基于快速平台侧向仪器的数字电路的设计

0  引言

随着石油工业的发展，对石油勘探仪器的要求也越来越高。软聚焦双侧向测井仪就是用来测量地层电阻率的仪器，而地层电阻率是地层的重要物理参数之一。其区别于传统双侧向仪器，测得的电阻率曲线是有4条：2条是传统的深侧向和浅侧向曲线,2条是高分辨率深侧向和浅侧向曲线。该仪器的优点就是对薄地层的分析和解释更加清晰。软聚焦双侧向测井仪器中的控制与通讯模块电路的作用主要是接收地面系统的测井功能控制命令，同时识别命令并完成控制功能(包括刻度、刻零、测井档之间的切换、仪器工作模式控制等)。控制仪器在进行参数采集并处理后，可采集计算出电阻率值，然后通过工业以太网总线传回地面系统。本文将介绍该仪器的总体设计方案,并详细阐述其硬件设计与实现方法。
 
1  硬件总体方案

本文主要设计了一种基于“DSP+FPGA”架构的软聚焦双侧向测井仪器的控制和处理电路。该电路主要由采集和控制电路两部分组成。其中控制电路主要包括DSP主控制器和FPGA控制逻辑模块。DSP选用的是TI公司的TMS320F28335芯片。主要完成功率控制算法，数字相敏检波算法,与地面和其他仪器进行通信等功能。FPGA选用的是Actel公司(编者注：Microsemi已于2012年收购Actel)的A3P250芯片,主要负责完成与DSP通信和3种频率的正弦信号发射，如图1。

图1 主控硬件电路总体框图

2  参数采集模块设计

参数采集电路主要包括2片16位的A/D转换器 (AD7656)，2片16位6路并行,采样率250 kSPS,采集输入电压±10 V的采集模块主要采用AD7656的串行数据输出功能。这里选择并行12路采集而没有使用多路开关轮询采集，是因为并行采集可以满足信号的完整性。DSP通过2路SPI控制2路A/D，另外的信号线分别为cs片选、busy信号、采样率控制信号CNVST、时钟信号sclk和数据信号sdata等（如图2）。

图2 数据采集模块

3  软件设计

本系统的软聚焦双侧向通讯与控制模块的软件流程图如图3所示。

图3 软件流程图

其具体工作流程首先是DSP上电初始化以等待接收地面系统的命令；当主控板接收到总线的采集命令后,DSP将分别控制A/D的信号开始采集和控制FPGA向地层发射出3路预设好的电压信号,然后开始本次采集循环。采集模块向A/D发出ADCS信号后，然后启动CNVST,A/D芯片会开始采集信号的1个点，同时，A/D将BUSY信号置高，采集完成后，A/D再将BUSY拉低,当DSP检测到BUSY拉低后，即开始读取串行数据，并存放入DSP的SPIBUF中。完成1个点的采样后，采集控制模块会再次发出CNVST信号，以采集下一个点。当采集完成后,DSP将数据送入到数字相敏检波函数，统一进行相敏检波数据处理，数据相敏检波完成后，将相敏检波后的数据分别送入功率控制算法和电阻率计算公式函数，然后计算出要调整输出的电压值送入到FPGA中，之后FPGA再控制3路D/A输出电压，同时将当前的4个电阻率值和一些状态信息写入到通信总线模块，上传给地面计算机显示。
 
4  结语

本文针对实际测井生产作业环境以及数据处理的要求，设计了以“DSP+FPGA”架构作为软聚焦双侧向测井仪器的采集和处理电路的实现方法，同时详细介绍了电路的硬件设计，重点介绍数字采集控制模块和固件设计流程。从实验结果看，该电路能很好地应用在软聚焦双侧向的测井仪器中。通过现场测井实验，本数字双侧向测井仪器在井下175 ℃高温、20 000 PSI高压的恶劣环境中能够稳定可靠地长时间工作，完全可以满足测井实际生产作业的需要，而且各项技术指标均可达到国外同型号产品的技术水平。现在，该仪器已完成产品定型进入产业化生产阶段。