基于FPGA的微电阻率扫描成像测井仪极板检测装置设计

何小英， 谷鹏羊， 吴爱平， 唐和佳

(1. 长江大学电子信息学院，湖北 荆州 434000; 2. 长江大学 电工电子国家级实验教学示范中心，湖北 荆州 434000;3. 中国石油集团测井有限公司物资装备公司，陕西 西安 710000)

0 引 言

微电阻率扫描成像测井仪（micro-conductivity imaging, MCI），是主要用于测量地层非均质特性的一种电阻率测井仪器，在裂缝检测、薄层识别、沉积构造识别等方面已取得一定成果，目前MCI仪器已成为探井、深探井、超深探井测井的利器[1-4]。MCI仪器主要通过极板多个电扣测量井壁地层电阻率实现成像，因此极板性能直接影响仪器成像的质量。然而，在仪器出厂检测和现场推广维修时，往往因仪器较重、操作维修无法同时进行等原因导致出厂检测效率低下、现场维修人员占用率高等问题。目前，国内极板测试装置的发展取得了一定的成果。早期主要依靠仪器本身的机械结构进行测试，后来发展到使用一种模拟盒装置进行极板测试，但存在易损坏、检测繁琐等问题[5-6]。再后来，国内相关企业设计了一种极板检测装置，但该装置仅检测幅度信息用于评判极板功能，不能充分反映极板功能状态。因此，设计一种准确、高效、快捷的极板检测装置，具有较好的工程应用价值。

本文针对微电阻率扫描成像测井仪极板出厂检测及现场维修存在的问题，提出了一种检测方案，主要特点在于：该方案选用以FPGA为核心的纯硬件电路，使用FFT算法分析极板输出信号的频率和幅度，采用频率—幅度双参数评判法确定极板功能正常与否，较好地实现了极板功能的准确、快速检测。

1 设计方案

1.1 极板简介

微电阻率成像测井仪由专用短节、采集短节、预处理短节以及液压推靠器短节构成。其中液压推靠器短节装有6个极板，每个极板有24个电扣，共144个电扣。测井时，采集短节中的EMEX振荡电路产生近似正弦波的电压信号，此电压经变压器后加到地层上；极板电扣与井壁接触，直接采集地层的电流[7-9]。

极板主要完成24通道电扣信号的放大及时序控制功能。极板的输入信号包括±5V电源、极板复位信号（jb_rst）、极板时钟信号（jb_clk）、24 通道电扣信号，输出信号为单通道的模拟信号（sig_out）。极板工作时序见图1，jb_rst信号到来后，第1个jb_clk信号的下降沿输出的sig_out信号为第1个电扣信号放大2万倍的模拟信号，第2个jb_clk信号的下降沿输出的sig_out信号为第2个电扣信号放大2万倍的模拟信号，直到输出第24个电扣信号放大2万倍的模拟信号。由于地层的各向异性，sig_out信号在每个jb_clk信号的下降沿后的幅度不同。

图1 极板工作时序图

1.2 总体方案

根据极板功能及工作时序可知，要实现对极板的检测，首先需给极板提供±5 V电源，产生极板复位信号和极板时钟信号，模拟极板24通道电流信号输入；其次，需采集经极板放大后的输出信号，对采集的信号做进一步分析，判断极板功能是否正常。行业内对于极板输出信号的分析方法一般采用幅度评判法，该方法不能反映极板输入输出信号的频率一致性，因此采用频率—幅度双参数评判法，更能充分反映极板功能是否正常。针对频率检测，常规采用计数法，该方法硬件电路复杂，仅能分析单一频率信号；针对幅度检测，常规采用峰值检测法，该方法仅针对单一频率信号，而采用FFT算法能全面获取信号的频率、幅度、相位信息。因此，本文使用FFT算法分析极板输出信号的频率和幅度。

基于此，本文提出了微电阻率扫描成像测井仪极板检测装置的总体设计方案。该检测装置主要由电源模块、FPGA控制电路、LED指示电路、模拟信号产生电路和极板信号采集电路组成，设计框图如图2所示。

