陳俊，鄧君

（中國(guó)工程物理研究院電子工程研究所，四川綿陽(yáng)621900）

脈沖中子氧活化測(cè)井的工作原理是：采用14 MeV高能中子活化地層中的氧原子形成半衰期（7.13 s）短的氮同位素；氮同位素衰變釋放出高能伽馬射線，測(cè)量其伽馬射線時(shí)間譜；通過(guò)解析時(shí)間譜計(jì)算出流體速度，進(jìn)而計(jì)算流體流量，從而反映油管內(nèi)、油管/套管環(huán)型空間、以及套管外含氧物質(zhì)特別是水的流動(dòng)狀況[1-4]。其伽馬射線時(shí)間譜的采集及解析直接影響流體速度等計(jì)算結(jié)果，是脈沖中子氧活化測(cè)井儀的關(guān)鍵技術(shù)。文中介紹了可編程片上系統(tǒng)PSoC芯片在氧活化測(cè)井儀時(shí)間譜采集電路中的應(yīng)用。

1 伽馬射線時(shí)間譜

脈沖中子氧活化測(cè)井儀中，伽馬射線的探測(cè)，其時(shí)間譜的采集、解析是至關(guān)重要的工作，直接影響儀器的測(cè)量精度。

伽馬射線入射到伽馬探測(cè)器，其中閃爍晶體受伽馬射線的電離作用，將發(fā)出熒光。絕大部分熒光通過(guò)光導(dǎo)材料入射到光電倍增管，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換和倍增后，輸出脈沖電荷信號(hào)，脈沖電荷信號(hào)輸入到時(shí)間譜采集電路中。

放大電路將探測(cè)器輸出的脈沖電荷信號(hào)轉(zhuǎn)換為脈沖電壓信號(hào)，該脈沖電壓經(jīng)過(guò)閾值比較后，將轉(zhuǎn)換成數(shù)字脈沖信號(hào)。脈沖計(jì)數(shù)模塊對(duì)數(shù)字脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)后，數(shù)據(jù)處理及傳輸模塊則將其傳輸給井下測(cè)控組件，測(cè)控組件將數(shù)據(jù)打包上傳至地面，完成伽馬射線時(shí)間譜的采集。

通常脈沖計(jì)數(shù)采用可編程邏輯器件CPLD實(shí)現(xiàn)，其計(jì)數(shù)結(jié)果的處理及傳輸則采用一片單片機(jī)完成。數(shù)字脈沖的計(jì)數(shù)占用CPLD的邏輯資源較少，用一片CPLD來(lái)對(duì)伽馬射線進(jìn)行計(jì)數(shù)，顯得浪費(fèi)。另外，CPLD多為進(jìn)口器件，耐125℃高溫的CPLD更是難以采購(gòu)，即使能采購(gòu)到，其價(jià)格也極為高昂。為了解決上述問(wèn)題，文中采用Cypress公司的可編程片上系統(tǒng)PSoC（Programmable System on Chip）芯片。

PSoC芯片把微處理器、存儲(chǔ)器、高密度邏輯電路、模擬和混合電路，以及其他電路集成到一個(gè)芯片上，構(gòu)成一個(gè)具有信號(hào)采集、轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)和I/O處理功能的片上系統(tǒng)。與傳統(tǒng)單片機(jī)系統(tǒng)相比，PSoC系統(tǒng)最大程度地實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)單片化，減少外圍器件，縮小印制板面積[5]。PSoC主要有以下特點(diǎn)：1）具有通用單片機(jī)的數(shù)字模塊，同時(shí)還包含電壓比較器、放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換ADC、數(shù)模轉(zhuǎn)換DAC、濾波器等模擬模塊；2）基于IP內(nèi)核，通過(guò)編程來(lái)選擇、配置成熟且豐富的用戶模塊，靈活性強(qiáng)；3）可以使用高效的開發(fā)工具。PSoC Designer和PSoC express可生成高質(zhì)量的API函數(shù)，提高效率，縮短開發(fā)周期；4）可動(dòng)態(tài)重構(gòu)[5-6]。

2 時(shí)間譜采集電路設(shè)計(jì)

自主研制的脈沖中子氧活化測(cè)井儀采用兩個(gè)伽馬探測(cè)器，伽馬射線的時(shí)間譜采集框圖如圖1所示。圖1中，虛線框中為PSoC芯片實(shí)現(xiàn)的功能模塊，內(nèi)部DA模塊用于產(chǎn)生探測(cè)器所用的高壓電源模塊的控制信號(hào)HVC，AD模塊則對(duì)高壓電源模塊輸出高壓的分壓信號(hào)進(jìn)行采樣，利用兩個(gè)內(nèi)部數(shù)字計(jì)數(shù)模塊實(shí)現(xiàn)兩路伽馬射線的計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)經(jīng)過(guò)處理后，通過(guò)UART串口半雙工的工作方式將數(shù)據(jù)傳送給井下測(cè)控組件。

