（测试计量技术及仪器专业论文）emri测井仪井下控制与通讯电路设计.pdf

摘要 摘要 测井被誉为“石油工业的眼睛”，地球物理测井是利用地下不同岩石的不同物 理、化学性质，特别是含油和天然气地层具有的特性，采用各种测量方法以获取 测井资料。电成像测井技术是上世纪8 0 年代发展起来的技术，微电阻率扫描成像 测井是一种重要的测井技术，目前发展十分迅速，国际上只有斯伦贝谢，阿特拉 斯和哈里伯顿三家石油测井公司拥有成熟的仪器产品，而且价格十分昂贵。近年 来，这三家公司采取技术垄断的策略，对新一代的仪器只提供测井服务而不出售 仪器，因此，研制具有自主知识产权的微电阻率扫描成像测井仪显得格外重要。 本课题研究的是微电阻率扫描成像测井仪控制与通讯部分电路设计，它与常 规的电阻率测井仪器相比具有数据量大，控制时序复杂等特点，在数据传输带宽 一定的条件下，给数据传输和控制带来了极大的困难。控制与通讯电路是整个井 下成像仪器的控制核心，所有的命令和参数都是由它负责接收和控制，所有成像 数据都由它打包并通过总线向上传输。为了实现在高温高震动环境下仪器控制可 靠和通讯稳定的目标，在硬件电路设计上主要考虑了控制核心芯片d s p 及外部接 口设计；在软件设计上主要考虑了d s p 程序的控制流程和控制时序，尽量把一些 可预知的事件分在空闲时段处理。 本文主要阐述e m r i 测井仪井下控制与通讯部分的软、硬件设计。首先，简要 介绍仪器工作原理，仪器电子线路部分的总体结构；其次，主要阐述控制与通讯 电路部分的硬件设计，包括控制核心芯片d s p 的选取及其硬件电路设计，辅助数 据采集单元电路设计，各通信接口设计( e d i b 总一线接口，m c b s p 模块间通信接口 设计，异步s c i 模块间通信接口设计，马达控制模块和井径信号选取模块通信接 口) ；然后，阐述控制与通讯电路d s p 软件设计，软件设计主要介绍了d s p 程序总 体设计流程，命令子集及相应的处理流程，辅助数据采集控制流程等；最后，阐 述了调试过程以及在调试过程中遇到的问题和解决方案。 关键词：测井仪器，微电阻率成像，时序控制，地面系统通讯 丝兰型盟 一一一 a b s t r a c t w e l ll o g g i n gi sc a l l e d t h ee y eo fp e t r o l e u mi n d u s t r y ，g e o p h y s i c a l w e l ll o g g i n g 帅sav a r i e t yo fm e a s u r e m e n tm e t h o d st o o b t a i nl o g g i n gd a t ab ym a k i n gu s em e d i 姗p h y s i c a la n dc h e m i c a lp r o p e r t yo fu n d e r g r o u n dr o c k , e s p e c i a l l yt h e a t m b u t e s o f 如n n a t i o nc o n t a i n i n go i la n dg a s e l e c t r i cl o g g i n gi m a g ei sa n e wl o g g i n gt e c h n i q u e w h i c hi sg r a d u a l l yd e v e l o p e di n19 8 0 s a n dm i c r o - r e s i s t i v i t yi m a g i n gl o g g i n gt o o i l s a l li m p o n a n tl o g g i n gt 0 0 1 a tp r e s e n t ，i m a g ew e l ll o g g i n gi sd e v e l o p i n gr a p l d l y h l _ t e m a t i o n a l l y ，o n l yt 1 1 r e ec o m p a n i e ss u c ha ss c h l u m b e r g e r ，a t l a sa n dh a l l i b u