一种井下成像仪器控制及通信电路设计与测试

严明明，王志刚，师奕兵

（电子科技大学自动化工程学院，四川 成都 611731）

0 引 言

成像测井技术是目前最先进的测井技术，该技术是在倾角测井技术的基础上发展起来的[1-3]。利用地层的电学性质，通过密集组合的电流传感器，阵列测量地层电阻率或电导率的微小变化，并进行高密度采样和高分辨率成像处理，形成井壁图象，用于地层分析。成像测井仪是研究地质构造、沉积特征、裂缝等地质现象的最佳仪器之一[4-5]，它不仅能对井壁周围的岩石进行定向描述，还能反映岩石的内部地质特征，而且适应面宽[6]。

该文讨论了一种测井仪器的控制电路的设计与成像测试，以DSP+FPGA为基本结构设计了井下测井仪器控制电路的硬件和软件。重点介绍了系统原理设计、系统软件流程设计、与地面的通信设计以及系统测试与调试4个方面。

1 功能分析

控制与通信电路是成像测井仪的重要组成部分，它主要负责与地面建立通信以及控制井下仪器的其他模块的工作。控制与通信电路主要由DSP处理器、FPGA全局逻辑、仪器总线接口构成，控制电路主要任务有：

（1）等待来自地面的指令。若为采传命令，首先将命令传给数据处理模块板，其次给ADC控制模块发送采集使能，然后把上一次采集打包好的数据传给FIFO中并给发送使能信号，再接收ADC此次采集的辅助数据，最后接收数据处理模块送来的成像数据和各种状态数据。

（2）通过McBSP接口控制数据处理模块和信号采集模块工作，SCI接口控制信号发射模块工作，3路数字控制线控制电机控制器工作。

（3）完成仪器测试数据的读取、封装并定时传输速率传到地面系统上去。其中传输的每帧数据中包含来自数据处理模块的成像数据、状态字，信号发射模块的电压、电流、占空比和状态字以及电极方位数据和测径数据。

2 系统原理设计

仪器控制模块的原理框图如图1所示。仪器控制模块主要由DSP系统、FPGA系统、参数采集系统、电平转换驱动电路构成。DSP是控制电路的核心,控制电路的所有命令解释、分发、参数采集控制以及数据的打包与封装都是在DSP中实现的。FPGA中的主要逻辑包括：与地面控制系统通信的全双工双向异步通信串口，Manchester编码/解码器，ADC采集控制信号，配置各外部电机、附加模块的MUX选通信号。参数采集电路主要由A/D转换器和多路复用芯片两部分组成，主要是为了完成辅助参数的采集和诊断电压的采集。电平转换驱动电路主要是为了把从其他模块得到的辅助信号和诊断信号转换成能够适合A/D采样范围的信号。在系统中，所有井下仪器包括成像井下仪器都处于被动受控制的地位，也就是说井下仪器的所有工作状态由地面系统来确定。地面系统按照一定的时序，通过一系列指令来控制所有井下仪器。不同的井下仪器以仪器地址来区分，每种井下仪器的地址都是唯一的。成像井下仪器的仪器地址也是唯一的[7]，地面系统将指令发送给仪器控制模块后，主控模块对所接收到的携带本地仪器地址的指令进行指令译码，指令的格式及含义在指令协议中必须有明确的约定。对于成像井下仪器来说，指令一般包括复位、通信训练、数据采集、上传、辅助信号采集等5个命令[8]。

图1 控制与通信电路结构图

3 软件设计

在井下成像测井仪器的控制与通信电路中，DSP是控制的核心，所有命令的解析和处理以及数据的缓存和发送都是由它负责实施。其DSP的总体软件工作流程见图2，其操作流程如下：

（1）接通电源后，DSP复位进入正常工作模式。

（2）等待来自地面指令，指令经FPGA解码，然后送入DSP进行编译。DSP产生同步指令，使信号发射模块、数据处理模块与控制模块保持同步，DSP编译的命令通过DSP的SCI接口实现对信号发射模块控制，通过FPGA对辅助信号板和电机的控制。

（3）信号发射模块通过缓冲器实现与控制模块的串口通信，信号发射模块中的电压电流信号及占空比、状态字通过串行传输送入到DSP中。

（4）DSP接收来自数据处理模块的测井数据，并将辅助数据和诊断数据打包在一起。

（5）DSP在接收到一帧数据的同时将前一帧数据传到地面系统，传输的每帧数据中包含来自数据处理模块的电阻率成像数据、状态字，信号发射模块的电压、电流、占空比和状态字以及辅助数据。

（6）由辅助信号采集板采集的数据通过多路复用器连接到控制模块中。由电源产生模块产生的对仪器各个模块进行供电的各种电压也由多路复用器接入。FPGA对多路复用器地址进行控制，选通的信号由A/D转换器进行模数转换，并输入到FPGA中，并由FPGA输送到DSP。

