??? 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據采集" title="數據采集">數據采集系統,該系統具有16位分辨率、100ksps的最高轉換速度。復雜可編程邏輯器件CPLD實現數據采集速率和采集數據量的程控選擇功能，并控制FIFO的波形數據緩存。在單片機的控制下進行采集速率和采集數據量設置及四個通道波形采集和數據處理的并行執行。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: 數據采集? 模/數轉換器? 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,國外測井公司陸續開發研制了以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。這些波形數據中包含大量有應用價值的地質信息,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米范圍內的地質結構進行成像;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在內的ECLIPS2000系統。借鑒國外在聲波測井儀器研制方面的成功技術,開發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。?
??? 數據采集系統" title="數據采集系統">數據采集系統是決定偶極子聲波測井儀能否取得合格數據的關鍵部分之一,對整個儀器系統的性能有重大影響。聲波信號的頻率及數據處理對數據精度、動態范圍的要求是決定數據采集系統設計的主要因素。為了適應廣泛的地層條件和保證數據能進行高精度數值計算(如聲速衰減等),要求該儀器系統有大的動態范圍和高分辨率的測量,并適合井下高溫、高壓工作環境。?
1 系統設計?
??? 根據交叉偶極測量的聲系設計要求,采用四組接收換能器,通過四組數據采集通道完成多道數據同時采集的任務。為了使各通道具有較好的一致性,并滿足系統擴展需要,把采集系統分為四個功能完全相同的獨立的數據采集通道。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(偶極子發射換能器為 500Hz～4kHz,單極子發射換能器為2kHz～14kHz),根據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/數轉換的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,對數據的采集精度和動態范圍要求較高,采用16位ADC和1000倍程控前置放大器,使系統具有150dB以上的動態范圍,可以滿足設計要求。ADC采用ADI公司的AD676TD,它具有片內采樣保持功能,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。傳統的中小規模數字電路功耗大、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,且數據間隔的精度直接影響到對數據的分析精度,因而一般微控制器難以滿足要求。而大規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量級以上)的優點,并能通過重新編程來修改和增強系統的功能,不必重新設計印刷板,是優選的方案。本設計選用Lattice公司的ispLSI1k系列的低端器件ispLSI1016E,可滿足系統控制功能。?
??? 高速數據緩存采用IDT公司的8K字節FIFO存儲器IDT7205。FIFO存儲器有兩個數據端口,寫入端口接采集端,讀出端口接MPU端,內部地址計數器根據寫入數據的次序有序地將數據寫入相應的RAM單元中,讀出數據時按數據存入的先后依次取出。?
??? 如上述,本設計以AD676、ispLSI1016、IDT7205為主構成優化的數據采集通道。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據采集,并完成單、偶極控制發射及信號接收處理等其它功能。?
2 系統構成?
2.1 硬件部分?
??? 整個井下聲波采集系統由四個完全獨立、功能相同、可以互換的數據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譯碼電路產生采集通道控制信號,將采集通道的數據讀入單片機外部RAM,并加上一些輔助信息后,由遙測電路上傳給地面系統。?
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??? 數據采集通道原理如圖2所示。每一路數據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數據緩存器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/數轉換器AD676在采集通道控制器的控制下,對聲波信號進行數據采集。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,保證了聲波數據的質量。?
??? 采集通道控制器ispLSI1016是數據采集系統中的關鍵部件,主要作用是根據MPU預先設置的命令來控制由MPU啟動的數據采集過程。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、采集深度可控計數器、可控分頻器、ADC采集時序控制器等部分組成。數據采集速率及采集數據量(即采集深度)、ADC時序控制及接口、FIFO的數據分解及寫入控制等均由該控制器完成,其內部邏輯結構如圖3所示。控制命令寄存器組用來寄存來自MPU的命令,并根據MPU的命令設置可控分頻器、采集深度可控計數器,選擇要采集的模擬通道,啟動采集深度可控計數器。可控分頻器利用ADC的狀態,并根據控制命令寄存器組的命令,對時鐘進行分頻,ADC中狀態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種數據采集速率(10、20、40、80μs/點)。采集深度可控計數器根據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,并在計數過程中產生允許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。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器允許其工作的過程中產生用來控制ADC工作的采集、刻度和時鐘信號。八路2:1MUX用于選擇16位的采集數據的高8位或低8位數據。FIFO控制器在每一次信號采集中產生兩次八路2:1MUX的選擇和FIFO寫信號,把16位的采集數據分兩次寫入8位FIFO,以利于與8位MPU接口。由MPU發出的“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?
??? 系統的四個采集通道在單片機MPU的控制下完成數據采集,而MPU本身通過遙測電路接收來自地面系統的指令。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據。刻度也可以由地面系統發命令給MPU來完成。刻度之后,當MPU接到地面系統的采集命令時,便根據命令選擇采集通道采集信號,設置采集速率和采集數據量。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產生ADC控制信號,同時把上次采集數據由16位變為8位存入FIFO,直至完成指定數據量。MPU從各個采集通道讀走數據并送入遙測電路,傳送給地面系統處理,然后MPU等待新的地面命令的到來,準備下一次數據采集。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作數據緩存,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,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。數據采集通道相對獨立,容易擴展為八個,甚至更多的通道。?
參考文獻?
1 張旭東，廖先蕓.IBM微型機實用接口技術. 北京:科學技術文獻出版社，1993?
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