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用于偶極子聲波測(cè)井儀的高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
摘要：一種用于偶極子聲波測(cè)井儀的四通道高精度數(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(fù)雜可編程邏輯器件CPLD實(shí)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(jī)的控制下進(jìn)行采集速率和采集數(shù)據(jù)量設(shè)置及四個(gè)通道波形采集和數(shù)據(jù)處理的并行執(zhí)行。整個(gè)電路控制靈活、結(jié)構(gòu)緊湊、體積小，適合井下使用。關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)采集 模/數(shù)轉(zhuǎn)換器 復(fù)雜可編程邏輯器件 FIFO存儲(chǔ)器 聲波測(cè)井儀
20世紀(jì)90年代以來(lái)，國(guó)外測(cè)井公司陸續(xù)開(kāi)發(fā)研制了以DSI（Schlumberger,1990）、MAC（Western Atlas,1992）和LED（Halliburton,1994）為代表的新一代多極陣列聲波測(cè)井儀器，這類(lèi)測(cè)井儀具有其它聲波測(cè)井儀器不可替代的強(qiáng)大功能。它可在軟、硬地層中測(cè)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(yīng)用價(jià)值的地質(zhì)信息，如橫波和反射的斯通利波信息可以評(píng)價(jià)低角度裂縫；反射的縱波可對(duì)井周近10米范圍內(nèi)的地質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行成像；交叉偶極資料可用于地層各向異性的評(píng)價(jià)。近幾年來(lái)，我國(guó)斥巨資直接請(qǐng)斯侖貝謝測(cè)井公司服務(wù)，并引進(jìn)了幾十套包括MAC在內(nèi)的ECLIPS2000系統(tǒng)。借鑒國(guó)外在聲波測(cè)井儀器研制方面的成功技術(shù)，開(kāi)發(fā)新一代偶極聲波測(cè)井儀器是提高我國(guó)測(cè)井裝備水平的重要途徑。
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數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是決定偶極子聲波測(cè)井儀能否取得合格數(shù)據(jù)的關(guān)鍵部分之一，對(duì)整個(gè)儀器系統(tǒng)的性能有重大影響。聲波信號(hào)的頻率及數(shù)據(jù)處理對(duì)數(shù)據(jù)精度、動(dòng)態(tài)范圍的要求是決定數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要因素。為了適應(yīng)廣泛的地層條件和保證數(shù)據(jù)能進(jìn)行高精度數(shù)值計(jì)算（如聲速衰減等），要求該儀器系統(tǒng)有大的動(dòng)態(tài)范圍和高分辨率的測(cè)量，并適合井下高溫、高壓工作環(huán)境。
1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
根據(jù)交叉偶極測(cè)量的聲系設(shè)計(jì)要求，采用四組接收換能器，通過(guò)四組數(shù)據(jù)采集通道完成多道數(shù)據(jù)同時(shí)采集的任務(wù)。為了使各通道具有較好的一致性，并滿(mǎn)足系統(tǒng)擴(kuò)展需要，把采集系統(tǒng)分為四個(gè)功能完全相同的獨(dú)立的數(shù)據(jù)采集通道。每個(gè)采集通道主要由ADC、采集通道邏輯控制單元、存儲(chǔ)器等幾個(gè)部分構(gòu)成。它們的位置可以互換，并通過(guò)一個(gè)井下控制微處理機(jī)MPU統(tǒng)一控制。
偶極子聲波測(cè)井儀接收信號(hào)的最高頻率是14kHz左右的聲波信號(hào)（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)Nypuist定律，ADC的采樣頻率最少是28kHz。為保證對(duì)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(dāng)偶極模式工作時(shí)，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(shí)鐘進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換的ADC可通過(guò)控制采集時(shí)鐘的頻率來(lái)控制采集速率。由于要進(jìn)行如聲速衰減等的計(jì)算，對(duì)數(shù)據(jù)的采集精度和動(dòng)態(tài)范圍要求較高，采用16位ADC和1000倍程控前置位大器，使系統(tǒng)具有150dB以上的動(dòng)態(tài)范圍，可以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)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(shù)取代傳統(tǒng)的對(duì)薄膜電阻陣列進(jìn)行激光修整方法，消除了由溫度變化導(dǎo)致電阻值不匹配帶來(lái)的線性誤差；用片內(nèi)微處理器和刻度DAC測(cè)量并補(bǔ)償電容失配誤差，利用刻度電容失配誤差修正采集結(jié)果，使測(cè)量精度達(dá)到了較高水平。
采集通道控制器有多種方案實(shí)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(lái)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(duì)數(shù)據(jù)的分析精度，因而一般微控制器難以滿(mǎn)足要求。而大規(guī)模復(fù)雜可編程邏輯器件CPLD具有集成度高、速度快（通常比單片機(jī)用軟件控制至少提高兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上）的優(yōu)點(diǎn)，并能通過(guò)重新編程來(lái)修改和增強(qiáng)系統(tǒng)的功能，不必重新設(shè)計(jì)印刷板，是優(yōu)選的方案。本設(shè)計(jì)選用Lattice公司的ispLSI1k系列的低端器件ispLSI1016E，可滿(mǎn)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(chǔ)器IDT7205。FIFO存儲(chǔ)器有兩個(gè)數(shù)據(jù)端口，寫(xiě)入端口數(shù)據(jù)采集端，讀出端口接MPU端，內(nèi)部地址計(jì)數(shù)器根據(jù)寫(xiě)入數(shù)據(jù)的次序有序地將數(shù)據(jù)寫(xiě)入相應(yīng)的RAM單元中，讀出數(shù)據(jù)時(shí)按數(shù)據(jù)存入的先后依次取出。
