PSoC在时间谱采集电路中的应用

陈俊，邓君

（中国工程物理研究院电子工程研究所，四川绵阳621900）

脉冲中子氧活化测井的工作原理是：采用14 MeV高能中子活化地层中的氧原子形成半衰期（7.13 s）短的氮同位素；氮同位素衰变释放出高能伽马射线，测量其伽马射线时间谱；通过解析时间谱计算出流体速度，进而计算流体流量，从而反映油管内、油管/套管环型空间、以及套管外含氧物质特别是水的流动状况[1-4]。其伽马射线时间谱的采集及解析直接影响流体速度等计算结果，是脉冲中子氧活化测井仪的关键技术。文中介绍了可编程片上系统PSoC芯片在氧活化测井仪时间谱采集电路中的应用。

1 伽马射线时间谱

脉冲中子氧活化测井仪中，伽马射线的探测，其时间谱的采集、解析是至关重要的工作，直接影响仪器的测量精度。

伽马射线入射到伽马探测器，其中闪烁晶体受伽马射线的电离作用，将发出荧光。绝大部分荧光通过光导材料入射到光电倍增管，经光电转换和倍增后，输出脉冲电荷信号，脉冲电荷信号输入到时间谱采集电路中。

放大电路将探测器输出的脉冲电荷信号转换为脉冲电压信号，该脉冲电压经过阈值比较后，将转换成数字脉冲信号。脉冲计数模块对数字脉冲信号进行计数后，数据处理及传输模块则将其传输给井下测控组件，测控组件将数据打包上传至地面，完成伽马射线时间谱的采集。

通常脉冲计数采用可编程逻辑器件CPLD实现，其计数结果的处理及传输则采用一片单片机完成。数字脉冲的计数占用CPLD的逻辑资源较少，用一片CPLD来对伽马射线进行计数，显得浪费。另外，CPLD多为进口器件，耐125℃高温的CPLD更是难以采购，即使能采购到，其价格也极为高昂。为了解决上述问题，文中采用Cypress公司的可编程片上系统PSoC（Programmable System on Chip）芯片。

PSoC芯片把微处理器、存储器、高密度逻辑电路、模拟和混合电路，以及其他电路集成到一个芯片上，构成一个具有信号采集、转换、存储和I/O处理功能的片上系统。与传统单片机系统相比，PSoC系统最大程度地实现了系统单片化，减少外围器件，缩小印制板面积[5]。PSoC主要有以下特点：1）具有通用单片机的数字模块，同时还包含电压比较器、放大器、模数转换ADC、数模转换DAC、滤波器等模拟模块；2）基于IP内核，通过编程来选择、配置成熟且丰富的用户模块，灵活性强；3）可以使用高效的开发工具。PSoC Designer和PSoC express可生成高质量的API函数，提高效率，缩短开发周期；4）可动态重构[5-6]。

2 时间谱采集电路设计

自主研制的脉冲中子氧活化测井仪采用两个伽马探测器，伽马射线的时间谱采集框图如图1所示。图1中，虚线框中为PSoC芯片实现的功能模块，内部DA模块用于产生探测器所用的高压电源模块的控制信号HVC，AD模块则对高压电源模块输出高压的分压信号进行采样，利用两个内部数字计数模块实现两路伽马射线的计数，计数经过处理后，通过UART串口半双工的工作方式将数据传送给井下测控组件。

图1 双探测器时间谱采集电路框图Fig.1 Dual-detectors time spectrum acquisition diagram

2.1 放大电路

图2为放大电路，C33用于隔直流，只对脉冲信号进行放大，S1为伽马射线探测器经电容耦合过来的脉冲电荷信号，经U2同相放大后，变成脉冲电压信号输入到门限比较电路。

2.2 比较电路

图3中，SIG1为伽马射线信号经过放大电路后输入到比较电路的负脉冲电压信号，经过电容C29耦合到比较器的同相输入端，与阈值电平VTH1比较，从而将脉冲电压信号转换为数字脉冲信号CNT1。PSoC芯片内部计数模块对CNT1进行计数，即实现了对伽马射线的计数。

图2 放大电路Fig.2 Amplifier circuit

图3 比较电路Fig.3 Compare circuit

2.3 阈值设置电路

由于PSoC芯片中数模转换（DAC）模块的输出电压范围为0～5 V，与探测器经过前端放大后的脉冲电压信号（0～-14 V）相比，调节范围太小，因而采用外部DAC实现阈值电平的设置。阈值电平设置电路如图4所示，采用双路10位电流型数模转换芯片AD5440及双运放AD8599实现，均为耐125℃高温器件。通过PSoC芯片，可产生两路可调的阈值电平VTH1、VTH2，阈值电平调节范围为0～-10 V，两路阈值电平分别用于两路探测器信号的比较处理。