图2 总体设计框图

电源模块由12 V锂电池组和电源转换电路组成。锂电池组输出的12 V电源，通过LDO稳压芯片转换为±5 V电源，并输出到极板。检测装置上电后，FPGA产生jb_clk信号和jb_rst信号，经TTL驱动电路输出到极板。同时，FPGA控制DAC芯片产生10 kHz正弦信号，经电压跟随电路、加法电路、限流电阻网络后，形成24路正弦电流信号，并输出到极板。极板将24路正弦电流信号进行2万倍放大，在jb_clk和jb_rst的时序控制下，以时分复用方式，通过单通道输出放大后的24路正弦信号。检测装置接收极板的输出信号，经减法电路、反向比例放大电路、RC低通滤波后，采用ADC芯片完成信号的数字化。FPGA使用FFT算法分析数字化后的信号的频率和幅度特点，采用频率—幅度双参数评判法，判别极板的功能是否正常，并通过LED灯指示检测结果。

2 硬件电路设计

2.1 FPGA控制电路

FPGA控制电路采用Altera公司型号EP4CE22E22C8N作为该检测装置的控制器，该器件包含22 320个逻辑单元，80个用户I/O，132个嵌入式乘法单元，片内RAM高达74 kB，满足本检测装置的需求。FPGA控制电路主要完成时序（jb_clk、jb_rst）输出、ADC控制、DAC控制、FFT算法和极板功能评判与指示功能。

2.2 模拟信号产生电路

模拟信号产生电路由DAC转换器、电压跟随器、加法器和限流电阻组成，电路原理图如图3所示。

图3 模拟信号产生电路原理图

DAC转换器选用TI公司12位电流输出型数模转换器DAC7811IDGS。该转换器采用3.3 V单电源供电，参考电压为2.048 V。FPGA控制DAC7811IDGS产生10 kHz正弦信号，经跟随器及加法器调理后，输出双极性的正弦信号，输出信号的数学表达式为

式中：Uo——运放输出引脚7脚电压值；

Uref——参考电压；

f——正弦信号频率，f=10 kHz。

输出的双极性正弦信号经过限流电阻后，转换为正弦电流信号，其数学表达式为：

式中：Io——输出电流值；

RI——限流电阻阻值。

极板检测装置共输出24路正弦电流信号，通过选取不同阻值的电阻，以模拟不同地层流入极板电扣的电流信号。该检测装置采用5种电流值模拟经过地层的电流，其通道、限流电阻RI与输出电流关系如表1所示。

表1 通道、RI阻值与输出电流关系

2.3 极板信号采集电路

极板信号采集电路由减法电路、比例放大、RC滤波电路以及ADC转换器组成，电路原理图如图4所示。使用TI公司的OPA2156IDR集成运放，实现极板输出的模拟信号的调理。经滤波放大调理后的输出ADC_IN与电路输入IN的关系如下：路的输出信号UADC_o的关系如下：

图4 极板信号采集电路原理图

式中：UADC_o——输入到模数转换器的电压；

UADC_i——检测装置的输入电压；

A——采集电路的增益，A=1.5。

放大及滤波电路将输入信号放大1.5倍，并叠加了1.024 V的直流电平。在进行极板电扣信号的检测时，由于待检测的极板电扣信号频率为10 kHz，根据奈奎斯特采样定律，数字化时，采样频率至少为20 kHz。为了更准确检测并判断24个电扣信号通道的好坏，实际采用512 kHz的采样频率。基于此，ADC芯片选用ADI公司的LTC2368-16模数转换器，该器件是一款低噪声、低功率、1 MHz采样率的16位逐次逼近型模数转换器。LTC2368-16模数转换器采用2.5 V单电源供电，参考电压为2.048 V。模数转换器输出的数字量DATAADC与滤波放大电

其中，N为模数转换器位数，N=16。将式（3）代入式（4），有：

3 软件设计

FPGA逻辑控制单元主要完成时序产生和检测评判功能。系统采用模块化设计方法实现各部分功能，包括时钟复位（Rst_Clk）模块、正弦信号产生（Sin_10 kHz）模块和检测（Detection）模块，设计框图如图5所示。时序产生涵盖以上3个模块，提供极板的工作时序以及控制ADC转换时序；检测评判功能的实现由Detection模块完成，采用FFT算法及频率—幅度双参数评判法高效准确检测极板24通道好坏。

图5 FPGA软件设计框图

3.1 时序产生

FPGA时序产生主要包括Rst_Clk模块以及Sin_10 kHz模块。

Rst_Clk模块的输出信号既作为控制极板工作的时序，也作为检测装置启动AD采集、处理和评判的控制时序。其输入信号为50 MHz时钟，输出信号为极板时钟信号和极板复位信号，一个复位信号下对应24个极板时钟，时序图如图1所示。Rst_Clk模块的输出均采用计数器实现。

