張家田 梁亞萍 嚴(yán)正國(guó)

(西安石油大學(xué)光電油氣測(cè)井與檢測(cè)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 陜西西安)

基于DSP的三維感應(yīng)測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)研究

張家田 梁亞萍 嚴(yán)正國(guó)

(西安石油大學(xué)光電油氣測(cè)井與檢測(cè)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 陜西西安)

三維感應(yīng)測(cè)井系統(tǒng)是一種全新的地層結(jié)構(gòu)探測(cè)系統(tǒng),它可以識(shí)別地層的三維特性,是人們認(rèn)識(shí)地層特性,進(jìn)行油、氣儲(chǔ)層評(píng)價(jià)的有效方法。本系統(tǒng)采用DSP芯片TMS320F2812和ADS7815作為信號(hào)采集和處理的核心,文章介紹了芯片的性能和工作原理以及相應(yīng)的硬件電路設(shè)計(jì),給出了信號(hào)處理器DSP和PC機(jī)間的通信流程。

三維感應(yīng)測(cè)井;信號(hào)采集;數(shù)字信號(hào)處理器DSP

0 引 言

據(jù)統(tǒng)計(jì),世界上大約30%的油氣層存在于砂泥巖薄互層,在我國(guó),各向異性油氣田所占的比例也非常高。因此,準(zhǔn)確的認(rèn)識(shí)這些地層的特性對(duì)于油氣資源的探測(cè)和合理開(kāi)發(fā)有著重要的意義。三維感應(yīng)測(cè)井技術(shù)能很好識(shí)別地層的三維特性,進(jìn)而可以進(jìn)行準(zhǔn)確的油氣層評(píng)價(jià),本文采用 TI公司的 DSP芯片TMS320F2812作為系統(tǒng)的核心,它既有數(shù)字信號(hào)處理能力,又具有強(qiáng)大的事件管理能力和嵌入式控制功能,特別適用于大批數(shù)據(jù)處理的測(cè)控場(chǎng)合。模數(shù)轉(zhuǎn)化部分采用BB公司的ADS7815芯片。

1 三維感應(yīng)測(cè)井技術(shù)[1]

地層電阻率是評(píng)價(jià)儲(chǔ)層含油氣特性的主要參數(shù)之一。各向異性地層的電性參數(shù)主要有水平電阻率、垂直電阻率和各向異性指數(shù)(垂直電阻率和水平電阻率的比值)等。在已發(fā)現(xiàn)的油藏中,電阻率各向異性的儲(chǔ)層占總油藏的20%～30%,傳統(tǒng)的感應(yīng)測(cè)井儀只能測(cè)量水平方向的電阻率,不能準(zhǔn)確地描述油氣儲(chǔ)層的關(guān)鍵參數(shù),不能準(zhǔn)確地確定含油氣飽和度,從而很容易低估和漏測(cè)各向異性?xún)?chǔ)層。

三維感應(yīng)測(cè)井可以很好的解決上述問(wèn)題,它是一種全新的地層結(jié)構(gòu)探測(cè)系統(tǒng),可以識(shí)別地層的三維特性,能夠探測(cè)傳統(tǒng)方法難以探測(cè)到的薄儲(chǔ)層、低滲透率儲(chǔ)層。三分量感應(yīng)測(cè)井系統(tǒng)的線(xiàn)圈系結(jié)構(gòu)包括3個(gè)發(fā)射線(xiàn)圈(Tx,Ty,Tz)和3個(gè)接收線(xiàn)圈(Rx,Ry,Rz)以及3個(gè)平衡線(xiàn)圈。這3個(gè)發(fā)射線(xiàn)圈彼此垂直,并發(fā)射一定頻率的交流電;3個(gè)接收線(xiàn)圈也相互垂直,并接收各個(gè)方向的地層信息,可得到9個(gè)磁場(chǎng)分量,經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理可得到9個(gè)電導(dǎo)率分量,最終有用的是5個(gè)電導(dǎo)率分量(3個(gè)主要項(xiàng):HXX,HYY,HZZ,2個(gè)交叉項(xiàng) HXY,HXZ,如果所考慮的地層模型是垂直井眼和水平方向各向同性,其中很多磁場(chǎng)分量和電導(dǎo)率分量為0)。三分量感應(yīng)測(cè)井儀就是通過(guò)對(duì)這些電導(dǎo)率分量信息進(jìn)行處理,進(jìn)而獲得地層水平電阻率和垂直電阻率,還可得到各向異性地層模型的兩種含水(油)飽和度,以及地層傾角和儀器方位角等信息。

