致性,并滿足系統(tǒng)擴展需要,把采集系統(tǒng)分為四個功能完全相同的獨立的數(shù)據(jù)采集通道。每個采集通道主要由ADC、采集通道邏輯控制單元、存儲器等幾部分構成。它們的位置可以互換,并通過一個井下控制微處理機MPU統(tǒng)一控制。?
??? 偶極子聲波測井儀接收信號的最高頻率是14kHz左右的聲波信號(偶極子發(fā)射換能器為 500Hz～4kHz,單極子發(fā)射換能器為2kHz～14kHz),根據(jù)Nyquist定律,ADC的采樣頻率最少是28kHz。為保證對采集波形的頻域分析,本系統(tǒng)使用最高采樣頻率為100kHz的ADC。當偶極模式工作時,聲波的頻率上限只有4kHz左右,可采用較低的采集速率。利用外部時鐘進行模/數(shù)轉(zhuǎn)換的ADC可通過控制采集時鐘的頻率來控制采集速率。由于要進行如聲速衰減等的計算,對數(shù)據(jù)的采集精度和動態(tài)范圍要求較高,采用16位ADC和1000倍程控前置放大器,使系統(tǒng)具有150dB以上的動態(tài)范圍,可以滿足設計要求。ADC采用ADI公司的AD676TD,它具有片內(nèi)采樣保持功能,輸入量程由參考電壓決定,最大為±10V。AD676采用電容陣列和電荷重新分配的技術取代傳統(tǒng)的對薄膜電阻陣列進行激光修整方法,消除了由溫度變化導致電阻值不匹配帶來的線性誤差;用片內(nèi)微處理器和刻度DAC測量并補償電容失配誤差,利用刻度電容失配誤差修正采集結果,使測量精度達到了較高水平。?
??? 采集通道控制器有多種方案實現(xiàn)。傳統(tǒng)的中小規(guī)模數(shù)字電路功耗大、體積大,而且走線太多，給印刷板的布線帶來困難,不是一種好方案。由于是多通道并行高速采集,且數(shù)據(jù)間隔的精度直接影響到對數(shù)據(jù)的分析精度,因而一般微控制器難以滿足要求。而大規(guī)模復雜可編程邏輯器件CPLD具有集成度高、速度快(通常比單片機用軟件控制至少提高兩個數(shù)量級以上)的優(yōu)點,并能通過重新編程來修改和增強系統(tǒng)的功能,不必重新設計印刷板,是優(yōu)選的方案。本設計選用Lattice公司的ispLSI1k系列的低端器件ispLSI1016E,可滿足系統(tǒng)控制功能。?
??? 高速數(shù)據(jù)緩存采用IDT公司的8K字節(jié)FIFO存儲器IDT7205。FIFO存儲器有兩個數(shù)據(jù)端口,寫入端口接采集端,讀出端口接MPU端,內(nèi)部地址計數(shù)器根據(jù)寫入數(shù)據(jù)的次序有序地將數(shù)據(jù)寫入相應的RAM單元中,讀出數(shù)據(jù)時按數(shù)據(jù)存入的先后依次取出。?
??? 如上述,本設計以AD676、ispLSI1016、IDT7205為主構成優(yōu)化的數(shù)據(jù)采集通道。選用87C51作為井下控制單片機MPU,控制四個采集通道進行并行數(shù)據(jù)采集,并完成單、偶極控制發(fā)射及信號接收處理等其它功能。?
2 系統(tǒng)構成?
2.1 硬件部分?
??? 整個井下聲波采集系統(tǒng)由四個完全獨立、功能相同、可以互換的數(shù)據(jù)采集通道及控制各個通道工作的井下單片機87C51(MPU)構成,如圖1所示。MPU通過外部GAL譯碼電路產(chǎn)生采集通道控制信號,將采集通道的數(shù)據(jù)讀入單片機外部RAM,并加上一些輔助信息后,由遙測電路上傳給地面系統(tǒng)。?
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??? 數(shù)據(jù)采集通道原理如圖2所示。每一路數(shù)據(jù)采集通道主要由模擬開關、放大器、高精度ADC AD676、采集通道控制器ispLSI1016、FIFO數(shù)據(jù)緩存器IDT7205、光耦等構成。?
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??? 二選一模擬開關DG419具有高精度、低導通電阻、快速導通截止等優(yōu)點,在采集通道控制器控制下切換聲波模擬信號。放大器采用高性能運放AD845，以放大和緩沖來自模擬開關的模擬聲波信號。高精度模/數(shù)轉(zhuǎn)換器AD676在采集通道控制器的控制下,對聲波信號進行數(shù)據(jù)采集。由于采用高速大容量FIFO及其采集通道控制器,可以保證在不占用MPU系統(tǒng)資源情況下,完成對多道信號的精確等間隔序列采樣,保證了聲波數(shù)據(jù)的質(zhì)量。?