r t o n t a l ( ep o s s e s s i o no fm a t u r et o o l s a n dt h et o o l sp r i c ei se x t r e m e l ye x p e n s i v e i nr c c e n t v e a r s ，t h e s et h r e ec o m p a n i e so n l yp r o v i d el o g g i n g s e r v i c ei n s t e a do fs e l l i n g i n s 伽瑚e n t sb yu s i n gm o n o p o l yt e c h n o l o g i c a ls t r a t e g y t h e r e f o r e ，h o wt od e v e l o po w o 、j i r nm i c r o r e s i s t i v i t yi m a g i n gl o g g i n gt o o ls e e m sp a r t i c u l a r l yi m p o r t a n t t r a n s m i s s i o nb a n d w i d t h n l i sp a p e rs t u d i e st h a tt h ec o n t r o la n dc o m m u n i c a t i o nc i r c u i td e s i g n o ft h e m i c r 0 。r e s i s t i v i t ys c a n n i n gl o g g i n gi n s t r u m e n tw h i c hp o s s e s st h el a r g ed a t a s 1 z ea n d 倒n p l e xc o n t r o lt h es c h e d u l i n gc o m p a r e d w i t hc o n v e n t i o n a lr e s i s t i v i t yl o g g j n g i i l s 臼胁e 玎l t s t h em i c r o e s i s t i v i t ys c a n n i n gl o g g i n g i n s t r u m e n tb r i n g sg r e a td i f f i c u l t l e s i i ld a t a 咖s m i s s i o na n dc o n t r 0 1 c o n t r o la n dc o m m u n i c a t i o n c i r c u i ti st h ec o n t r o l l i n g c 0 】旧o fm ew i l o l ei n s t r u m e n t sb yd o w nh o l ew e l ll o g g i n g ， w h i c hr e c e i v e sa n d c 0 i n 臼沁1 sm ec o m m a i l d sa n dp a r a m e t e r s ，a l li m a g i n gd a t aa r ep a c k a g e db yi t a l l d i tu p w a r dt h r o u g ht h ee d i bb u s i no r d e rt o a c h i e v et h er i mo fc o n 们l i i 塔缸u m e n t sr e l i a b i l i t ya n ds t e a d yc o m m u n i c a t i o n u n d e rt h ec i r c u m s t a n c e so f h i g h t 锄p e r a t u r ea n ds t r o n gq u a k i n g , w e m a i n l yc o n s i d e rh o wt oc h o o s et h ed s pc h i p 锄de x t 锄a lc 0 m m u 面c a t