Sin_10 kHz模块采用查表法实现10 kHz正弦信号的产生。该模块包括SIN_ROM子模块、SIN_CTL子模块和DAC7811子模块，如图5所示。SIN_ROM子模块为512字节的ROM，保存正弦数据。SIN_CTL子模块采用查表法读取SIN_ROM子模块中保存的正弦数据，将数据传输给DAC7811子模块，并产生启动数模转换的使能信号SIN_en。DAC7811子模块接收SIN_en信号和SIN_data信号后，通过SPI总线（SIN_SCLK信号、SIN_SDIN信号和SIN_SYNC信号）控制DAC7811数模转换器，完成10 kHz正弦波信号的产生。

3.2 检测评判

为实现极板输出信号的有效检测，设计Detection模块完成模数转换器的时序控制、数据处理及评判。

检测时，采用模数转换器及FFT算法获取极板输出信号的频谱特性。如图5所示，进行模数转换时，ADC_CTL子模块在jb_clk下降沿时产生256个脉冲信号，脉冲频率512 kHz，该脉冲信号即为模数转换使能信号ADC_EN。LTC2368_16bit子模块接收到该脉冲信号后，控制LTC2368完成一次模数转换。同时，FFT_CTL子模块在jb_clk的下降沿，将ADC采集到的数据打包为Avalon_ST总线形式输出到FFT子模块。FFT子模块采用 IP-FFT V13.0实现 FFT算法，根据数据特点相关参数设置为：变换长度选择256点，数据精度选择16位，旋转因子精度选择16位，选择数据流形式，复数乘法器结构由3个乘法器、5个加法器完成[10-15]。FFT子模块的输出信号为实部、虚部和缩放因子。Calculate_Judge子模块使用三级流水线计算信号幅度，第一级实部和虚部乘以缩放因子；第二级计算实部和虚部平方和；第三级完成开方计算，并将计算结果除以256/2。三级流水线计算结束后，得到信号幅度。通过查找幅度最大值方法，保存幅度最大值和最大值对应的频率点。

评判时，采用频率—幅度双参数评判法，当频率和幅度均正常时判定通道功能正常；否则判定通道功能不正常，并将判定结果通过LED灯亮灭指示。针对频率的评判，将频率点与预设值10 kHz比较，判别正常与否；针对幅度的评判，采用双阈值分析法，其中幅度的上阈值和下阈值是根据采用的5种限流电阻阻值、极板放大倍数以及极板信号采集电路理论推导得出。当幅度在双阈值范围内，判定为正常；当幅度超出双阈值范围，则判定为不正常。

4 测试结果与分析

检测装置实物图如图6所示。

图6 检测装置实物

频率幅度检测：函数信号发生器输出频率为10 kHz，幅度0.45 V的正弦波信号，极板检测装置以512 kHz采样率、256点采集该正弦波信号，通过Quartus II开发软件中的SignalTap在线分析工具获取采集的数据，再将采集的数据使用Matlab软件绘图，得到的原始信号波形如图7所示。将采集的正弦波数据在Matlab软件中做FFT分析得到如图8所示的频谱图。由频谱图及采集调理电路特性可知，信号特征频率为10 kHz，幅度为0.448 V。信号特征与函数信号发生器输出信号相吻合。

图7 原始信号

图8 频谱图

将极板检测装置通过专用连接器与极板相连，使用示波器监测极板输出的电压值。上电后通过SignalTap工具在线调试，获取FPGA片内FFT处理结果，从中查找最大幅值以及最大幅值对应的频率，并计算出电压相对误差，如表2所示。由表可知，极板检测装置频率检测准确，电压检测相对误差小于2%，检测精度较高。

表2 FFT检测结果（频率和电压）

将极板检测装置通过专用连接器与极板相连，并将通道4的连线接地，测试检测结果指示功能，结果如表3所示。表中仅列出1～5通道的测试结

表3 指示功能测试结果

5 结束语

本文根据微电阻率扫描成像测井仪极板工作特点，设计实现了一种极板检测装置。该装置结合了国内极板电扣刻度装置检测原理，使用不同阻值电阻模拟不同电阻率的地层；相对于国内极板检测装置采用的单一幅度评判法，本文采用了频率—幅度双参数评判法，并采用FFT算法进行分析，更全面、准确地反映了极板的功能正常与否。同时，该检测装置操作时，仅需要将其连接器与极板相连，上电后即可根据LED灯亮灭状态观察检测结果。该检测装置使用锂电池供电，便于携带。因此，该检测装置可靠性高、操作简单、携带方便，可应用于极板出厂时的高效检测以及仪器损坏时的现场检修。