圖1 雙探測(cè)器時(shí)間譜采集電路框圖Fig.1 Dual-detectors time spectrum acquisition diagram

2.1 放大電路

圖2為放大電路，C33用于隔直流，只對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行放大，S1為伽馬射線探測(cè)器經(jīng)電容耦合過(guò)來(lái)的脈沖電荷信號(hào)，經(jīng)U2同相放大后，變成脈沖電壓信號(hào)輸入到門限比較電路。

2.2 比較電路

圖3中，SIG1為伽馬射線信號(hào)經(jīng)過(guò)放大電路后輸入到比較電路的負(fù)脈沖電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)電容C29耦合到比較器的同相輸入端，與閾值電平VTH1比較，從而將脈沖電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字脈沖信號(hào)CNT1。PSoC芯片內(nèi)部計(jì)數(shù)模塊對(duì)CNT1進(jìn)行計(jì)數(shù)，即實(shí)現(xiàn)了對(duì)伽馬射線的計(jì)數(shù)。

圖2 放大電路Fig.2 Amplifier circuit

圖3 比較電路Fig.3 Compare circuit

2.3 閾值設(shè)置電路

由于PSoC芯片中數(shù)模轉(zhuǎn)換（DAC）模塊的輸出電壓范圍為0～5 V，與探測(cè)器經(jīng)過(guò)前端放大后的脈沖電壓信號(hào)（0～-14 V）相比，調(diào)節(jié)范圍太小，因而采用外部DAC實(shí)現(xiàn)閾值電平的設(shè)置。閾值電平設(shè)置電路如圖4所示，采用雙路10位電流型數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片AD5440及雙運(yùn)放AD8599實(shí)現(xiàn)，均為耐125℃高溫器件。通過(guò)PSoC芯片，可產(chǎn)生兩路可調(diào)的閾值電平VTH1、VTH2，閾值電平調(diào)節(jié)范圍為0～-10 V，兩路閾值電平分別用于兩路探測(cè)器信號(hào)的比較處理。

圖4 閾值設(shè)置電路Fig.4 Threshold voltage circuit

2.4 PSoC配置

PSoC芯片選用耐125℃高溫的CY8C29466芯片，8位內(nèi)核，內(nèi)核時(shí)鐘可達(dá)12 MHz，系統(tǒng)工作時(shí)鐘可達(dá)24 MHz，擁有16個(gè)用戶可配置的數(shù)字模塊、12個(gè)模擬模塊。系統(tǒng)時(shí)鐘采用內(nèi)部時(shí)鐘，5 V供電，24 MHz系統(tǒng)時(shí)鐘，VC1時(shí)鐘為2 MHz，VC2時(shí)鐘為166.7 kHz，VC3時(shí)鐘為307.692 kHz，全局具體配置如表1所示。配置使用的數(shù)字模塊主要有定時(shí)器Timer、UART通信模塊、計(jì)數(shù)Counter模塊，模擬模塊主要有可編程增益放大器（PGA，Programmable Gain Amplifier）、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊（ADC）和數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊（DAC）。

表1 PSoC全局資源配置Tab.1 PSoC global resources configuration

采用UART與井下測(cè)控組件進(jìn)行通信，時(shí)鐘源為VC3，波特率為38 400。

在CY8C29466芯片內(nèi)部，可配置的計(jì)數(shù)器模塊有8位、16位、24位、32位共4種可選，用戶在使用過(guò)程中，根據(jù)需要靈活的選擇一種或多種計(jì)數(shù)器。本文采用兩個(gè)16位計(jì)數(shù)模塊，最大可計(jì)數(shù)65535個(gè)伽馬脈沖，足以滿足儀器在規(guī)定時(shí)間內(nèi)的計(jì)數(shù)需要。一個(gè)16位計(jì)數(shù)模塊占用兩個(gè)數(shù)字模塊，根據(jù)需要可配置多個(gè)計(jì)數(shù)模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)多路脈沖信號(hào)的計(jì)數(shù)，即一片PSoC芯片可實(shí)現(xiàn)多路探測(cè)器的計(jì)數(shù)。

給探測(cè)器供高壓的電源模塊，其高壓輸出方式為電壓控制方式，輸入控制電壓為0～5 V，輸出電壓可達(dá)2 400 V。在儀器工作過(guò)程中，為了讓探測(cè)器工作在最佳狀態(tài)，使儀器的性能更佳，需實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)和監(jiān)測(cè)探測(cè)器的工作電壓。電源模塊的控制電壓采用CY8C29466芯片內(nèi)部9位DAC模塊實(shí)現(xiàn)，其輸出電壓可達(dá)到5 V，用于實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)探測(cè)器的工作電壓。在供電前端通過(guò)大阻值電阻分壓采樣、電容濾波后，輸入到PSoC芯片，采用芯片內(nèi)部PGA模塊，對(duì)采樣電壓進(jìn)行跟隨放大。利用芯片內(nèi)部12位ADC模塊，將采樣電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為12位數(shù)字信號(hào)，實(shí)現(xiàn)探測(cè)器工作電壓的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