i o ni n t e r f a c ed e s i g ni nt h ea s p e c t so fh a r d w a r ec i r c u i td e s i g n i na d d i t i o n ，w ec h i e f l yc o n s i d e rc o n t r o lp r o c e s sa n dt i m es e q u e n c e o fd s pp r o c e d u r e s i l ls o f ld e s i 凹，t r y i n gt od i v i d es o m ep r e d i c t a b l ep r o c e s s i n ge v e n t si nd i f f e r e n ti n t e r v a i t i m e 砸sd i s s e r t a t i o np u t se m p h a s i so i lt h es o f t w a r ea n dh a r d w a r ed e s i g no fe m r i c o n 仃o l l i n ga n dc o m m u n i c a t i o nm o d u l e f i r s t ，w ei n t r o d u c et h ew o r k i n gp r i n c i p l e “ u a b s t r a c t t o o l ，i n c l u d i n gt h eg r o s ss t r u c t u r eo fi n s t r u m e n te l e c t r o n i cc i r c u i tp a r t ；s e c o n d l y , w e m a i n l ye l a b o r a t et h eh a r d w a r ed e s i g no fe m r ic o n t r o la n dc o m m u n i c a t i o nc i r c u i t s ， i n c l u d i n gt h es e l e c t i o no fd s pc h i pa n d i t sd e s i g no fh a r d w a r ec i r c u i t ，t h ed e s ig no f s u p p l e m e n t a r yd a t aa c q u i s i t i o nu n i tc i r c u i t ，t h ec o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c ed e s i g n ( e d i b b u si n t e r f a c e ，t h em c b s pi n t e r f a c e ，t h ea s y n c h r o n o u ss c ii n t e r f a c e ，m o t o rc o n t r o l i n t e r f a c e ) ；t h e n , w ee l a b o r a t ed s ps o t 1 1 w a r ed e s i g n o fe m r ic o n t r o la n dt h e c o m m u n i c a t i o nm o d u l e ，i n c l u d i n gd s ps o f t w a r es y s t e md e s i g nf l o w , t h ec o m m a n d s u b s e ta n dt h ec o r r e s p o n d i n gp r o c e s s i n gf l o wa n ds oo n ；f i n a l l y , w ed e s c r i b et h e d e b u g g i n gp r o c e s sa sw e l l 弱p r o b l e m sa n ds o l u t i o n si nt h ed e b u g g i n gp r o c e s s k e