基于FPGA的感应测井数据采集电路设计*

李婷兰 叶 欣

(西安石油大学光电油气测井与检测教育部重点实验室 西安 710065)

0 引 言

感应测井仪是一种以电磁感应原理为基础的测井仪器，通过对交变电磁场的特性研究来反映介质电导率。在实际应用中很快发现，感应测井在水基泥浆尤其是淡水泥浆井中比普通电阻率测井优越，发展至今，已成为一种用来测量低到中等电阻率地层的基本电阻率仪器。本文设计的数据采集系统是该测井仪的重要组成部分之一，设计主要实现对7 道数据的采集，及数据的串并转换。

1 系统设计总体方案

本系统的主要任务是完成对感应、聚焦及辅助道总共7 路模拟信号的采集，并进行相应的后续处理后，通过电缆传输到地面系统;同时产生整个感应测井系统的控制信号，用以协调本数据采集系统和其他系统的联合工作。本文提到的感应测井仪采用DSP+FPGA 的结构进行设计，此数据采集系统也是围绕这个结构核心设计的。采用Xilinx 公司的FPGA 芯片XCS40XL－4PQ208 进行系统的逻辑控制模块设计;用TI 公司的32 位浮点型TMS320VC33 芯片对采集到的数据进行井下与处理，同时也方便系统的软件升级。系统的总体设计框图如图1 所示。在实际测井中，感应测井所测量的信号幅度为毫伏级，所以输入A/D 的信号都是通过放大调理的。

图1 系统总框图

在图1 中，FPGA 是本系统的核心控制器，XCS40XL－4PQ208 芯片内有丰富的RAM 资源，系统门高达40 000 门，内部逻辑单元达1862 个，可用的最大I/O 管脚数为224个，采用3.3 V 内核电压，功耗低，能够支持高达250 MHz的双向I/O 接口，用256 ×16 位RAM 时最大访问频率可达212 MHz。系统中所有涉及到工作状态和时序控制的电路均共用10.24 MHz 的同一时钟源，这样可有效地抑制时间基准的不一致而带来的时序混乱。主通道的A/D 芯片采用AD974，AD974 是CMOS、4 通道、分辨率为16 位，最高采样率为200 KSPS 的模数转换器(ADC)，可以实现与FPGA的无缝连接，从而降低系统的复杂度。同时系统经过对数据的编码后通过电缆向地面传输数据以及接受地面系统发向井下的命令。

2 硬件电路设计

2.1 FPGA 内部逻辑设计

井下一帧数据的周期为16 个仪器工作状态时间50.4 ms，每个50.4 ms 中的30 ms 用于数据采集，20.4 ms用于数据处理。采集的数据包括双感应A 道和B 道、聚焦0、1、2、3 道以及辅助道。FPGA 主要实现与DSP、感应道ADC、聚焦道ADC、辅助道ADC 和模拟开关之间的接口逻辑、时序控制以及对采集信号的串转并，同时产生感应测井系统其他一些控制信号。FPGA 的内部功能框图如图2所示。

图2 FPGA 内部功能框图

2.2 A/D 转换电路

本文中的所有ADC 均采用AD974。A/D 转换器作为数据采集的核心器件，其性能直接影响到整个系统的测量精度和分辨率。现有的A/D 转换芯片种类很多，其中Flash A/D 转换器的转换速度很高，但分辨率较低;Sigma－Delta A/D 转换器的转换精度很高，但转换速度比较低;逐次逼近型A/D 转换器的转换速度和分辨率介于两者之间，适用于中速率采样而分辨率要求较高的场合。因此，按照高分辨率感应测井仪地面系统的性能要求，感应信号采样率要在320 KSPS 以上，中、深感应测井信号经信号调理后为0～10 V 的电压信号，要求其分辨率在305 μV，故选用16 位逐次逼近型的模数转换器，即使信号为满量程时，也能满足其分辨率的要求。

2.3 感应道ADC 接口设计

图3 AD 与FPGA 接口电路

2.4 聚焦及辅助道ADC

根据AD974 的时序和测井仪器工作状态的要求，采用底层模块VHDL 和顶层原理图结合设计出的ADC 采样中断产生硬件原理图，如图4 所示。

3 采集系统的仿真验证

4 结 论

本文以FPGA 和AD974 为设计核心，设计了16 位高分辨率数据采集电路，给出了FPGA 与AD974 的接口设计和内部逻辑和时序控制设计。结果表明:该采集系统的最大采样频率为320 KSPS，采集命令和采集时序由FPGA 控制，最终采集数据以二进制形式缓存在FPGA 中，串转并之后通过并行接口传输给DSP 以待数据处理。该采集电路以成功应用于高分辨感应测井仪的室内试验研究项目中，获得良好的实验效果。

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