黃家亮

(中國(guó)石化集團(tuán)石油工程西南有限公司測(cè)井分公司 四川成都)

多頻陣列感應(yīng)測(cè)井儀數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

黃家亮

(中國(guó)石化集團(tuán)石油工程西南有限公司測(cè)井分公司 四川成都)

文章采用DSP實(shí)現(xiàn)了多頻陣感應(yīng)測(cè)井儀數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該采集系統(tǒng)使用主從處理器方式保證了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求,采用差分低噪聲前置放大電路有效抑制了共模干擾提高了系統(tǒng)信噪比,應(yīng)用高精度Δ-ΣADC及成熟的相敏檢波技術(shù)保證了檢測(cè)精度,經(jīng)測(cè)試系統(tǒng)性能良好。該系統(tǒng)應(yīng)用在多頻陣列感應(yīng)測(cè)井儀中,取得了較好的應(yīng)用效果。

陣列感應(yīng)測(cè)井;數(shù)據(jù)采集;DSP

0 引 言

感應(yīng)測(cè)井是一種重要的電測(cè)井方法,它是利用電磁感應(yīng)原理來(lái)評(píng)價(jià)地層油氣儲(chǔ)藏的。傳統(tǒng)的一維感應(yīng)測(cè)井方法不能有效地消除二維的井眼、侵入、圍巖等環(huán)境影響和趨膚效應(yīng)影響。陣列感應(yīng)測(cè)井方法的出現(xiàn)較好的解決了這一問(wèn)題,該方法不但可以很好的消除二維的環(huán)境影響,獲取地層的真實(shí)電導(dǎo)率,而且還拓寬了感應(yīng)測(cè)井的應(yīng)用范圍[1]。為滿足國(guó)內(nèi)對(duì)高端測(cè)井儀器的需求,并追蹤世界測(cè)井技術(shù)發(fā)展,準(zhǔn)確判斷油氣藏的位置及數(shù)量,設(shè)計(jì)性能優(yōu)良的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)則必不可少,具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

本陣列感應(yīng)測(cè)井儀包含有8個(gè)接收線圈,因此每個(gè)接收線圈與發(fā)射線圈構(gòu)成一個(gè)基本測(cè)量單元,從而獲得8路感應(yīng)電壓信號(hào)?？紤]到井下電路的空間有限,在保證系統(tǒng)實(shí)時(shí)性滿足要求的情況下,設(shè)計(jì)采用模擬開(kāi)關(guān)組的方式對(duì)采集信號(hào)的奇偶通道進(jìn)行分時(shí)采集,奇通道和偶通道各采集4路感應(yīng)電壓信號(hào)。系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)如圖1所示。

2 采集系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 低噪聲放大電路設(shè)計(jì)

放大電路采用多級(jí)放大的形式實(shí)現(xiàn),其中前置放大器的選擇尤為重要,因?yàn)閷?duì)于微弱信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)而言,前置放大器是引入噪聲的主要部件之一。下式為佛里斯公式:

圖1 系統(tǒng)總體方案框圖

式中,F1為第一級(jí)放大器的噪聲系數(shù);F2為第二級(jí)放大器的噪聲系數(shù);FM為第M級(jí)放大器的噪聲系數(shù);F為M級(jí)級(jí)聯(lián)放大器的總噪聲系數(shù);K為放大器的增益。

由公式可以看出:級(jí)聯(lián)放大器中越是前級(jí)的噪聲系數(shù)對(duì)總的噪聲系數(shù)的影響越大。如果第一級(jí)放大器的增益 K1足夠大,則系統(tǒng)總的噪聲系數(shù) F主要取決于第一級(jí)的噪聲系數(shù)F1。因此,在設(shè)計(jì)微弱信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)的前置放大電路時(shí),必須確保第一級(jí)的噪聲系數(shù)足夠小[2]。

電子電路的低噪聲設(shè)計(jì)主要從低噪聲器件選擇及放大電路上組態(tài)等方面考慮。本系統(tǒng)的前置放大器采用AD公司的AD797低噪聲運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn),該芯片以差分方式輸入能極大地減少共模信號(hào)、放大差模信號(hào),噪聲最低可達(dá)0.9nV/ Hz。

中間級(jí)放大電路采用OP160實(shí)現(xiàn),其具有輸出阻抗低、漂移小的特點(diǎn),并且可以通過(guò)改變補(bǔ)償引腳上的電容大小控制主頻帶。

2.2 帶通濾波電路設(shè)計(jì)

由于接收線圈中2組三線圈系只用高頻信號(hào),2組用中頻與高頻的組合,其他4組低頻和中頻的組合,因此設(shè)計(jì)兩路帶通濾波器分別對(duì)兩個(gè)頻率分量的信號(hào)進(jìn)行濾波提取,再求和放大。其中,只用高頻信號(hào)的三線圈系只設(shè)計(jì)一個(gè)頻率的帶通濾波電路。

綜合考慮截止特性和相位失真的要求,設(shè)計(jì)采用二階巴特沃思有源濾波器。整個(gè)濾波電路由相同的兩個(gè)2階低通濾波器和兩個(gè)2階高通濾波器構(gòu)成,如圖2所示。

圖2 二階巴特沃思有源濾波器原理圖

只要根據(jù)不同頻率選擇合適電阻電容值,就可實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)射信號(hào)的高、中、低頻進(jìn)行帶通濾波。