yw o r d s ：l o g g i n gt o o l ，m i c r o - r e s i s t i v i t yi m a g i n g ，t i m i n gc o n t r o l ，g r o u n ds y s t e m c o m m u n i c a t i o n s 1 1 1 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 厶夕年f 月洳日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：导师签名： ：! 玺灸复 日期：访乡年月k 日 第一章引言 第一章引言 1 1 微电阻率扫描成像测井意义及概述 常规电阻率测井是石油工业中最早使用的测井方法，通过测量岩石的电阻率， 可以获得地层物理参数。但是由于岩石的电阻率受孔隙度、渗透率、泥质含量及 地层水矿化度等多种因素的影响，所得到的电阻率和实际地层的电阻率有一定的 差异，不仅如此，常规电阻率测井测量井周某深度的一个电阻率点，提供的电 阻率信息量非常有限，这些缺点给常规电阻率测井仪器所测资料的应用带来了很 大的局限性，随着石油、天然气勘探程度的提高，大多数容易发现的油、气田都 得到了开发，今后石油、天然气的勘探开发越来越趋于复杂，常规测井仪器很难 以准确、有效地识别裂缝，尤其在裂缝的产状、分布密度更难确定心1 ，而微电阻 率扫描成像测井能够提供高分辨率的连续井周图像，它在识别地质裂缝方面有其 独到的作用，具体的讲，它可以解决当前测井技术面临的三大地质难题：砂泥岩 薄互层储层的有效划分，裂缝性油藏的裂缝和储集性能分析，复杂岩性油藏的参 数评价船1 。初步估计，世界有将近一半的油气都是储集在裂缝或溶洞等隐蔽场所 的，而微电阻率扫描成像测井仪器在识别地层裂缝和溶洞方面是其它测井仪器所 无法比拟的。因此，开发出具有自主知识产权的微电阻率扫描成像测井仪就显得 十分迫切，它一方面可以为国家发展找到更多的石油，支持国家的经济建设，另 一方面，它可以有效降低国内石油勘探开发的成本，提高各大油田的经济效益。 微电阻率扫描成像测井技术，就是在井下采用若干个传感器进行井周阵列扫 描测量，沿井的纵向、周向、径向大量采集地层信息，传输到井上以后通过图像 处理技术得到井壁的二维图像或井眼周围某探测深度以内的三维图像。微电阻 率扫描成像测井在国内使用较多，但仪器基本都是从国外进口，自主研发的较少。 该仪器主要包括隔离短接，电子线路和探头部分组成。仪器实际测井工作过程如 下：首先，把仪器串接起来通过电缆放到裸眼井中目的层段；其次，地面系统下 发指令，推开六个极板，使其紧靠井壁；然后，由地面系统下发命令打开发射机， 根据区域地质信息调节合适的发射机发射电压，使其采集信号满足要求；最后， 地面系统下发采传命令，仪器根据不同的采传命令做不同的采集，并把数据打包 电子科技大学硕士学位论文 传送到地面系统，这时地面系统接收井下仪上传数据并以文件的形式保存起来， 这些数据供以后资料处理和解释所用。 1 2 微电阻率扫描成像测井仪发展历程及国内外动态 成像测井技术是目前最先进的测井技术【4 】，电阻率成像测井从第一支仪器诞 生以来，经过不断改进和创新，得到了很大的发展，电阻率成像测井最早形成于 2 0 世纪8 0 年代中期，当时斯伦贝谢公司首先推出了电法成像测井技术，斯伦贝 谢在1 9 8 6 年正式将其研制出的地层微电阻率扫描仪f m s 推向市场，它的两个臂为 微电阻率扫描极板，上面共5 4 个 ( 6 + 7 + 7 + 7 ) 木2 测量电极，另两个臂为地层倾 角极板，在1 9 8 8 年又推出了四臂6 4 个 ( 8 + 8 ) 水4 电极的f m s 地层微电阻率扫 描仪，到1 9 9 1 年推出的f m i 全井眼地层微电阻率成像测井仪已经是四臂八个极板 1 9 2 个 ( 1 2 + 1 2 ) 半8 电极的地层微电阻率扫描成像测井仪，f m i 利用井下仪器 极板上密集排列的钮扣状电极组成的阵列式“微聚焦电阻率测量，在圆周井壁 上细微地测量地层的微电阻率信息，这对8 英寸井眼的井壁覆盖面积已由最初的 2 0 上升到现在的8 0 ，它揭开了电阻率成像测井的新篇章。