楊青勝，張先鶴，詹習(xí)生

(湖北師范學(xué)院 機(jī)電與控制工程學(xué)院，湖北 黃石 435002)

測井起源于法國，1927年法國人斯侖貝謝兄弟發(fā)明了電測井，開始在歐洲勘探煤和油氣，兩年后傳到美國和前蘇聯(lián)。自1927年發(fā)明測井以來，測井儀器發(fā)展經(jīng)歷了模擬時(shí)代、數(shù)字時(shí)代、數(shù)控時(shí)代，到現(xiàn)在已發(fā)展到成像時(shí)代。

我國的測井技術(shù)研究開始于1939年，測井地面系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了模擬測井地面系統(tǒng)、數(shù)字測井地面系統(tǒng)、數(shù)控測井地面系統(tǒng)，現(xiàn)在已發(fā)展到成像測井地面系統(tǒng)。我國的數(shù)控測井技術(shù)是從上世紀(jì)80年代初引進(jìn)Atlas、Schlumberger、Halliburton等測井公司的數(shù)控測井設(shè)備開始的，隨后我國自行研究的測井儀器裝備也取得了重大的突破，獲得了迅猛的發(fā)展，相繼生產(chǎn)出一系列填補(bǔ)國內(nèi)空白的數(shù)控測井設(shè)備，如HCS數(shù)控測井系統(tǒng)等。總的來說,我國對國際上比較流行的成像測井技術(shù)的應(yīng)用剛剛起步,正在廣泛運(yùn)用數(shù)控測井技術(shù)并不斷進(jìn)行改進(jìn)[1]。

1 數(shù)控測井地面系統(tǒng)的基本概念

測井是獲取地層地質(zhì)信息的過程。它在石油勘探和開發(fā)中，是一門不可缺少的學(xué)科技術(shù)。對于數(shù)控測井地面系統(tǒng)，不管它是國產(chǎn)的還是進(jìn)口的，一般來說，它們的硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)都比較龐大。在硬件系統(tǒng)上，其龐大主要體現(xiàn)在硬件箱體比較多，元器件比較多，焊點(diǎn)比較多，因此，一般來說，這些地面系統(tǒng)維護(hù)成本不低，可靠性不高，出現(xiàn)故障后排除故障不易。在軟件系統(tǒng)上，其龐大主要體現(xiàn)在程序種類多、測井之前輸入?yún)?shù)多，因此，一般來說，這些軟件使用起來比較煩瑣，給使用者帶來不便。在電子技術(shù)、信息技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)高度發(fā)達(dá)的今天，完全可以在不降低功能和性能甚至功能和性能更高的前提下大大簡化硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)核心的數(shù)據(jù)采集箱

本文要開發(fā)的數(shù)據(jù)采集箱，作為數(shù)控測井地面系統(tǒng)的核心部分，包括采集箱硬件電路和采集箱軟件兩部分。采集箱在整個(gè)數(shù)控測井地面系統(tǒng)中所要完成的功能和任務(wù)如圖1所示。

圖中A套件和B套件是完全一樣的箱體，其中一套用作備份系統(tǒng)，當(dāng)?shù)孛嫦到y(tǒng)在測井過程中出現(xiàn)故障時(shí)，操作員可以通過軟件操作立即切換到備份系統(tǒng)，減少了許多不必要的麻煩。圖中電源箱用于給井下儀器和地面系統(tǒng)供電；綜控箱完成常規(guī)信號處理、井下儀器控制和電纜選擇；采集箱主要完成各種信號的處理與采集，它是地面系統(tǒng)的核心。在采集箱軟件的控制下，從井下上來的測井信號(包括電阻率、放射性測井的脈沖等)和來自地面的深度、張力、磁記號信號都進(jìn)入相應(yīng)的采集卡進(jìn)行采集，采集的數(shù)據(jù)通過串口進(jìn)入工控機(jī)。