2.3 程控增益放大電路設(shè)計(jì)

為保證信號(hào)的精確測(cè)量,滿足信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍寬的測(cè)量要求,系統(tǒng)設(shè)計(jì)1倍和10倍檔程控增益電路。實(shí)現(xiàn)原理較為簡(jiǎn)單,使用運(yùn)算放大器構(gòu)成放大倍數(shù)不同的反向比例放大電路[3],如圖3所示。

程控增益放大倍數(shù)的選擇由DSP處理器自動(dòng)控制模擬開(kāi)關(guān)切換實(shí)現(xiàn)。

2.4 AD轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

3 程控增益放大電路原理圖

由于對(duì)采集系統(tǒng)分辨率及動(dòng)態(tài)范圍要求較高,綜合成本等因素設(shè)計(jì)選用AD公司的16位Δ-ΣAD轉(zhuǎn)換芯片AD7721作為采集芯片,其分辨率可達(dá)15μV(1/216V),輸入帶寬229.2 kHz,采樣頻率 468.75kHz。AD轉(zhuǎn)換結(jié)果交由DSP進(jìn)行處理,AD轉(zhuǎn)換器的輸出連接到DSP的串行通信接口SPORT0或SPORT1上。

2.5 DSP接口電路設(shè)計(jì)

由于需處理的數(shù)據(jù)量較大且測(cè)井儀對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高,設(shè)計(jì)采用主從處理器方式實(shí)現(xiàn)。主從DSP通過(guò)IDMA[4、5]口進(jìn)行通信,從DSP的 IDMA口與主DSP的I/O口相連,主DSP作為主控器,從DSP作為主DSP的一個(gè)I/O外設(shè)。兩個(gè)從DSP分配有獨(dú)立的I/O地址,通過(guò)地址譯碼主DSP可分別訪問(wèn)從DSP的PM和DM區(qū)。四路ADC分為兩組與兩片從DSP連接,一片接DSP的串行口0(SPORT0),另一片接DSP的串行口1(SPORT0)。

圖4 DSP程序流程圖

3 采集系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

每個(gè)從處理器完成兩路AD采集信號(hào)的接收及處理,AD采集到的數(shù)據(jù)使用中斷接收,中斷使用SPORT0及SPORT1接收中斷,將 SPORT0及 SPORT1的自動(dòng)緩存控制寄存器設(shè)置為自動(dòng)發(fā)送模式,便可分別將采集數(shù)據(jù)自動(dòng)發(fā)送到串口接收寄存器 RX0和RX1中,隨后 DSP自動(dòng)將數(shù)據(jù)接收到接收緩存區(qū)Rbuffer0和Rbuffer1中。從處理器DSP的程序流程如圖4所示。

主DSP主要任務(wù)是:控制整個(gè)系統(tǒng)的時(shí)序,接收從DSP處理過(guò)的數(shù)據(jù)、組幀、數(shù)據(jù)發(fā)送,以及接收命令和命令處理等。

4 采集系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后,使用安捷倫33120A函數(shù)波形發(fā)生器,將其輸出信號(hào)衰減后,對(duì)整個(gè)采集系統(tǒng)計(jì)進(jìn)行測(cè)試,現(xiàn)以通道1測(cè)試結(jié)果分析其性能,通道1測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 采集系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

其中,測(cè)量平均值為測(cè)量500次的平均值,由測(cè)量平均值可以看出系統(tǒng)線性良好,且系統(tǒng)相對(duì)誤差可保證在5%以內(nèi);由標(biāo)準(zhǔn)偏差可以看出系統(tǒng)穩(wěn)定性良好。經(jīng)測(cè)試其他通道系統(tǒng)線性、穩(wěn)定性良好,同時(shí)也可保證系統(tǒng)相對(duì)誤差在5%以內(nèi)。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)完成了一種基于DSP的多頻陣列感應(yīng)測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)采集系統(tǒng),該采集系統(tǒng)使用主從處理器方式保證了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求,采用差分低噪聲前置放大電路有效抑制了共模干擾提高了系統(tǒng)信噪比,應(yīng)用高精度Δ-ΣADC及成熟的相敏檢波技術(shù)保證了檢測(cè)精度,經(jīng)測(cè)試系統(tǒng)性能良好。該系統(tǒng)應(yīng)用在多頻陣列感應(yīng)測(cè)井儀中,取得了較好的應(yīng)用效果。

[1] 張建華,劉振華,仵 杰.電法測(cè)井原理與應(yīng)用[M].西安:西北大學(xué)出版社,2002

[2] 高晉占.微弱信號(hào)檢測(cè)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2004

[3] 康華光,陳大欽.電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分(第四版)[M].北京:高等教育出版社,2003

[4] AnalogDeviceInc.ADSP-218XDSPHardwareReference[M].2001

[5] 張冬玲,王良紅.基于DSP的微弱信號(hào)檢測(cè)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].微計(jì)算機(jī)信息,2005,21(7)

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2009-07-13 編輯:梁保江)

黃家亮,男,1971年生,工程師,畢業(yè)于江漢石油學(xué)院測(cè)井專業(yè),現(xiàn)中國(guó)石化集團(tuán)石油工程西南有限公司測(cè)井分公司。郵編:251500