摘要：一種用于偶極子聲波測井儀四通道高精度數(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)量程控選擇功能,并控制FIFO波形數(shù)據(jù)緩存。單片機(jī)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 聲波測井儀
20世紀(jì)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LED（Halliburton,1994）為代表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強(qiáng)大功能。它可軟、硬層中測量充液井孔中縱波、橫波和斯通利波波速,可以記錄反射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)值質(zhì)信息,如橫波和反射斯通利波信息可以評價(jià)低角度裂縫;反射縱波可對井周近10米范圍內(nèi)質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行成像;交叉偶極資料可用于層各向異性評價(jià)。近幾年來,我國斥巨資直接請斯侖貝謝測井公司服務(wù),并引進(jìn)了幾十套包括MAC內(nèi)ECLIPS2000系統(tǒng)。借鑒國外聲波測井儀器研制方面成功技術(shù),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重要途徑。
數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是決定偶極子聲波測井儀能否取合格數(shù)據(jù)關(guān)鍵部分之一,對整個(gè)儀器系統(tǒng)性能有重大影響。聲波信號頻率及數(shù)據(jù)處理對數(shù)據(jù)精度、動(dòng)態(tài)范圍要求是決定數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要因素。適應(yīng)廣泛層條件和保證數(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)有大動(dòng)態(tài)范圍和高分辨率測量,并適合井下高溫、高壓工作環(huán)境。采集通道控制器有多種方案實(shí)現(xiàn)。傳統(tǒng)中小規(guī)模數(shù)字電路功耗大、體積大,走線太多,給印刷板布線帶來困難,一種好方案。是多通道并行高速采集,且數(shù)據(jù)間隔精度直接影響到對數(shù)據(jù)分析精度,一般微控制器難以滿足要求。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)量級以上）優(yōu)點(diǎn),并能重新編程來修改和增強(qiáng)系統(tǒng)功能,不必重新設(shè)計(jì)印刷板,是優(yōu)選方案。本設(shè)計(jì)選用Lattice公司ispLSI1k系列低端器件ispLSI1016E,可滿足系統(tǒng)控制功能。
1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
交叉偶極測量聲系設(shè)計(jì)要求,采用四組接收換能器,四組數(shù)據(jù)采集通道完成多道數(shù)據(jù)同時(shí)采集任務(wù)。使各通道具有較好一致性,并滿足系統(tǒng)擴(kuò)展需要,把采集系統(tǒng)分為四個(gè)功能完全相同獨(dú)立數(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。它們位置可以互換,并一個(gè)井下控制微處理機(jī)MPU統(tǒng)一控制。
偶極子聲波測井儀接收信號最高頻率是14kHz左右聲波信號（偶極子發(fā)射換能器為500Hz～4kHz,單極子發(fā)射換能器為2kHz～14kHz）,Nypuist定律,ADC采樣頻率最少是28kHz。為保證對采集波形頻域分析,本系統(tǒng)使用最高采樣頻率為100kHzADC。當(dāng)偶極模式工作時(shí),聲波頻率上限4kHz左右,可采用較低采集速率。利用外部時(shí)鐘進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換ADC可控制采集時(shí)鐘頻率來控制采集速率。要進(jìn)行如聲速衰減等計(jì)算,對數(shù)據(jù)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以上動(dòng)態(tài)范圍,可以滿足設(shè)計(jì)要求。ADC采用ADI公司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技術(shù)取代傳統(tǒng)對薄膜電阻陣列進(jìn)行激光修整方法,消由溫度變化導(dǎo)致電阻值不匹配帶來線性誤差;用片內(nèi)微處理器和刻度DAC測量并補(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,使測量精度達(dá)到了較高水平。
高速數(shù)據(jù)緩存采用IDT公司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,寫入端口數(shù)據(jù)采集端,讀出端口接MPU端,內(nèi)部址計(jì)數(shù)器寫入數(shù)據(jù)次序有序?qū)?shù)據(jù)寫入相應(yīng)RAM單元中,讀出數(shù)據(jù)時(shí)按數(shù)據(jù)存入先后依次取出。
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、可以互換數(shù)據(jù)采集通道及控制各個(gè)通道工作井下單片機(jī)87C51（MPU）構(gòu)成,如圖1所示。MPU外部GAL譯碼電路產(chǎn)生采集通道控制信號,將采集通道數(shù)據(jù)讀入單片機(jī)外部RAM,并加上一些輔助信息后,由遙測電路上傳給面系統(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),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(yùn)放AD845,以放大和緩沖來自模擬開關(guān)模擬聲波信號。高精度模/數(shù)轉(zhuǎn)換器AD676采集通道控制器控制下,對聲波信號進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。采用高速大容量FIFO及其采集通道控制器,可以保證不占用MPU系統(tǒng)資源情況下,完成對多道信號精確等間隔序列采樣,保證了聲波數(shù)據(jù)質(zhì)量。
采集通道控制器ispLSI1016是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中關(guān)鍵部件,要作用是MPU預(yù)先設(shè)置命令來控制由MPU啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集過程。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數(shù)據(jù)分解及寫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?？刂泼罴拇嫫鹘M用來寄存器來自MPU命令,并MPU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狀態(tài),并控制命令寄存器組命令,對時(shí)鐘進(jìn)行分頻,ADC中狀態(tài)控制其是否對時(shí)鐘進(jìn)行分頻,控制命令寄存器組中寄存命令決定分頻頻率。不同采集速率有不同分頻頻率,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)器控制命令寄存器組啟動(dòng)命令,利用來自可控分頻器時(shí)鐘進(jìn)行計(jì)數(shù),并計(jì)數(shù)過程中產(chǎn)生允許FIFO控制器和ADC采集時(shí)序控制器工作信號,當(dāng)計(jì)到指定采集深度（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(jì)數(shù)。ADC采集時(shí)序控制器利用可控分頻器時(shí)鐘,采集深度可控計(jì)數(shù)器允許其工作過程中產(chǎn)生用來控制ADC工作采集、刻度和時(shí)鐘信號。八路2：1MUX用于選擇16位采集數(shù)據(jù)高8位或低8位數(shù)據(jù)。FIFO控制器每一次信號采集中產(chǎn)生兩次八路2：1MUX選擇和FIFO寫信號,把16位采集數(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“開始采集”命令可對寫命令線控制使所有通道控制器同時(shí)到,保證了多通道并行采集時(shí)間同步。
2.2 軟件部分
系統(tǒng)四個(gè)采集通道單片機(jī)MPU控制下完成數(shù)據(jù)采集,而MPU本身遙測電路接收來自面系統(tǒng)指令。上電后,MPU都要先對采集通道進(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)出刻度信號和時(shí)鐘信號,使AD676完成刻度,并利用刻度結(jié)果修正采集數(shù)據(jù)?？潭纫部梢杂擅嫦到y(tǒng)發(fā)命令給MPU來完成?？潭戎?當(dāng)MPU接到面系統(tǒng)采集命令時(shí),便命令選擇采集通道采集信號,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)所有通道采集,采集通道控制器連續(xù)產(chǎn)生ADC控制信號,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)送入遙測電路,傳送給面系統(tǒng)處理,然后MPU等待新面命令到來,準(zhǔn)備下一次數(shù)據(jù)采集。圖4是MPU控制軟件流程框圖。
采用高性能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,單片機(jī)87C51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)器可以減小印刷板面積,降低布線難度,提高電路可靠性,特別適合井下使用。數(shù)據(jù)采集通道相對獨(dú)立,容易擴(kuò)展為八個(gè),更多通道。
（轉(zhuǎn)載）