隨著電子技術(shù)的高速發(fā)展，可編程邏輯器件的集成度越來越高，這給數(shù)控測井微型地面系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來了極大的靈活性和可靠性,完全可以采用FPGA技術(shù)，使設(shè)計(jì)高度集成，減少采集卡的數(shù)量和面積，實(shí)現(xiàn)數(shù)控測井微型地面系統(tǒng)進(jìn)一步微型化。同時(shí)，由于Nios的出現(xiàn)和發(fā)展改變了人們使用CPU的傳統(tǒng)觀念，用戶可以在任何有Altera FPGA的單板上使用CPU。有些CPU甚至只是用戶作系統(tǒng)調(diào)試或者測試時(shí)用到，而將在正式發(fā)布的產(chǎn)品中去掉。畢竟，人們可以用Nios實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)CPU無法實(shí)現(xiàn)的功能和想法。設(shè)計(jì)傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)時(shí)，CPU和外設(shè)均采用分立器件，在PCB上互連，大量分立器件占用了不少PCB的空間,因此集成度較差。如果采用Nios系統(tǒng)，單板上只需一個(gè)Altera FPGA即可實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)，這樣大大提高了系統(tǒng)的集成度和可靠性。原來許多要通過專用集成電路(ASIC)完成的部分，全都用VHDL語言設(shè)計(jì)成NiosII系統(tǒng)功能子模塊，同NiosII軟核一起集成到Cyclone II系列FPGA中，從而提高了整個(gè)系統(tǒng)的性能[2]。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)原理

3.1 數(shù)控測井?dāng)?shù)據(jù)采集箱的實(shí)現(xiàn)原理

本系統(tǒng)可作為一個(gè)完整的測井?dāng)?shù)據(jù)采集和記錄系統(tǒng),通過該系統(tǒng)可方便地實(shí)現(xiàn)對不同類型的測井信號（模擬量、脈沖量和數(shù)字量）進(jìn)行程控?cái)?shù)據(jù)采集、測井狀態(tài)控制、下井儀器供電的監(jiān)測和調(diào)整等。根據(jù)實(shí)際要求，采集箱系統(tǒng)需要完成以下幾個(gè)任務(wù)：

(1)實(shí)時(shí)地接收并執(zhí)行上位機(jī)的命令(包括硬件和軟件的設(shè)置)。

(2)發(fā)送命令，采集測井信號(包括深度信號、張力、模擬信號如電阻率、脈沖信號等)。

(3)A/D不斷地采集模擬信號，NiosII軟核在中斷發(fā)出后讀取最新的采樣值，經(jīng)過處理后傳給上位機(jī)。

(4)通過RS232串口，向上位機(jī)傳送測井?dāng)?shù)據(jù)。

3.2 NiosII系統(tǒng)資源及使用原理

NiosII系統(tǒng)各外圍設(shè)備(Peripherals)內(nèi)核都是以IP核的形式提供給用戶的，用戶可以根據(jù)實(shí)際需要把這些IP核集成到NiosII系統(tǒng)中去。一般包括：EPCS控制器、定時(shí)器、SDRAM控制器、CFI控制器、System ID和UART等。

4 系統(tǒng)方案的具體實(shí)現(xiàn)

4.1 系統(tǒng)方案概述

考慮到NiosII系統(tǒng)的CPU核強(qiáng)大的運(yùn)算處理功能,設(shè)計(jì)采用有豐富的I/O資源DE2開發(fā)板,采用以RS232串口通信的數(shù)控測井地面系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)包括深度信息處理及速度計(jì)算模塊、A/D測井?dāng)?shù)據(jù)采樣模塊、放射性測井脈沖信號采集模塊、曼徹斯特編解碼模塊以及上位機(jī)與NiosII軟核數(shù)據(jù)通信部分。總的系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理框圖如圖 2所示[3-5]。