到了9 0 年代中期， 电阻率成像测井得到较快的发展，另外两家石油测井公司哈里伯顿和阿特拉斯也 相继推出自己的微电阻率成像测井仪器，哈里伯顿于1 9 9 4 年推出1 5 0 个 ( 1 2 + 1 3 ) 半6 电极的六臂微电阻率扫描成像仪e m i ，而阿特拉斯随其后在1 9 9 6 年正式推出 六个臂1 4 4 个 ( 1 2 + 1 2 ) 半6 电极的微电阻率扫描成像仪s t a ri i 一1 0 2 2 ，后两 种仪器对7 - 7 8 英寸井眼的井壁覆盖率仅为5 9 。发展到今天，在国际国内流行 的电阻率成像测井系列具有很高分辨率的仪器是：斯伦贝谢的全井眼微电扫描成 像仪( f m i ，8 x 2 4 ) ，哈里伯顿的e m i ( 6 x 2 5 ) 和阿特拉斯的s t a ri m a g e r ( 6 x 2 4 ) ，它 们的钮扣电极尺寸及结构相同，排列很相近，探测深度也差不多。 在国内，三大石油公司也对微电阻率扫描成像测井仪器进行过研制，以中国 石油为代表的测井重点实验室也在如期开展工作，他们研制的仪器正在现场进行 测试。而在中石化方面，最有代表的就是胜利油田测井技术中心，他们也正在对 微电阻率扫描成像测井仪器进行研制，目前还没有相应的产品问世。在中国海洋 石油方面，他们在九五期间就有8 6 3 研究，由于当时的一些客观原因，研制最终 失败，目前中海油服在和电子科技大学自动化工程学院合作，研制新一代的微电 阻率扫描成像测井仪，仪器已进入现场实际测井阶段。 国内外在电阻率成像测井仪方面发展状况对比瞄3 ： 2 第一章引言 ( 1 ) 斯伦贝谢：发展最早，在微电阻率测井方面处于世界领先的位置，它从 上世纪8 0 年代中期研制出两极板的地层微电阻率扫描仪f m s ；应用最早。经 过十年的发展于9 0 年代中期研制出8 极板的地层微电阻率扫描仪f m i ，目前 仍性能优异，在各大油田使用广泛。 ( 2 ) 哈里伯顿：上世纪9 0 年代中期，研制出具有1 5 0 个电极的六臂微电阻 率扫描成像仪e m i ，2 0 0 3 推出增强型微电阻率扫描成像仪器x r m i ，2 0 0 4 年批 量生产，性能和用户应用好，具有赶超斯伦贝谢的可能。 ( 3 ) 阿特拉斯：上世纪9 0 年代中期，研制出1 0 2 2s t a ri m a g e r ，2 0 0 0 年推 出1 0 2 5s t a ri m a g e r ；该仪器在海上勘探应用效果一般，在高阻地层及高矿 化度条件下成像模糊。 ( 4 ) 中海油服：九五期间8 6 3 研究，受制于当时元器件工艺水平等达不到要 求，分辨率低，不能用于实际的测井中，目前正在从事新一代微电阻扫描成 像测井仪研制。 ( 5 ) 中国石油：八五期间开始研究，以c n p c 的测井重点实验室( c p l 技术中 心) 为代表，现有研制的仪器正在现场测试，十一五期间，国家8 6 3 计划已 开展新的微电阻率扫描成像测井仪器。 ( 6 ) 中国石化：以胜利油踊为代表，微电阻率扫描成像测井仪器正在研制中。 1 3 本文的主要工作 本文在介绍e m r i 测井仪原理和结构的基础上，着重阐述e m r i 测井仪井下 控制与通讯电路软、硬件设计，并对控制与通讯电路的实际调试工作环境进行说 明，深入分析调试中遇到的问题和解决方案。 针对测井仪实际工作在高温和高震动的环境，设计中首要考虑的是可靠的控 制和稳定的数据传输，而最为基本的是合适的外围通信接口设计，这些接口主要 体现在e m r i 控制与通讯模块和各功能模块之间的通信接口，包括：双向多通道 数据缓冲( m c b s p ) ，双工异步串口( s c l ) ，井径选择信号和控制马达接口，e d i b 总线接口。为了在成像模式下得到更稳定的时序控制，关键问题是寻找一帧数据 的控制和传输所需最短时间；地面测井系统某些命令是不定时发送，如何更好的 避免众多事件的冲突，如何把某些已知的事件安排在控制与通讯模块相对空闲的 时段进行处理，这些也是e m r i 控制与通讯模块整个时序控制的关键。 论文结构安排如下： 电子科技大学硕士学位论文 第一、二章简单介绍仪器的原理，发展历程，国内外状况和控制与通讯电路 总体方案设计；第三章根据e m r i 控制与通讯模块的实际功能需求，着重阐述仪 器的硬件电路设计，包括各通讯接口设计；第四章详细描述d s p 软件设计的流程， 涉及到主要的命令及子集处理流程；第五章主要阐述相关的调试，分析测试过程 中遇到的问题以及解决方案；第六章总结全文并对未来发展做出了展望。 