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超聲波測井的井下數據采集與傳輸系統的實現
摘要：介紹了井下數據采集與傳輸系統的結構和工作原理，該系統采用先進的CPLD器件ISPLSI1016實現了其中的接口電路，解決了井下數據采集與傳輸系統的高精度、低功耗和小尺寸等關鍵問題。隨著石油工業的不斷發展，測井技術越來越顯示出其重要作用。超聲波測井作為測井的一種重要方法得到了廣泛的應用。由于測井儀器，特別是井下儀器工作環境的特殊性，使得對其研究和開發也具有特殊的要求。油井下的直徑很小，因此對井下儀器的尺寸要求十分嚴格，一般來說印刷電路板的寬度不能超過4.5cm。體積達不到要求再好的儀器也無法在實際中應用。
本系統采用雙CPU和雙端口RAM，尤其是采用先進的PLD器件及1553總線技術很好地解決了井下高速數據采集與傳輸系統的可靠性、低功耗和小尺寸等問題。
1 系統結構簡介
本系統采用兩片AT89C52單片機分別作為主、從CPU；采用AD公司的高速A/D芯片AD7821進行井下溫度、壓力和幅值等參數的實時數據采集；選用兩片美國Lattice公司的CPLD芯片isPLS1016實現數字信號采集處理接口電路和數據傳輸中的串并行轉換接口電路；然后通過雙口RAM（IDT7232）來傳輸數據。系統結構如圖1所示。
2 系統工作原理與實現
在圖1中，主CPU及其相關模塊主要完成超聲波發生器的控制、工作模式切換和數據采集等功能；從CPU主要完成主CPU所采集信號的上傳和地面命令字的下傳及命令解釋，還包括一些監控功能。CPU對超聲波發射裝置進行控制，采集回波信號。由于回波信號的尖峰時刻非常窄，一般不超過1.0μs，所以對A/D的采樣時間要求在ns級。本系統采用AD公司高速A/D芯片AD7821進行采集。數字信號部分，在啟動超聲波發生裝置的同時產生時延控制信號，以便對回波信號的時間間隔進行計數，進一步測出井下的剩余壁厚等距離參數。所有采集的信號按一定格式存在雙口RAM（IDT7132）內，以備從CPU調用和上傳。
2.1 數據采集的實現
2.1.1 數字信號的采集
系統所需采集的數字信號的頻率相差非常大。其中γ信號的頻率在幾赫茲到百赫茲之間。此信號直接進入單片機，用單片機的計數器進行計數，計算后得到頻率。而超聲波回的時間間隔只有幾微秒，而且是定時產生，每次只出現一個。這樣只能測量其周期。系統直接采用12MHz晶振信號的四分頻作為測量周期的計數脈沖。除γ信號外的所有數字信號的采集模塊完全集成在一片Lattice公司的isPLSI1016內。這樣不僅大大提高了系統的集成度，滿足了系統尺寸的特殊要求，而且增強了系統的可靠性和靈活性，方便系統的升級和調整。IsPLSI1016的內部設計框圖如圖2所示。
2.1.2 模擬信號的采集
對于回波的尖峰值，每次啟動超聲波發射器后采集一次；而對溫度、壓力等監控信號，每當7.14Hz的信號對單片機中斷后才進行采集。7.14Hz的信號由外部提供。由于對精度要求不高，這里采用8位的轉換精度。
2.2 數據的存儲與傳輸
井下的數據采集頻率接近2kHz，數據量非常大，不可能被完全存儲下來。而且井下所需要的也不是全部數據，當發出數據上傳命令后的前一個周期的數據為所要求的數據。這個周期信號即為上面提到的由外部提供的頻率為7.14Hz的控制信號。因此在數據存儲時，把RAM分成兩種，0000～0fff為第一塊，1000～1fff為第二塊。主CPU對兩塊存儲區進行交替存儲。
7.14Hz信號接到中斷0口上，并采用邊沿觸發方式。每次中斷后，主CPU將改變各種相關參數。例如改變存儲數據的RAM初始地址，即上一次是第一塊則這一次為第二塊，反之亦然。同時對P1.3口取非，即通知從CPU，主CPU正在寫那一塊RAM，以避免以CPU讀取數據時發生讀寫沖突。
系統采用雙口RAM作為CPU之間傳遞數據的中介，其結構圖如圖3所示。由于雙口RAM的高速存取，使大量數據能夠及時地傳輸。
2.3 命令下達與數據上傳
當從CPU接收到地面下傳的命令之后，進行解釋并通知主CPU。考慮到信號傳輸的可靠性，井下與地面之間的通信使用1553總線協議。1553總線的傳輸速率能達到1MHz以上。曼切斯特編碼作為信道編碼，提高信號傳輸的抗干擾能力。為方便實現曼切斯特編碼以及總線接口，系統采用了專用曼切斯特編碼/解碼芯片HD-6408。HD-6408與CPU的接口用一片Lattice1016來完成。1016主要完成數據的串并行轉換，以及6408編碼/解碼所需的外部時序。1016直接掛在從CPU并行總線上，從CPU通過對外部數據存儲空間的讀寫來完成命令字的接收和數據的上傳。
3 實驗結果與分析
圖4是ispEXPER
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