收稿日期高分辨感应测井仪井下数据采集和通信电

收稿日期:05.6.10高分辨感应测井仪井下数据采集和通信电路的设计党瑞荣张珂罗兵武宋汐瑾西安石油大学电子工程学院（710065）摘要：运用采样率高200kSPS的16位A/D转换芯片进行数据采集，利用DSP芯片和数字信号处理技术处理采集到的数字信号。运用高速FIFO技术解决了高速A/D的数据存取问题，使用FPGA大大减小了系统体积和总功耗，提高了系统的可靠性和实用性。用数字通信取代模拟通信方式。通信采用了曼彻斯特编码，并运用FPGA与专用曼彻斯特编码解码芯片做接口。关键词：FIFOFPGADSP曼彻斯特码一．引言以感应测井作为测井的一种重要方法在测井中已得到广泛的应用。现在又有测井理论把高分辨理论应用到电缆测井中，采用了阵列式线圈结构，使得感应测井能够既有一定深度又有一定的地层分辨率，在测井中有重要的理论和实际意义。在该理论中测井信号的频率较高，所以对其数据采集的采样率要求也较高。由于井下仪器工作环境的特殊性，使得对其研究和开发也具有特殊的要求。本系统运用了现代电子技术，实现了高性能、高速度、低功耗、小体积的监测系统。本文将重点讨论高分辨感应测井仪井下数据采集和通信的电路设计。数据采集部分1.A/D转换器的选择A/D转换器的选择和系统指标是紧密相关的。根据高分辨测井地面系统性能要求，数据速率要求在320kHz以上，中深感应信号经整形处理后为0～5V电压信号,要求其分辨率在153uV，故选用A/D为16位,在信号为5V时，也能满足其高分辨率的要求。系统采用AD977为模数转换器，而AD977的采样率为200kSPS，故采用两AD977同时对同一通道的模拟信号进行采集，来实现320kHz的高速数据采集。AD977为16位四通道200kSPS具有串行接口的模数转换器，它包含一个多路输入复用器，一个高速16位采样ADC和＋2.5V的参考电压。它还具有如下的特点：四个模拟输入通道；单一5V供电；电压输入范围：0V～±4V，0V～±5V，0V～±10V；最大功耗120mW；可选择外部和内部2.5V的参考电压；片内有时钟；最大转换时间：4.0us；认工作漂温度赢范围假：马－4学0倚º返C～呼85敞º腔C。依2．格硬件膛原理蓝数据翠采集偷部分好原理卷如图奉所示累，由吊于采傻样频荒率为晌32残0k叮，而所AD黑97援7的羡最大庸速率栽为懒20抓0k扛SP层S肢，所秋以采翠用了弓两个哄AD赚94掏32缘并行苍工作料分时老对同沃一个母模拟控通道过采样南，来枕实现浴32唉0k治的采油样频捆率，墙方式盾如图格1所岗示，似该部延分电瞧路主草要由织模拟闸输入曲、转以换时河钟、苦参考塘源和消数据帜接口惯4个迟部分蓄组成名。载图敬1盯A映/D灰转换壳接口棕原理亩图拣模拟妥输入但部分娱是A键D转渐换器衔的关专键部悦分之够一，份直接患决定没了A某D转畏换器掀的性采能。映AD笛97搞7模枣拟输建入端瞒内部骆带采丝样保绝持电纽路，耕只可烈直接酱接收僚单端俘输入谱信号勺，为打达到桑极好蒸的转悼换性原能，堂要求纱差分脖信号蒸驱动饲能力勤强阻伍抗低脚,而子且要戏较好火的进拒行阻臣抗匹姿配。乐这里沟选用乳了高撒速低寺噪声弦低温映漂的按输出屯阻抗惊集成姿芯片老AD乡82雷9，弓将差耐分输绢入信旋号转毙换成罢单端丽信号飘，差胸分信铺号的滤峰峰排值为穿1午V绩，能顿接收奔模拟怜输入风信号疤的峰剩峰值艺为2洁V果，所晒以模欧拟输阳入信漏号的伶峰峰畅值不袍能超良过2觉V，辆否则琴就得散不到遇正确废的转拿换结产果。仆在模障拟差纽分输蔽入端尾加2偶2P插F的剧耦合胀电容穷以增训加输池入补定偿电绘压。盐AD裹转换之时钟缠信号是也是给非常桌重要鉴的。岩任何醋高速陆A/屡D转宋换器惕都对顶用户松所提宿供的镰用于毙驱动炭转换匠的时喇钟信腰号极叼为敏大感，排因为嗽采样盈保持辆电路功必然号由时劲钟信款号控蛋制，肝若时病钟信抛号有忧任何碍噪声谊，扭扩曲或渔不稳愧定都块会直刊接影狂响到梅采样虚信号刊，也半就会培影响际转换拴结果理的准捞确性窝。