2 三維感應(yīng)測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)

三維感應(yīng)測(cè)井信號(hào)采集處理總體框圖如圖1所示,信號(hào)的采集處理系統(tǒng)由開(kāi)關(guān)陣列,信號(hào)調(diào)理電路,A/D轉(zhuǎn)換電路,DSP模塊,CPLD模塊以及PC機(jī)等構(gòu)成。信號(hào)采集處理電路采集接收線(xiàn)圈上產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),再輸送給數(shù)據(jù)處理電路進(jìn)行處理。

圖1 三維感應(yīng)測(cè)井信號(hào)采集處理總體框圖

圖1 中,CPLD和其接口電路構(gòu)成控制電路,主要完成多頻信號(hào)發(fā)生器中信號(hào)的控制,對(duì)多路開(kāi)關(guān)的切換;數(shù)據(jù)采集電路中A/D轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)的控制,以及完成對(duì)信號(hào)調(diào)理電路(帶通放大、自動(dòng)增益等)的控制;DSP控制電路需實(shí)現(xiàn)接收AD采集到的數(shù)據(jù),完成對(duì)測(cè)井上傳數(shù)據(jù)的存儲(chǔ),數(shù)據(jù)處理,通過(guò)232接口與上位機(jī)通信,并且要能完成下行命令的接收處理以及命令的識(shí)別、存儲(chǔ)和執(zhí)行。

3 系統(tǒng)硬件

3.1 DSP芯片

本系統(tǒng)選用TI公司的TMS320F2812,該芯片是TI公司推出的C2000系列性能最高的一款芯片,也是目前市場(chǎng)上最先進(jìn)、功能最強(qiáng)大的32位定點(diǎn)DSP芯片,主頻150MHz、處理性能可達(dá)150MIPS,每條指令周期6.67ns。采用哈佛總線(xiàn)結(jié)構(gòu),具有密碼保護(hù)機(jī)制,可進(jìn)行雙1616乘加和3232乘加操作,因而可兼顧控制和快速運(yùn)算的雙重功能[2]。

由于DSP的通用 I/O引腳有限,所以采用EPM7128來(lái)擴(kuò)展 TMS320F2812的外圍控制接口,該CPLD對(duì)AD轉(zhuǎn)換器、通用I/O口、片外存儲(chǔ)器等進(jìn)行地址編碼,完成對(duì)AD、信號(hào)調(diào)理電路的控制。

3.2 信號(hào)調(diào)理電路

信號(hào)調(diào)理電路主要包括前置放大電路、帶通濾波放大電路、程控放大電路及50Hz陷波器。經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路的放大及濾波處理,再送往ADC進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換。

前置放大電路選用低電壓、微功耗的前置放大芯片INA126。INA126工作電壓范圍為±1.35V～±18 V,靜態(tài)電流為175μA,輸入偏置電流最大僅為25nA,而且INA126僅需外接一個(gè)電阻及可實(shí)現(xiàn)10～10000倍的增益,正是由于上述特點(diǎn),它特別適用于工業(yè)用傳感器放大器、多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等[3];程控放大選擇由PGA202和PGA203組成的兩級(jí)放大,PGA202與PGA203都具有高共模抑制比、高轉(zhuǎn)換速度、噪聲小等優(yōu)點(diǎn)。如圖2所示通過(guò)CPLD控制其控制端A1、A2分別可實(shí)現(xiàn) 1、10、100、1000 與 1、2、4、8 的放大倍數(shù) ,二者級(jí)聯(lián)可實(shí)現(xiàn)1～8000的放大倍數(shù)[4]。

