基于CPCI总线与FPGA芯片的测井数据采集智能IO板卡设计方案

随着数字化与测井技术的发展，对测井系统的稳定性、可靠性、兼容性、可升级性等性能提出了更高的要求，本文提出了一种适用于测井系统设备的CPCI（Compact PCI）高性能数据采集板卡硬件设计方案，能够有效地处理来自井下的复杂信号，并通过256 MB/s 高速CPCI总线桥接到主控设备。

本板卡实现的主要功能是井下Encoder(深度脉冲)、Tension(张力)、MMD(Magnetic Mark Detection)和CCL(Casing Collar Locator)等信号的实时采集,采集数据在DSP中完成预处理,通过CPCI总线送入主控制器分析使用，此外，板卡还实现上电自诊断，关键数据在FRAM中的及时存储，RS232 串口定时发送深度数据和接收控制命令等其他功能。

1 板卡总体结构

整个板卡由FPGA、PCI桥片、DSP、A/D和D/A五大部分组成,其中FPGA选用Altera公司高性能低功耗Cyclone III系列芯片，PCI桥片选用PLX公司32 bit 66 MHz PCI9056芯片，DSP选用TI公司TMS320F2812芯片,A/D选用ADI公司16 bit 200 kS/s高精度高速采集芯片AD974，板卡结构框图如图1所示。该板卡工作过程是：板卡上电后，PCI9056向FPGA发出指令控制D/A产生诊断信号，诊断信号经由板卡各级模拟通路后环回到FPGA，然后FPGA把采集到的诊断信号送入DSP，DSP再通过FPGA把数据送回CPCI总线，完成整个板卡硬件的自诊断。自诊断完成后，D/A处于非工作状态，各信号由井下电缆送入，经过多级滤波放大后进行A/D采集，FPGA完成Tension、MMD和CCL等信号的采集和Encoder信号的处理，最终把数据送入DSP进行预处理，经DSP处理好的数据由CPCI总线送回主控制器。

2 板卡硬件设计

2.1 FPGA控制器的总体设计

本板卡的数字系统共有2个主控制器，分别为数据采集板卡上的DSP和CPCI总线上的CPU主控机，板卡使用PCI9056桥片实现CPCI总线与局部总线间的转化， DSP与CPCI总线通过中断方式实现数据交换。其中FPGA调用QUARTUS软件自带IP核实现32 KB双口RAM，并把双口RAM分成大小相等的两部分，一部分用于CPCI总线向DSP传输数据，另一部分用于DSP向CPCI总线传输数据，避免了总裁的使用和数据的丢失。FPGA作为数据采集板卡数据中转站的同时，主要实现A/D数据的采集，Encoder脉冲信号的去抖动处理、计数和相位判断。FPGA实现功能框图如图2所示。

2.2 A/D数据采集模块设计

Tension、MMD和CCL等信号均是来自井下的低频微弱小信号，并且由于井下环境复杂，信号容易被干扰，处理不当容易造成数据失效，所以本板卡对三种信号在模拟电路上做了多级滤波放大处理。经实际环境测试，三路信号的主要输入干扰集中在60 Hz以上，因此在输入端设计40 Hz、70 Hz和120 Hz三阶RC滤波电路做前级滤波处理，使滤波器具有窄的过渡带，有效的滤除60 Hz以上的干扰信号，避免干扰信号进一步放大无法滤除，图3(a)为前级滤波电路的频谱特性仿真结果。为了便于信号的采集，需设计运放电路将信号放大至A/D量程范围，这就不可避免会引入PCB、运放等造成的中高频噪声，所以在信号进入A/D前做了进一步有源滤波处理，图3(b)为有源滤波器的频谱特性仿真结果。实际测试结果也证明经过多级滤波，电路抗干扰能力明显增强。

本设计选用了高速高精度ADC AD974芯片，在4个通道间以轮询方式进行采样，每个通道的实际采样转换率为50 kS/s，在FPGA中设置一个数据更新寄存器，进行每一次数据采集完成的实时跟踪。此种工作方式是否能可靠稳定地采集数据关键有两点，一是外部时钟频率是否适中，本设计采用12 MHz的频率，二是要保证A/D内部的采样时间(Acquisition Time)不能小于1 μs，并且4个通道在轮询切换时，地址锁存信号WR1和WR2要在采样前一个周期设置完成。

AD974在板卡上电后用Quartus II SignalTap实时观测的时序如图4所示。其中ADC_A0和ADC_A1为A/D4个通道地址编码信号，ADC_WR0_N和ADC_WR1_N为地址锁存信号，低电平有效，当前锁存地址作为下一次采集通道有效地址。当ADC_RC_N信号置为低电平时A/D开始将采集到的模拟信号向数字信号转换，并在此时送出一个时钟周期的ADC_DATACLK信号，使能A/D同步信号，此时如果A/D空闲则ADC_BUSY_N信号自动拉低，表示A/D已经开始转换数据，随后将ADC_RC_N置高并送出采样时钟信号，便可在ADC_DATA上开始读前一次转换完成的数据。当本次A/D数据转换完成后ADC_BUSY_N信号将自动置高，表明A/D本次转换完成，进入下一次模拟信号采样。

2.3 Encoder信号处理模块设计

Encoder信号在实际设备上分为两路信号，分别为A信号和B信号，当井下设备上提时A信号相位超前B信号90°，当井下设备下放时A信号相位滞后B信号90°，脉冲信号的数量体现测井设备在井下的深度，此信号是测井系统的重要信号之一，如果测量不准, 可能会导致测井资料作废, 甚至带来生产事故。实测Encoder信号从井下设备传送到地面时，会有尖峰脉冲干扰引入，所以本板卡在硬件上采用RC无源滤波器去除信号的尖峰脉冲，通过FPGA在软件上对信号进行去抖动处理、计数和相位判断，能够准确计数并与系统时钟同步。

FPGA中对Encoder脉冲信号的去抖动处理和相位判断设计电路见图5，其中depth_pluse为去抖动后的脉冲信号，结合depth_dir完成脉冲计数，当depth_dir为正时，计数脉冲自加，depth_dir为负时，脉冲计数自减。本文用QUARTUS软件自带仿真工具对Encoder信号做的仿真波形，见图6，如波形所示，在时间节点619.9 ns、1.069 9 μs和1.489 9 ?μs处分别对A信号和B信号加入了干扰脉冲，但结果表明本设计可以对干扰脉冲完全滤除。

本文给出了一种高性能测井数据采集板卡的设计方法，板卡在设计中，模拟部分采用多级滤波、高精度A/D，使得数据采集稳定可靠，Encoder深度脉冲信号在硬件滤波的基础上做了软件优化处理，明显增强了抗干扰能力，数字部分采用FPGA和DSP相结合，使板卡具有很高的灵活性、可靠性和可升级性。经大量测试，板卡运行稳定，并在实际系统中得到应用。