??? 采集通道控制器ispLSI1016是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的關鍵部件,主要作用是根據(jù)MPU預先設置的命令來控制由MPU啟動的數(shù)據(jù)采集過程。它由控制命令寄存器組" title="寄存器組">寄存器組、八路2:1MUX、FIFO控制器、采集深度可控計數(shù)器、可控分頻器、ADC采集時序控制器等部分組成。數(shù)據(jù)采集速率及采集數(shù)據(jù)量(即采集深度)、ADC時序控制及接口、FIFO的數(shù)據(jù)分解及寫入控制等均由該控制器完成,其內(nèi)部邏輯結構如圖3所示。控制命令寄存器組用來寄存來自MPU的命令,并根據(jù)MPU的命令設置可控分頻器、采集深度可控計數(shù)器,選擇要采集的模擬通道,啟動采集深度可控計數(shù)器。可控分頻器利用ADC的狀態(tài),并根據(jù)控制命令寄存器組的命令,對時鐘進行分頻,ADC中狀態(tài)控制其是否對時鐘進行分頻,控制命令寄存器組中寄存的命令決定分頻的頻率。不同的采集速率有不同的分頻頻率,共有4種數(shù)據(jù)采集速率(10、20、40、80μs/點)。采集深度可控計數(shù)器根據(jù)控制命令寄存器組的啟動命令,利用來自可控分頻器的時鐘進行計數(shù),并在計數(shù)過程中產(chǎn)生允許FIFO控制器和ADC采集時序控制器工作的信號,當計到指定的采集深度(256、512、1024、2048字,16位/字)后,停止采集,直到下一次采集命令再重新開始采集深度計數(shù)。ADC采集時序控制器利用可控分頻器時鐘,在采集深度可控計數(shù)器允許其工作的過程中產(chǎn)生用來控制ADC工作的采集、刻度和時鐘信號。八路2:1MUX用于選擇16位的采集數(shù)據(jù)的高8位或低8位數(shù)據(jù)。FIFO控制器在每一次信號采集中產(chǎn)生兩次八路2:1MUX的選擇和FIFO寫信號,把16位的采集數(shù)據(jù)分兩次寫入8位FIFO,以利于與8位MPU接口。由MPU發(fā)出的“開始采集”命令可通過對寫命令線的控制使所有通道控制器同時得到,保證了多通道并行采集的時間同步。?
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2.2 軟件部分?
??? 系統(tǒng)的四個采集通道在單片機MPU的控制下完成數(shù)據(jù)采集,而MPU本身通過遙測電路接收來自地面系統(tǒng)的指令。上電后,MPU都要先對采集通道進行刻度,即送刻度命令到每一個采集通道控制器,然后由采集通道控制器給AD676發(fā)出刻度信號和時鐘信號,使AD676完成刻度,并利用刻度結果修正采集數(shù)據(jù)。刻度也可以由地面系統(tǒng)發(fā)命令給MPU來完成。刻度之后,當MPU接到地面系統(tǒng)的采集命令時,便根據(jù)命令選擇采集通道采集信號,設置采集速率和采集數(shù)據(jù)量。完成設置后,MPU同時啟動所有通道的采集,采集通道控制器連續(xù)產(chǎn)生ADC控制信號,同時把上次采集數(shù)據(jù)由16位變?yōu)?位存入FIFO,直至完成指定數(shù)據(jù)量。MPU從各個采集通道讀走數(shù)據(jù)并送入遙測電路,傳送給地面系統(tǒng)處理,然后MPU等待新的地面命令的到來,準備下一次數(shù)據(jù)采集。圖4是MPU控制軟件的流程框圖。?
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??? 采用的高性能16位ADC,用CPLD作采集通道實時控制,使用FIFO作數(shù)據(jù)緩存,在單片機87C51的控制下組成了四通道聲波波形并行采集系統(tǒng),可以達到以下技術指標:?
??? (1)采樣分辨率:16位;?
??? (2)采集速率:10、20、40、80μs，可選;?
??? (3)采集深度:256、512、1024、2048字，可選。?
??? 采用CPLD及FIFO存儲器可以減小印刷板的面積,降低布線難度,提高電路的可靠性,特別適合井下使用。數(shù)據(jù)采集通道相對獨立,容易擴展為八個,甚至更多的通道。?
參考文獻?
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2 周明德.微型計算機硬件軟件及其應用. 北京:清華大學出版社，1993?
3 周佩玲，吾耿鋒，萬炳奎.16位微型計算機原理·接口及其應用. 合肥:中國科技大學出版社，1997?
4 ADI公司.AD676 data sheet?
5 孫涵芳,徐愛卿. MCS-51/96系列單片機原理及應用.北京:北京航空航天大學出版社,1996