因载此，李采样阴时钟杰信号杜电路偏采用债了X她IN冰LI知NX母公司瞧的x茫c4肤01垮0x持l可社编程长器件自来提匙供的症时钟树信号坦，具观有很丰高的丢可靠况性。壶采用亩了内燕部的答2端.页5V援参考柿电压赶源，拉降低报了系嘱统的本复杂甩度。扶也可鸣以使镇用外普部参眼考源权，参大考源磁可以轻在一疯定范表围内锦变化洲而不愚影响平AD疲转换特器的仇性能茎，但雕必须谷要高亡稳定落、高食精度券、低倾温度坟漂移灰以及蔽低噪鹅声。突AD终9泻77烤转换环结果字在内笼部数持据在剑时钟罪上升晕沿时暂送往帅数据桂端口享，由陵于A蒙D9扰77按为T暴TL忘逻辑小电平偏，所咏以转萍换数饥据不盟能直蜻接被童DS剥P所芦接收窑，这惯里经召过F土PG加A来套实现错AD返97住7与熄DS犁P之躁间的杨电平档转换衣，通询过D没SP秋串口际实现部数据比的同懂步接荐收。论本系扁统中祖接收土部分总采用获了F茫PG消A中先的R追AM皮来解灯决高燕速数修据的鉴接收像问题镜，并盾且F里PG房A内沫部采冒用了眉FI希FO岭结构坊，其域结构招原理逝如图澡2所负示。矿X漫c4衔01乘0x暖l芯亏片内捕有丰念富的狭RA理M资枣源，守采用垦3.泉3V撑内核券电压主，功笔耗低世，能灿够支傅持高侨达2叠50旬MH帽Z的话双向诱I/捎O接摘口,仪使用厌25颤6矿×凤16笔位R厌AM使时最党大访骨问频蝶率可伶达2拐12倘MH垃Z。护图2钞坦FP怜GA捎内数映据接薄收幅FI坝FO票结构帅原理火3．答数据澡采集细的工燥作原贸理兆DS疯P工价作在事55捐MH咸Z下诚，由叛DS纱P控眨制引命脚开烛启数激据采搁集时涌钟信言号，呜该时韵钟信停号也西作为畜FI桂FO欲的写芹时钟迷信号声。采龟样开赴始D测SP猎开始败计时叫以控锈制采荡样时玉长，商同时仍从F执PG犁A中看的F颂IF伯O中侨读取痒数据巾。数弯据宽知度为爬26阿位，隐分两兆个通腊道，阴每个像通道泻包括材12秀位数级据位砌和一没位模槽拟输父入超惠限判授别位寿。时胁间到血便停软止采肉集数稿据，贝其程询序流袋程图磁如下乡：报图3持数柳据采奴集程申序流踢程图繁三．尖通信训部分献电路蝴通信温部分掌采用雹曼彻防斯特芒编码羽，曼济彻斯搭特编剥码又笛称双塑相编丝码，汁是种冬超越誉传统姑数字立传输贷极限脑的编般码／闷解码移方法队。常受规传伤输的挤主要魄缺陷欣是接幅收端梨没有帽时钟选信号词，无愤法识折别收刃到数蚕据位泡的开蜡始与罚结束蛾以及垮位的店宽度临等。密曼彻菜斯特弊编码静解决亭远距砍离传蚊输数宵据没割有时读钟的喷问题乌。它税是将帮普通铁二进风制数据据与怜其位驰率时巧钟相州异或涛得来剩的，扎从而千使信详号本腾身就匙包含伍时钟省，使快得信目号传搭输速睛率大街大增博加，便且适笋合远紫距离乞传输落。闲曼彻特斯特糠的编努码与类解码哥主要脆由专幼用集替成片堪HD扯15疲53闷0完估成。拉根据错其接役口时饶序关箱系，坦设计彩了其遍外围水电路斤，其叹中组较合逻交辑时痒序逻丝辑在边FP邪GA劲中实孤现，鼓大大帐降低乔了系堵统体泻积和季功耗剃，增冒加了糕系统轨的可宾靠性傻。原勤理框顷图如知下：忙图4把曼笼彻斯球特编猫码解腾码原辅理框转图眉如图鼻4所使示，汪虚线扎框表卸示H恐D1按55扩30龙芯片躁，该族芯片凯是全勿双工怒通信峰芯片柴，本亲系统熄中为霜配合猫测井蜜电缆耻，采遣用了疏半双哑工设糖计，荐即曼每彻斯降特码犹的发常送与鸭接收肚不能益同时想进行倚，以净节省捏电缆胶资源死。工锤作时杏，首斜先由歌地面长发送赚握手猎协议桨，握勇手成石功表保明通浑信电跪路无族故障防。地雅面发燥送的授数据柴首先扛通过移电缆其传输畅。通践过远慕距离葬有限没带宽葱的电安缆传华输后谈，到叉井下哑有严想重的皆形变毕，所秆以加雷整形洁电路本以便饥恢复向信号样。实椅验中本发现倾，整欣形后绑的曼降彻斯方特码朝数据去中有础高频汉抖动于，为到此加侄了去乎抖动惑电路起以消蹲除高尊频干蛙扰。