時(shí)間譜采集電路上電后，開啟定時(shí)器，開啟計(jì)數(shù)模塊，開啟同步中斷，準(zhǔn)備就緒后，進(jìn)入開始等待狀態(tài)。PSoC芯片軟件主流程如圖5所示。

圖5 PSoC芯片軟件主流程圖Fig.5 PSoC's main flow chart

3 試驗(yàn)結(jié)果

將時(shí)間譜采集電路接入儀器聯(lián)試。儀器直徑為43 mm，分為地面和井下兩部分，地面和井下部分通過(guò)單芯鎧裝電纜連接。地面部分主要包括地面主控和上位機(jī)，地面主控主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集傳輸，將井下各參數(shù)和井深等數(shù)據(jù)進(jìn)行打包，傳輸給上位機(jī)。上位機(jī)實(shí)時(shí)采集、監(jiān)測(cè)、控制井下各組件。井下的離子源、控制器按指令要求共同對(duì)中子發(fā)生器進(jìn)行控制，控制中子爆發(fā)時(shí)間。時(shí)間譜采集電路屬于探測(cè)器組件，探測(cè)器組件完成伽馬射線的時(shí)間譜采集。測(cè)控組件完成地面指令的傳達(dá)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的整合、處理、傳輸。地面部分可實(shí)時(shí)監(jiān)控井下各組件的工作。

整個(gè)高溫考核試驗(yàn)在定制的烘箱中進(jìn)行，烘箱內(nèi)部靜空間為200 cm×20 cm×25 cm。將井下儀拆成4個(gè)短節(jié)，即多參數(shù)、測(cè)控短節(jié)，探測(cè)器短節(jié)，離子源短節(jié)，控制器短節(jié)（用自制中子管假負(fù)載代替中子管）整體放入烘箱內(nèi)，短節(jié)之間采用自制接頭對(duì)接。利用烘箱內(nèi)加熱管對(duì)整支儀器逐步加熱，保溫，直至烘箱內(nèi)溫度穩(wěn)定在125～130℃之間后恒溫，在整個(gè)加熱及保溫過(guò)程中對(duì)儀器上電進(jìn)行儀器及通訊自檢，模擬水流測(cè)井各個(gè)環(huán)節(jié)。試驗(yàn)中烘箱升溫曲線如圖6所示，儀器加電狀態(tài)順利通過(guò)125℃溫度考核。

圖6 升溫曲線Fig.6 Temperature loading curve

在自行定制的模擬油管水流刻度裝置上進(jìn)行測(cè)量水流試驗(yàn)，模擬油管內(nèi)徑為57.3 mm，刻度裝置使用的流量計(jì)為電磁流量計(jì)，精度為0.2%，試驗(yàn)中得到伽馬射線時(shí)間譜如圖7所示，從圖中可看出，近、遠(yuǎn)探測(cè)器對(duì)應(yīng)的水流活化峰明顯。進(jìn)行的系列流量刻度試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。從數(shù)據(jù)可知，流量小于10 m3/d時(shí)，儀器測(cè)量誤差較大；流量為10～50 m3/d時(shí)，儀器測(cè)量誤差在±5%范圍內(nèi)；當(dāng)流量在60～180 m3/d之間時(shí)，儀器測(cè)量精度在±10%范圍內(nèi)。

表2 刻度試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.2 Calibrating experiment data

圖7 刻度試驗(yàn)譜線圖Fig.7 Calibrating time spectrum

整個(gè)儀器在勝利油田進(jìn)行了下井考核，油田測(cè)流量譜線如圖8所示。油管籠統(tǒng)注水施工，籠統(tǒng)注水量為200 m3/d，由于水流速偏快，近探測(cè)器的活化峰淹沒(méi)在中子爆發(fā)周期內(nèi)，因而通過(guò)遠(yuǎn)探測(cè)器的活化峰來(lái)計(jì)算水流量，計(jì)算得到流量為192.80 m3/d，測(cè)得水流量與實(shí)際注水量吻合較好。

4 結(jié)束語(yǔ)

圖8 油田測(cè)流量譜線圖Fig.8 Time spectrumin oil field

采用PSoC芯片設(shè)計(jì)的伽馬射線時(shí)間譜采集電路，利用芯片可配置的計(jì)數(shù)模塊，實(shí)現(xiàn)了對(duì)多路數(shù)字脈沖信號(hào)的計(jì)數(shù)，與井下測(cè)控實(shí)時(shí)通信，將計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)傳送給井下測(cè)控，完成時(shí)間譜的采集及傳輸?shù)裙ぷ?。從試?yàn)驗(yàn)結(jié)果可看出，PSoC芯片可靠地完成了對(duì)伽馬射線的時(shí)間譜采集工作，保證了儀器的測(cè)量精度。CY8C29466芯片為貼片芯片、體積小、價(jià)格便宜，可以將時(shí)間譜采集板的尺寸減小，成本降低。所以該P(yáng)SoC芯片很適合于125℃高溫，小型化要求，成本控制，所需的數(shù)字電路功能較簡(jiǎn)單的場(chǎng)合。

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