4 第二章e m p d 控制与通讯电路总体方案设计 第二章e m r i 控制与通讯电路总体方案设计 2 1e m r i 测井工作原理简介 2 1 1e m r l 测井仪信号发射和接收 微电阻率扫描成像测井仪是一种井壁电阻率成像测井装置，它利用地层的电 学性质，通过密集组合的电极扣传感器，阵列测量地层电阻率的微小变化，并进 行高密度采样和高分辨率成像处理，形成井壁微电阻率图像，用于地层分析。它 采用6 个完全相同的极板，每个极板上排列2 5 个电极，如图2 - 1 所示。 图2 一l 极板结构示意图 从图2 。1 可以看出，每个极板上丰i i e n 着两排电极扣，一排为奇数号电极，另 一排为偶数号电极，这些电极按照一定的顺序排列，每个电极上面接有l o 欧姆的 取样电阻，通过这些电极向地层中发射电流，电流经过钻井泥浆和地层后进入仪 器的电流回路短节，这样就形成了整个测量通路，而电极扣周围外壳上的电流( 图 2 2i a ) 对电极发射的电流( 图2 - 2i b ) 起监督作用，以使电极的发射电流聚焦 而流入地层，如图2 2 为仪器测量原理图。 电子科技大学硕士学位论文 电 流 露 t ，一一 2 辜畦f 多j 电 子 旺j 葬 。l ； t ； 。 心l 心。修 ： 图2 2 仪器测量原理不意图 仪器由绝缘短接部分，电子线路部分和探头部分组成。绝缘短接把电流回路 和参考电压分开，利用电缆外皮和探头，测量e m e x 电压，通过地面软件进行计 算可以获得地层电阻率值；电子线路部分是e m r i 测井仪井下部分的核心，它负 责信号源的调制和发射，地层信息数据采集和处理，时序控制和数据通讯等等； 探头部分主要包括钮扣电极，通过钮扣电极往地层中发射2 k h z 的交流电。当仪 器通过测井电缆下放到钻井目的地层段的时候，地面系统发送命令，打开仪器的 6 个带有极板的臂，使极板紧贴井壁，以使大部分电流都流经地层回到电流回路 短节，打开发射模块的发射电压，调整合适的电压值，这时通过一定的速度上提 仪器进行测井，e m r i 井下仪器通过控制与通讯模块和地面系统联系，它一方面 实时响应地面系统的命令，另一方面收集打包数据，把成像数据传送到地面系统。 2 1 2e m r i 微电阻率测量原理 e m r i 微电阻率扫描成像测井是一种重要的井壁成像方法，它利用多极板 6 第二章e m r i 控制与通讯电路总体方案设计 上的多排钮扣状的小电极向井壁地层发射电流，由于电极接触的岩石成分、 结构及所含流体的不同，由此引起电流的变化，电流的变化反映井壁各处的 岩石电阻率的变化，由此可显示电阻率的井壁成像。 自然界中不同岩石和矿物的导电能力是不同的，尤其地层中所含流体性质不 同时，导电性能差别很大，电阻率测井正是利用这一特点来区别钻井剖面上的岩 层性质和油、气、水层的【6 】。电阻率测井的测量原理其实很简单，它是建立在各 种岩石具有不同的导电性这一基础之上的，物质的导电性是指这种物质传导电流 的能力，常用电阻率这一物理量来表示，导电能力差的物质电阻率高，导电能力 好的物质电阻率低。测量过程中各参数间的关系可用下列方程组表达【7 1 ： k = ，4 + i a ( 2 一1 ) 式中 。极板电压； l 。供电电流； l = 匕o a 厶= o - b 匕= 。 l 从下部外壳及极板流出的电流； 厶由钮扣电极流出的电流； ( 2 - 2 ) ( 2 - 3 ) ( 2 - 4 ) 在采集某钮扣电极电流厶时，该钮扣电极接触的井壁岩层的电导； 吒l 流经的介质电导。 联立方程( 2 - 3 ) ，( 2 - 4 ) 可得： o - b = 厶= 厶。 ( 2 - 5 ) 这样，在测量时，依次采集每个钮扣电极流出的电流厶和极板电压。，就 可以得到钮扣电极所对应部分地层的电导值，当已知转换系数k 时，可求出钮 扣电极所对井壁岩层的电阻率心值刀： r b = 尼圪。厶 ( 2 6 ) 7 电子科技大学硕士学位论文 当沿井身依次测量各钮扣电极流出的电流j 。的变化曲线，经曲线的横向比例 刻度就得到了一组岩层电阻率尺。