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        PSoC在時(shí)間譜采集電路中的應(yīng)用

        2013-03-28 01:53:16陳俊鄧君
        電子設(shè)計(jì)工程 2013年11期
        關(guān)鍵詞:伽馬射線探測(cè)器計(jì)數(shù)

        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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