图4 阈值设置电路Fig.4 Threshold voltage circuit

2.4 PSoC配置

PSoC芯片选用耐125℃高温的CY8C29466芯片，8位内核，内核时钟可达12 MHz，系统工作时钟可达24 MHz，拥有16个用户可配置的数字模块、12个模拟模块。系统时钟采用内部时钟，5 V供电，24 MHz系统时钟，VC1时钟为2 MHz，VC2时钟为166.7 kHz，VC3时钟为307.692 kHz，全局具体配置如表1所示。配置使用的数字模块主要有定时器Timer、UART通信模块、计数Counter模块，模拟模块主要有可编程增益放大器（PGA，Programmable Gain Amplifier）、模数转换模块（ADC）和数模转换模块（DAC）。

表1 PSoC全局资源配置Tab.1 PSoC global resources configuration

采用UART与井下测控组件进行通信，时钟源为VC3，波特率为38 400。

在CY8C29466芯片内部，可配置的计数器模块有8位、16位、24位、32位共4种可选，用户在使用过程中，根据需要灵活的选择一种或多种计数器。本文采用两个16位计数模块，最大可计数65535个伽马脉冲，足以满足仪器在规定时间内的计数需要。一个16位计数模块占用两个数字模块，根据需要可配置多个计数模块，实现对多路脉冲信号的计数，即一片PSoC芯片可实现多路探测器的计数。

给探测器供高压的电源模块，其高压输出方式为电压控制方式，输入控制电压为0～5 V，输出电压可达2 400 V。在仪器工作过程中，为了让探测器工作在最佳状态，使仪器的性能更佳，需实时调节和监测探测器的工作电压。电源模块的控制电压采用CY8C29466芯片内部9位DAC模块实现，其输出电压可达到5 V，用于实时调节探测器的工作电压。在供电前端通过大阻值电阻分压采样、电容滤波后，输入到PSoC芯片，采用芯片内部PGA模块，对采样电压进行跟随放大。利用芯片内部12位ADC模块，将采样电压信号转换为12位数字信号，实现探测器工作电压的实时监测。

时间谱采集电路上电后，开启定时器，开启计数模块，开启同步中断，准备就绪后，进入开始等待状态。PSoC芯片软件主流程如图5所示。

图5 PSoC芯片软件主流程图Fig.5 PSoC's main flow chart

3 试验结果

将时间谱采集电路接入仪器联试。仪器直径为43 mm，分为地面和井下两部分，地面和井下部分通过单芯铠装电缆连接。地面部分主要包括地面主控和上位机，地面主控主要实现数据的采集传输，将井下各参数和井深等数据进行打包，传输给上位机。上位机实时采集、监测、控制井下各组件。井下的离子源、控制器按指令要求共同对中子发生器进行控制，控制中子爆发时间。时间谱采集电路属于探测器组件，探测器组件完成伽马射线的时间谱采集。测控组件完成地面指令的传达，实现数据的整合、处理、传输。地面部分可实时监控井下各组件的工作。

整个高温考核试验在定制的烘箱中进行，烘箱内部静空间为200 cm×20 cm×25 cm。将井下仪拆成4个短节，即多参数、测控短节，探测器短节，离子源短节，控制器短节（用自制中子管假负载代替中子管）整体放入烘箱内，短节之间采用自制接头对接。利用烘箱内加热管对整支仪器逐步加热，保温，直至烘箱内温度稳定在125～130℃之间后恒温，在整个加热及保温过程中对仪器上电进行仪器及通讯自检，模拟水流测井各个环节。试验中烘箱升温曲线如图6所示，仪器加电状态顺利通过125℃温度考核。

图6 升温曲线Fig.6 Temperature loading curve

在自行定制的模拟油管水流刻度装置上进行测量水流试验，模拟油管内径为57.3 mm，刻度装置使用的流量计为电磁流量计，精度为0.2%，试验中得到伽马射线时间谱如图7所示，从图中可看出，近、远探测器对应的水流活化峰明显。进行的系列流量刻度试验数据如表2所示。从数据可知，流量小于10 m3/d时，仪器测量误差较大；流量为10～50 m3/d时，仪器测量误差在±5%范围内；当流量在60～180 m3/d之间时，仪器测量精度在±10%范围内。

表2 刻度试验数据Tab.2 Calibrating experiment data

图7 刻度试验谱线图Fig.7 Calibrating time spectrum

整个仪器在胜利油田进行了下井考核，油田测流量谱线如图8所示。油管笼统注水施工，笼统注水量为200 m3/d，由于水流速偏快，近探测器的活化峰淹没在中子爆发周期内，因而通过远探测器的活化峰来计算水流量，计算得到流量为192.80 m3/d，测得水流量与实际注水量吻合较好。

4 结束语

图8 油田测流量谱线图Fig.8 Time spectrumin oil field

采用PSoC芯片设计的伽马射线时间谱采集电路，利用芯片可配置的计数模块，实现了对多路数字脉冲信号的计数，与井下测控实时通信，将计数数据传送给井下测控，完成时间谱的采集及传输等工作。从试验验结果可看出，PSoC芯片可靠地完成了对伽马射线的时间谱采集工作，保证了仪器的测量精度。CY8C29466芯片为贴片芯片、体积小、价格便宜，可以将时间谱采集板的尺寸减小，成本降低。所以该PSoC芯片很适合于125℃高温，小型化要求，成本控制，所需的数字电路功能较简单的场合。

[1] 黄隆基.核测井原理[M].北京:石油大学出版社，2000.

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