随井深的变化曲线。 探头由六个臂组成，每一个臂上有一个极板，共有6 个极板。每个极板上有 2 5 个钮扣电极，共有1 5 0 个钮扣电极。 微电阻率成像测井仪的六个成像测量极板上的1 5 0 个钮扣电极通过一个低阻 抗测量电路与下部电极系相连，进入钮扣电极的电流被屏蔽聚焦后进入地层，如 图2 - 2 所示。测量的钮扣电极上的电流强度反映出该钮扣电极接触的井壁地层领 域由于岩石结构或电化学的非均质性引起的电阻率的变化。每个电极的电流强度 与测量电位差的比值作为曲线记录下来，其采样间隔为o 1 英寸。仪器通过装在 极板上的电极测量值绘制出地层微电阻率信息，从而得到优质的地层成像资料， 阵列钮扣电极流出的电流经适当处理可刻度为彩色或灰度等级图像，反映地层微 电阻率的变化，浅色代表高电阻率，深色代表低电阻率。地面软件对微电阻率进 行处理而产生2 维或3 维初始成像图。 2 2e m r i 控制与通讯电路总体方案设计 2 2 1e m ri 控制与通讯电路功能描述 控制与通讯电路是微电阻率扫描成像测井仪井下部分的重要模块，地面系统 所有的操作命令和参数都要经过该模块，它负责接收、解析接收到的命令，然后 用命令和相关参数控制各电子线路模块；与此同时，井下仪器各种模式下的数据 都要经过控制与通讯模块接收、封装和打包后发送到地面系统，它协调整个井下 仪器有条不紊的工作。 e m r i 控制与通讯电路功能： ( 1 ) 控制与通讯电路能实现地面测井系统命令接收、译码和处理； ( 2 ) 实现数据封装打包，数据f i f o 缓存和数据上传控制； ( 3 ) 完成仪器各种采集模式的控制，如成像测井模式，倾角( d i p ) 测井模 式，井身结构模式等； ( 4 ) 通过a d c 实现辅助数据采集( 主要电源和地采集，井径信号采集，温度 传感器采集) ，各种状态信息收集； ( 5 ) 通过多通道缓冲串口( m c b s p ) 实现处理模块控制和参数设置，成像数 据、e m e x 电压和状态信息接收； ( 6 ) 通过异步串口( s c i ) 实现发射模块控制和参数设置，发射模块各种状 8 第二章e v i l l i 控制与通讯电路总体方案设计 态信息查询接收； ( 7 ) 马达控制：实现马达反转、正转和断电等相关操作的控制； ( 8 ) 接收地面测井系统复位命令，完成模块初始化。 2 2 2e m ri 控制与通讯电路结构设计 e m r i 控制与通讯电路属于微电阻率扫描成像测井仪控制和通讯部分，它在整 个微电阻率成像测井系统中起着承上启下的作用。所有地面测井系统的命令及参 数都由它来接收、解析和处理，所有井下仪器的成像数据和各模块的工作状态参 数都由它来收集打包，并通过e d i b 总线上传到传输短节。同时，e m r i 控制与通 讯电路还采集各种辅助数据，这些辅助数据包括：井下仪器工作环境温度，井下 仪器各工作电源电压，6 个推靠器的井径数据，推靠器的压力参数等等。 该电路采用d s p 和f p g a 的架构，同时增加a d c 模数转换芯片用来采集各种辅 助数据。d s p 是e m r i 控制与通讯电路的控制核心芯片，所有的命令接收、解析和 处理都是由它来完成，它还控制着各种成像数据的接收、打包和发送，同时，它 也控制各种辅助数据的采集、接收和打包。f p g a 是重要的逻辑设计和数据缓存芯 片，其主要的逻辑功能包括：实现差分曼彻斯特编、解码，e d i b 总线使用的是差 分曼彻斯特码传输，e d i b 下行命令要由曼彻斯特码转换成n r z 码( 非归零码) ， 而e d i b 上传的各种数据要由n r z 码转换成曼彻斯特码；实现各种数据缓存，利用 f p g a 芯片自带的存储空间异步f i f o 实现缓存，模式2 、5 和7 各有一个异步f i f o ， 辅助数据采集单元也有一个异步f i f o ；实现a d c 辅助数据采集的逻辑单元，主要 根据模数转换芯片提供相应的采集逻辑；实现马达控制功能，根据地面测井系统 命令，实现马达模块需要的控制信号。 在e m r i 控制与通讯电路设计中，为了更好的实现各种控制信号和参数顺利到 达各电路模块，设计了多个接口电路，这些接口一方面用来发送控制信号，另一 方面用来接收各模块的各种状态信息，成像数据等等。