如上述，本設(shè)計(jì)以AD676、ispLSI1016、IDT7205為主構(gòu)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(jī)MPU，控制四個(gè)采集通道進(jìn)行并行數(shù)據(jù)采集，并完成單、偶極控制發(fā)信號(hào)接收處理等其它功能。
2 系統(tǒng)構(gòu)成
2.1 硬件部分
整個(gè)并下聲波采集系統(tǒng)由四個(gè)完全獨(dú)立、功能相同、可以互換的數(shù)據(jù)采集通道及控制各個(gè)通道工作的井下單片機(jī)87C51（MPU）構(gòu)成，如圖1所示。MPU通過(guò)外部GAL譯碼電路產(chǎn)生采集通道控制信號(hào)，將采集通道的數(shù)據(jù)讀入單片機(jī)外部RAM，并加上一些輔助信息后，由遙測(cè)電路上傳給地
面系統(tǒng)。
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(kāi)關(guān)、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(gòu)成。
二選一模擬開(kāi)關(guān)DG419具有高精度、低導(dǎo)通電阻、快速導(dǎo)通截止等優(yōu)點(diǎn)，在采集通道控制器控制下切換聲波模擬信號(hào)。放大器采用高性能運(yùn)放AD845，以放大和緩沖來(lái)自模擬開(kāi)關(guān)的模擬聲波信號(hào)。高精度模/數(shù)轉(zhuǎn)換器AD676在采集通道控制器的控制下，對(duì)聲波信號(hào)進(jìn)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(duì)多道信號(hào)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(guān)鍵部件，要作用是根據(jù)MPU預(yù)先設(shè)置的命令來(lái)控制由MPU啟動(dòng)的數(shù)據(jù)采集過(guò)程。它由控制命令寄存器組、八路2：1MUX、FIFO控制器、采集深度可控計(jì)數(shù)器、可控分頻器、ADC采集時(shí)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(shí)序控制及接口、FIFO的數(shù)據(jù)分解及寫(xiě)入控制等均由該控制等完成，其內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)如圖3所示。控制命令寄存器組用來(lái)寄存器來(lái)自MPU的命令，并根據(jù)MPU的命令設(shè)置可控分頻器、采集深度可控計(jì)數(shù)器，選擇要采集的模擬通道，啟動(dòng)采集深度可控計(jì)數(shù)器�？煽胤诸l器利用ADC的狀態(tài)，并根據(jù)控制命令寄存器組的命令，對(duì)時(shí)鐘進(jìn)行分頻，ADC中狀態(tài)控制其是否對(duì)時(shí)鐘進(jìn)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(diǎn)）。采集深度可控計(jì)數(shù)器根據(jù)控制命令寄存器組的啟動(dòng)命令，利用來(lái)自可控分頻器的時(shí)鐘進(jìn)行計(jì)數(shù)，并在計(jì)數(shù)過(guò)程中產(chǎn)生允許FIFO控制器和ADC采集時(shí)序控制器工作的信號(hào)，當(dāng)計(jì)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(kāi)始采集深度計(jì)數(shù)。ADC采集時(shí)序控制器利用可控分頻器時(shí)鐘，在采集深度可控計(jì)數(shù)器允許其工作的過(guò)程中產(chǎn)生用來(lái)控制ADC工作的采集、刻度和時(shí)鐘信號(hào)。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(hào)采集中產(chǎn)生兩次八路2：1MUX的選擇和FIFO寫(xiě)信號(hào)，把16位的采集數(shù)據(jù)分兩次寫(xiě)入8位FIFO，以利于與8位MPU接口。由MPU發(fā)出的“開(kāi)始采集”命令可通過(guò)對(duì)寫(xiě)命令線的控制使所有通道控制器同時(shí)得到，保證了多通道并行采集的時(shí)間同步。
2.2 軟件部分
系統(tǒng)的四個(gè)采集通道在單片機(jī)MPU的控制下完成數(shù)據(jù)采集，而MPU本身通過(guò)遙測(cè)電路接收來(lái)自地面系統(tǒng)的指令。上電后，MPU都要先對(duì)采集通道進(jìn)行刻度，即送刻度命令到每一個(gè)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(hào)和時(shí)鐘信號(hào)，使AD676完成刻度，并利用刻度結(jié)果修正采集數(shù)據(jù)�？潭纫部梢杂傻孛嫦到y(tǒng)發(fā)命令給MPU來(lái)完成�？潭戎螅�(dāng)MPU接到地面系統(tǒng)的采集命令時(shí)，便根據(jù)命令選擇采集通道采集信號(hào)，設(shè)置采集速率和采集數(shù)據(jù)量。完成設(shè)置后，MPU同時(shí)啟動(dòng)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(hào)，同時(shí)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(gè)采集通道讀走數(shù)據(jù)送入遙測(cè)電路，傳送給地面系統(tǒng)處理，然后MPU等待新的地面命令到來(lái)，準(zhǔn)備下一次數(shù)據(jù)采集。圖4是MPU控制軟件的流程框圖。
采用的高性能16位ADC，用CPLD作采集通道實(shí)時(shí)控制，使用FIFO作數(shù)據(jù)緩存，在單片機(jī)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(dá)到以下技術(shù)指標(biāo)：
（1）采集分辨率：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(chǔ)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(duì)獨(dú)立，容易擴(kuò)展為八個(gè)，甚至更多的通道。
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