图2 控制与通信模块工作流程

（7）根据译码结果进行相应的操作。若为采传命令，首先将命令传给数据处理模块，其次给ADC控制模块发送采集使能，然后把上一次采集打包好的数据传给FIFO中并给发送使能信号，再接收ADC本次采集的辅助数据，最后接收数据处理模块送来的测井数据和各种状态数据。

4 仪器总线接口设计

井下仪器总线是用于系统挂接的井下仪器的接口总称。该总线采用主从结构和Manchester编码，这种数据传输方式非常适合于恶劣的工作环境，它可以有效地避免数据传输中电荷的累积，也有很强的抗干扰性。总线从传输短节下端开始，在FPGA中，采用Verilog HDL硬件描述语言对Manchester码解码模块进行设计，在数据传输中，数据块的长度不固定，数据字的长度是16位，数据块的长度可自行定义，数据块的前部有8个采用Manchester码编码的“0”和3位起始位作为同步头，没有奇偶校验位。Manchester码的开始部分波形如图3所示。

图3 Manchester码开始部分波形图

5 系统调试与测试

5.1 编码调试

数据速率设为93.75 Kb/s。在这里连续发送0×CA55，其调试结果图见图4，其中数据块的前部有8个采用Manchester码编码的“0”和3位起始位作为同步头。

图4 Manchester编码测试

5.2 现场测试分析

图5为在训练模式下控制与通信模块和地面测井系统通信状态监测窗口。所谓的训练模式，就是为了地面测井系统用于检查仪器通道是否正常，它通常传输一些固定的数据，用于地面测井系统进行校验。一般来说，地面系统一次校验都会发送具有一定时间间隔的命令100次，其中每次接收的数据都完全正确才表明训练成功。

图5 地面测井系统总线通信监测

如图5所示，窗口中第1行为地面测井系统下行通道发送命令监测，第4、5、6行为井下测井仪控制与通信模块回传给地面测井系统的数据监测，第2、3行为接入伽马和方位测量仪器的传输通道。第1列中T/O状态为4表示未接入该仪器，第2列NVM表示累计错误帧数，第3列OK为灰色表示通信完全正常。从实时监测图中可以看出井下测井仪器和地面测井系统通信稳定。

5.3 系统成像联合测试

系统成像联合测试所用到的设备有：

（1）地面测井系统，包括地面系统的软、硬件；

（2）7 km的实际测井电缆，用来在室内模拟实际传输信号衰减情况；

（3）传输短节，用于传输通道数据发送电平的提升；

（4）井下测井仪相关电子线路模块，包括控制与通信模块、处理模块、采集模块、发射模块、马达模块、井径模块和电源模块等；

（5）井下测井仪骨架，主要起着固定各电子线路模块的作用；

（6）6个电阻箱，每个电阻箱上25个不同的电阻，用于模拟地层电阻。

图6为实际测试过程中极板扫描数据的成像图。它的测试环境为：在测试水槽中人为的垒了一些地层，这些地层中垒的图案包括‘T’字型的缝隙、‘一’字型缝隙和4行小洞穴，每行设置2个，共8个洞穴。测试中把一号极板紧贴模拟地层，以一定的速度把极板拉过地层。

图6 极板成像测试图

一般来说，寻找石油就是寻找满足石油生、储、盖条件的圈闭或裂缝地层。如果在某一区域含有能生成石油的地质地层，那么生成的石油必将发生运移，找到石油合适的储藏空间，这些空间包括圈闭、裂缝或褶皱等，如果再有很好的地质盖层，石油在该区域储集起来。如图6所示，成像图扫描的裂缝清晰可见，通过测井成像资料的处理，可以得到地层中裂缝的类型、产状以及走向。研究地质裂缝有非常重要的实际意义，地层中的裂缝就为石油或天然气提供了良好的储藏条件。

6 结束语

该文针对微电阻率扫描成像井下测井仪控制与通信电路设计的要求，实现了井下仪器稳定的控制和通信，并通过系统测试与调试，在某新型微电阻率扫描成像测井中得到成功应用。

[1]王相森.声电成像测井仪器分析[J].石油仪器，2007，21（5）：32-34.

[2]原宏壮.一种新的成像测井仪器设计方案[J].中国石油大学学报，2007，31（2）：51-54.

[3]范斐，庞巨丰，徐佳，等.井周声波成像测井仪原理与应用[J].计量与测试技术，2009，36（8）：74-76.

[4]刘向君.测井原理及工程应用[M].北京：石油工业出版社，2006.

[5]王珺，王长春，许大华，等.微电阻率扫描成像测井方法应用及发展前景[J].地球物理学进展，2005，20（2）：37-41.

[6]雷绿银，何豹，杨伟金，等.升级后的XRMI与EMIT的比较[J].石油仪器，2006，20（3）：37-41.

[7]严明明.一种井下成像仪器控制电路设计[D].成都：电子科技大学，2008.

[8]王淑明.微电阻率扫描成像测井仪器检测技术研究[D].西安：西安石油大学，2008.