當(dāng)上位機(jī)向下發(fā)出控制命令時(shí)，深度信號處理模塊根據(jù)所得到的脈沖中斷數(shù) (發(fā)出一次中斷所用的脈沖個(gè)數(shù))按時(shí)發(fā)出中斷，當(dāng)NiosII軟核收到中斷信號后，將由AD0809采樣得到的模擬信號張力、電阻率以及由脈沖頻率計(jì)數(shù)器采集的放射性脈沖信號連同由深度信號處理模塊得到的深度信息一并發(fā)送給上位機(jī)，通過上位機(jī)編寫的串口通信程序?qū)⑸鲜鰷y井信號經(jīng)過標(biāo)度變換予以顯示。

4.2 數(shù)據(jù)采集箱子系統(tǒng)

該數(shù)據(jù)采集箱子系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上主要分硬件和軟件兩部分。其中硬件部分包括：SD卡外設(shè)、串口UART和JTAG_UART、LCD及七段數(shù)碼管顯示、音頻接口、按鍵開關(guān)及 DPDT、LED、存儲(chǔ)器 Flash及 SDRAM等；通過開發(fā)自己的用戶功能模塊，并與Altera提供的IP資源在SoPC Builder中進(jìn)行有效的整合，通過Avalon總線與NiosII軟核構(gòu)成一個(gè)完整的系統(tǒng)。軟件部分主要是使用基于Eclipse IDE構(gòu)架的集成軟件開發(fā)環(huán)境NiosII IDE以及上位機(jī)串口通信程序。 NiosII IDE用來編寫自己的C/C++應(yīng)用程序代碼，完成NiosII處理器系統(tǒng)的所有軟件開發(fā)任務(wù)。C/C++應(yīng)用程序代碼主要用來編寫NiosII系統(tǒng)與DE2開發(fā)板外設(shè)間的控制命令以及NiosII核內(nèi)各個(gè)模塊間的信號流程和控制。該系統(tǒng)的SoPC Builder資源如圖3所示。

4.3 系統(tǒng)部分測試結(jié)果

系統(tǒng)測試結(jié)果包括深度信號采集仿真、脈沖信號采集仿真、深度及速度信息的采集顯示等。在此，以深度處理模塊中深度計(jì)數(shù)部分為例。具體深度計(jì)數(shù)仿真波形如圖4所示。在深度計(jì)數(shù)部分設(shè)計(jì)了一個(gè)32位的可逆計(jì)數(shù)器，在A、B信號的作用下，計(jì)數(shù)器做加減計(jì)數(shù)。從圖4中可以看出，當(dāng)系統(tǒng)復(fù)位信號有效時(shí)，深度計(jì)數(shù)的初始值為80000000H。在101 ns前，即A超前B時(shí)，方向信號為低，說明儀器被上提，計(jì)數(shù)器從80000000H做減計(jì)數(shù)，當(dāng)減到EFFFFFE7H時(shí)，深度信號發(fā)生改變，B超前A,方向信號為高，儀器被下放，計(jì)數(shù)器從EFFFFFE7H開始做加計(jì)數(shù)。

目前在我國各大油田，雖然也擁有成像測井地面系統(tǒng)，但由于其測井成本較高，一般只在比較復(fù)雜的探井測井中才使用，而對于大量的測井任務(wù)還是使用數(shù)控測井地面系統(tǒng)，而且在相當(dāng)長的時(shí)期內(nèi)，數(shù)控測井地面系統(tǒng)仍將是各測井公司的主力設(shè)備。本文將NiosII軟核成功應(yīng)用于數(shù)控測井地面系統(tǒng)中，使得地面系統(tǒng)進(jìn)一步微型化，穩(wěn)定性進(jìn)一步提高。

[1]熊曉東．?dāng)?shù)控測井微型地面系統(tǒng)[M].北京：石油工業(yè)出版社,2002．

[2]張志剛．FPGA與SoPC設(shè)計(jì)教程——DE2實(shí)踐[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社,2007．

[3]李洪偉，袁斯華．基于QUARTUS II的FPGA/CPLD設(shè)計(jì)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2006．

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[5]周立功．NiosII SoPC嵌入式系統(tǒng)開發(fā)指南[M].廣州：廣州周立功單片機(jī)發(fā)展有限公司，2005．