当如图塘5所栽示为竹电缆我传输诉线中舱的曼谦彻斯揪特码寄。惭图5米尿电缆料传输劫线中湿的曼系彻斯轻特码糊整个中工作国过程服如下虽：首迅先由惰地面馆发送脉经曼监彻斯她特码百编码葡的数奋据，秋通过拴整形体去抖选动电厘路后讨直接恒送入滋HD拌15法53归0解乱码输跪入端解，解围码后钩的数透据经吓过串污并转耍换电耍路转肥换成架并行美数据络，放概入锁赞存器盟，并蛋产生欣中断甩信号栽。D涨SP授响应酒中断逢后取抓走锁纤存器缴中数泪据，裹根据驻该数居据，誓做出摔相应仇的处队理，答如数贼据中希校验默码有识误，雀则要春求重匹发该曲数据北。向畏地面梳发送挖数据饶时，览数据肝首先惜放入拔锁存覆器，诊放入精锁存距器后魂，由逮锁存夏器控政制部像分电溪路产复生一活编码逢使能于信号估，控纹制H看D1厕55犬30亚的编性码电绘路，瞒该控俯制信咐号使哪得H醒D1最55孤30社产生湖一控魄制信踩号用语于并聚串转尿换电佳路装妙载入蔬锁存补器中半数据唱并开位始并昏串转递换，叙同时骄HD革15牲53睬0准毯备好忌对串阶行数啦据进想行曼辟彻斯虑特码劲编码广。经喂曼彻匀斯特械码数刚据通则过驱宋动电虫路加长到电设缆上荐。坑结束残语廉设计合利用葱将现隙代电迈子技呆术中老的D泳SP敞和F糊PG店A运速用于祖测井狡数据部采集迫中，浓提高廊了采心集数烂据的粱速度徐和精愁度，左并使零得系宏统功勿耗和勒体积期大大掩降低斗，在蚀井下凝仪器也中有缩着重文要意接义。扛通信新部分辽采用返曼彻节斯特券编码督，方析便与裳现有凤测井勒仪器看接口券，对锋仪器婚的推胀广有够重要配影响愉。惭参考捏文献忽【削1终】张注建华纳刘桂振华延仵忆杰，盗电法全测井葬原理藏与应身用，勾西北绩工业离大学蛛出版航社耳20眯02睬;穷【2井】A刚D公铺司顽AD购97躲7芯叹片资式料瞎Da滋ta公A邻cq薯ui牙si铅ti滑on杏a伯nd辰C倚om密mu易ni饥ca威ti婚on览C佛ir辩cu守it肢i吴n己Hi激gh西R济es棕ol龄ut裕io惊n波In匹du关ct朝io若n猎To笛ol德Ab凶st端ra摘ct柔:碎In船t李hi歉s砖de屈si老gn绢,拴th救e陷12奸-b船it剂A好DC附c伞hi乡p,恐t醋he腰d特at针a仇ac浮qu啊ir淹in鹿g谊sp雄ee款d证of椅w占hi廊ch毯i羽s怜as姜h详ig情h蜡a解s拖20贿0k表SP竞S,最i括s碧ap谋pl稀ie芦d梯in浆d晌at测a春ac肯qu穗is谦it鉴io晃n.板B飞ot冷h弯th钓e论DS旅P走de锹vi焰ce锁a烧nd姜t技he厨t界ec万hn原ol逗og钳y肠of芒d椅ig损it灵al挺s箩ig荣na宜l枕pr明oc花es废si挪ng头a训re只u者se求d受in丹p产ro锡ce较ss赌in爆g旧th逆e蹈ac摸qu勒ir奋ed可s岔ig氏na挠l.场凯U愤si晃ng捡h梦ig夜h-销sp限ee氧d羞FI恩FO着t握ec若hn梅ol熔og宽y跪so抽lv匪ed静t漫he夺d爪at鬼a因ac筐ce吐ss棵p滋ro仍bl凤em裙i锤n怜th卫e杂hi仅gh僚-s信pe甚ed待A剪DC压.托Th匹e匠us读e滑of机F叠PG纺A饥ch灶ip千d葡ec鼓re裁as倘ed臭t数he我v馒ol齿um散e悉an博d碧po爆we烂r正di匪ss守ip该at摸io榨n第an糠d傅im扣pr喜ov略ed育t移he忙r奥el散ia积bi辈li泻ty误a否nd造矛av弊ai张la肃bi柳li托ty漫o岂f群th侄e更sy谣st印em压.跟T慈he遗a宇na郑lo及gy克m率od堡e勇is虏r鹅ep满la请ce愿d筋by刮d替ig撇it案al拍m译od惧e.符T群he忽M痛an齿ch脉es叛te踪r功en嚷co袋di城ng洞i贿s敬ap纹pl吗ie岛d型in孝c勾om成mu岭ni急ca塔ti侵on学,源wh农ic截h瓜th骗e