圖2 程控放大電路

低通濾波器和50Hz陷波器采用BB公司性能優(yōu)良的通用集成有源濾波器模塊UAF42。UAF42采用典型的狀態(tài)變量模擬結(jié)構(gòu),可以設(shè)計(jì)成高通、低通、帶通、帶阻即陷波器電路,內(nèi)部集成有所需的四級(jí)精密運(yùn)算放大器、50kΩ0.5%的精密電阻和1000PF0.5%的精密電容,這就解決了有源濾波器設(shè)計(jì)中需要選取精密電容和電阻的問(wèn)題,簡(jiǎn)化了有源濾波器的設(shè)計(jì)。更重要的是,BB公司還為該器件提供了一個(gè)CAD軟件—FILTER42,該軟件簡(jiǎn)化了基于UAF42的設(shè)計(jì),只要根據(jù)具體的電路要求將參數(shù)輸入到軟件,它就能計(jì)算出相應(yīng)的元器件值,大大簡(jiǎn)化了濾波器的設(shè)計(jì)[5]。如圖3所示為UAF42設(shè)計(jì)的50Hz陷波電路,通過(guò)FILTER42的計(jì)算可知UAF42正向輸入時(shí)圖中 RZ1=10 kΩ、RF1=RF2=3.16MΩ、RZ2=10kΩ、RQ=3.75kΩ、RZ3=10kΩ、RG=50kΩ。

圖3 UAF42正向輸入50Hz陷波電路

3.3 ADC及其控制

該系統(tǒng)選用ADS7815作為AD芯片,它是一款16位逐次逼近型ADC,由于其分辨率高、采樣速度高而且功耗低,所以應(yīng)用較廣。ADS7815具有250kHz采樣速率,內(nèi)部集成有采樣保持電路、內(nèi)部參考源和時(shí)鐘電路。無(wú)寄生動(dòng)態(tài)范圍(SFDR),在100kHz全量程輸入時(shí)大于100dB。2.5V輸入范圍,5V電壓輸入。

3.4 系統(tǒng)通信接口

TMS320F2812是通過(guò)RS-232C口與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,由于RS-232C的標(biāo)準(zhǔn)接口與TTL電平不同,因此存在電平轉(zhuǎn)換的問(wèn)題。故采用MAXIM公司的符合RS-232標(biāo)準(zhǔn)的驅(qū)動(dòng)芯片MAX232實(shí)現(xiàn)TTL電平與RS-232接口電平的轉(zhuǎn)換,將5V電平表示的“1”、0V 表示的“0”邏輯,轉(zhuǎn)換為 -3V～ -15V 電平表示“1”、+3～ +15電平表示的“0”邏輯。MAX232具有兩個(gè)接收和發(fā)送通道,功耗低、集成度高,且使用+5 V電源供電,實(shí)現(xiàn)于TMS320F2812之間的電平匹配,確保了通信的穩(wěn)定性和可靠性。

4 DSP軟件設(shè)計(jì)

圖4是DSP的軟件流程圖,系統(tǒng)上電后DSP先初始化,包括初始化控制寄存器和數(shù)據(jù)緩沖區(qū)及狀態(tài)標(biāo)志,然后初始化SCI口和AD開(kāi)關(guān)中斷,啟動(dòng)AD進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。當(dāng)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)滿(mǎn)時(shí),通過(guò)RS-232口向計(jì)算機(jī)傳送數(shù)據(jù)。

圖4 DSP軟件流程圖

5 結(jié)束語(yǔ)

設(shè)計(jì)了基于高性能的數(shù)字信號(hào)處理器TMS320F2812和ADS7185的三維感應(yīng)測(cè)井系統(tǒng),該系統(tǒng)在實(shí)時(shí)性和精度上都取得了良好的效果,為三維感應(yīng)測(cè)井儀器的發(fā)展提供了新方法和途徑。

[1] SchoenJHetal.AspectsofMulticomponentResistivityData andMacroscopicResistivityAnisotropy.SPE74334,2001

[2] 徐科軍,張 瀚,陳智淵.TMS320X281XDSP原理與應(yīng)用[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2006

[3] 黃繼昌,張海貴,程寶平,等.檢測(cè)專(zhuān)用集成電路及其應(yīng)用[M].北京:人民郵電出版社,2006

[4] BB公司.DigitallyControlledProgrammable-GainInstrumentationAmplifier(資料)

[5] 顏 良,陳儒軍,劉 石,等.基于UAF42通用濾波芯片的50Hz濾波器設(shè)計(jì)[J].儀器儀表學(xué)報(bào),2006,27(9)

P631.8+3

B

1004-9134(2010)02-0077-02

2009-08-10 編輯:劉雅銘)

張家田,男,1963年生,教授,1990年6月畢業(yè)于西安交通大學(xué)電磁測(cè)量技術(shù)及儀器專(zhuān)業(yè)獲工學(xué)碩士學(xué)位,現(xiàn)任西安石油大學(xué)電子工程學(xué)院院長(zhǎng)。郵編:710065