超声波测井的井下数据采集与传输系统的实现

摘要：介绍了井下数据采集与传输系统的结构和工作原理，该系统采用先进的CPLD器件ISPLSI1016实现了其中的接口电路，解决了井下数据采集与传输系统的高精度、低功耗和小尺寸等关键问题。

随着石油工业的不断发展，测井技术越来越显示出其重要作用。超声波测井作为测井的一种重要方法得到了广泛的应用。由于测井仪器，特别是井下仪器工作环境的特殊性，使得对其研究和开发也具有特殊的要求。油井下的直径很小，因此对井下仪器的尺寸要求十分严格，一般来说印刷电路板的宽度不能超过4.5cm。体积达不到要求再好的仪器也无法在实际中应用。

本系统采用双CPU和双端口RAM，尤其是采用先进的PLD器件及1553总线技术很好地解决了井下高速数据采集与传输系统的可靠性、低功耗和小尺寸等问题。

1 系统结构简介

本系统采用两片AT89C52单片机分别作为主、从CPU；采用AD公司的高速A/D芯片AD7821进行井下温度、压力和幅值等参数的实时数据采集；选用两片美国Lattice公司的CPLD芯片isPLS1016实现数字信号采集处理接口电路和数据传输中的串并行转换接口电路；然后通过双口RAM（IDT7232）来传输数据。系统结构如图1所示。

2 系统工作原理与实现

在图1中，主CPU及其相关模块主要完成超声波发生器的控制、工作模式切换和数据采集等功能；从CPU主要完成主CPU所采集信号的上传和地面命令字的下传及命令解释，还包括一些监控功能。CPU对超声波发射装置进行控制，采集回波信号。由于回波信号的尖峰时刻非常窄，一般不超过1.0μs，所以对A/D的采样时间要求在ns级。本系统采用AD公司高速A/D芯片AD7821进行采集。数字信号部分，在启动超声波发生装置的同时产生时延控制信号，以便对回波信号的时间间隔进行计数，进一步测出井下的剩余壁厚等距离参数。所有采集的信号按一定格式存在双口RAM（IDT7132）内，以备从CPU调用和上传。

2.1 数据采集的实现

2.1.1 数字信号的采集

系统所需采集的数字信号的频率相差非常大。其中γ信号的频率在几赫兹到百赫兹之间。此信号直接进入单片机，用单片机的计数器进行计数，计算后得到频率。而超声波回的时间间隔只有几微秒，而且是定时产生，每次只出现一个。这样只能测量其周期。系统直接采用12MHz晶振信号的四分频作为测量周期的计数脉冲。除γ信号外的所有数字信号的采集模块完全集成在一片Lattice公司的isPLSI1016内。这样不仅大大提高了系统的集成度，满足了系统尺寸的特殊要求，而且增强了系统的可靠性和灵活性，方便系统的升级和调整。IsPLSI1016的内部设计框图如图2所示。

    2.1.2 模拟信号的采集

对于回波的尖峰值，每次启动超声波发射器后采集一次；而对温度、压力等监控信号，每当7.14Hz的信号对单片机中断后才进行采集。7.14Hz的信号由外部提供。由于对精度要求不高，这里采用8位的转换精度。

2.2 数据的存储与传输

井下的数据采集频率接近2kHz，数据量非常大，不可能被完全存储下来。而且井下所需要的也不是全部数据，当发出数据上传命令后的前一个周期的数据为所要求的数据。这个周期信号即为上面提到的由外部提供的频率为7.14Hz的控制信号。因此在数据存储时，把RAM分成两种，0000～0fff为第一块，1000～1fff为第二块。主CPU对两块存储区进行交替存储。

7.14Hz信号接到中断0口上，并采用边沿触发方式。每次中断后，主CPU将改变各种相关参数。例如改变存储数据的RAM初始地址，即上一次是第一块则这一次为第二块，反之亦然。同时对P1.3口取非，即通知从CPU，主CPU正在写那一块RAM，以避免以CPU读取数据时发生读写冲突。

    系统采用双口RAM作为CPU之间传递数据的中介，其结构图如图3所示。由于双口RAM的高速存取，使大量数据能够及时地传输。

2.3 命令下达与数据上传

当从CPU接收到地面下传的命令之后，进行解释并通知主CPU。考虑到信号传输的可靠性，井下与地面之间的通信使用1553总线协议。1553总线的传输速率能达到1MHz以上。曼切斯特编码作为信道编码，提高信号传输的抗干扰能力。为方便实现曼切斯特编码以及总线接口，系统采用了专用曼切斯特编码/解码芯片HD-6408。HD-6408与CPU的接口用一片Lattice1016来完成。1016主要完成数据的串并行转换，以及6408编码/解码所需的外部时序。1016直接挂在从CPU并行总线上，从CPU通过对外部数据存储空间的读写来完成命令字的接收和数据的上传。

3 实验结果与分析

图4是ispEXPERT SYSTEM的仿真波形图。仿真测出的剩余壁厚为0xbb即187，与预计的结果一致。在系统传输可靠性测试中，误码率在10 -9以下，由于井下条件恶劣，实际应用中会略高。

该系统在与超声波发生器和上位机组合调试中，性能明显优于原来的分离逻辑电路系统。系统采集的参数增多，灵活性增强，可根据用户的要求增强或省云部分功能，以节约成本。