这些接口有：e d i b 总线接 口，用来和传输短节通讯；多通道缓冲串口m c b s p ，用来实现和数据处理模块通 讯；异步串行接口s c i ，用来和发射模块通讯。图2 3 为控制与通讯电路结构框 图。 9 电子科技大学硕士学位论文 图2 - 3 控制与通讯电路结构图 如图2 - 3 所示，多路复用器( d g 5 0 6 从k ) 在f p g a 所给地址控制下，用来选择 各种辅助数据进入模数转换器进行模数转换，a d 芯片采集控制逻辑是由f p g a 来 实现的；d s p 是控制核心芯片，设计中采用了d s p 的两个外部中断i n t o 和i n t l ， i n t o 中断的优先级最高，设计为接收地面测井系统命令和参数，i n t l 用来接收 a d 采集的各种辅助数据，d s p 的四根地址线a 0 、a l 、a 2 和a 3 用来实现和f p g a 中各逻辑数据单元通讯，多通道缓冲串口( m c b s p ) 设计为双向的数据线，一方面 给处理模块发送命令，另一方面通过m c b s p 接收大量成像数据，异步串口( s c i ) 设计来和发射模块通讯，通过异步串口，控制发射模块所发射信号的幅度，同时 也接收发射模块各种状态信息，如发射模块发射电压，发射电流，发射模块占空 比，发射模块所使用电源等等；e d i b 总线接口是很重要的通讯接口，为了减少在 高温高震动环境下传输数据的干扰，采用差分的曼彻斯特码传输数据，同时，传 1 0 第二章e m r i 控制与通讯电路总体方案设计 输数据块的头部加上同步帧头。通过该总线实现地面测井系统和井下测井仪器之 间通讯，该总线有三个传输通道，模式2 、模式5 和模式7 通道，模式2 分下行 和上行通道，分别用来向井下传输命令和向井上传输数据，模式5 和模式7 是两 个完全相同的通道，只用来向井上传输数据；马达控制主要是由f p g a 根据不同的 命令，产生马达模块所需要的各种信号，这些不同的信号可以组合起来，实现马 达不同的控制，如：马达正转，马达反转以及马达断电等等。 电子科技大学硕士学位论文 第三章e m ri 控制与通讯电路硬件设计 3 1d s p 硬件单元设计 3 1 1d s p 芯片选型和资源分析 d s p 芯片选型主要考虑到以下几个因素： ( 1 ) 能在高温，高震动环境下稳定工作； ( 2 ) 能满足设计所需要的各种存储空间和接口资源； ( 3 ) 能方便甲方量产采购。 目前，市面上d s p 芯片主要有这么三种，t i 公司的d s p ，摩托罗拉公司的d s p 和a d i 公司的d s p ，这三家公司当中，只有t i 公司的品种最齐全，应用也很广泛， 资料也比较齐全，因此设计中选用t i 公司的d s p 芯片，而在t i 公司中，又有2 0 0 0 系列，5 0 0 0 系列和6 0 0 0 系列，结合到e m r i 控制与通讯电路当中，仪器要工作在 高温1 7 5 。c 的环境，2 0 0 0 系列是专门为控制而设计的，而t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 具有商 业级、工业级和军品级芯片，芯片温度范围比较齐全，综合以上几点因素最终确 定选用t i 公司的t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 军品级芯片。通过高温实验，该芯片能在1 7 5 。的 环境下稳定工作4 小时以上。 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 是t i 公司最新推出的数字信号处理器，它是基于t m s 3 2 0 c 2 x x 内核的定点数字信号处理器，芯片上集成了多种外设，同时代码和指令与f 2 4 x 系列数字信号处理器完全兼容【8 】，f 2 8 1 2 数字信号处理器与以前的f 2 4 x 系列相比， 提高了运算的精度( 3 2 位) 和系统的处理能力( 1 5 0 m i p s ) ，具有1 2 8 位的密码保 护机制有效地保护了产品的知识产权。t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 片上具有：可达1 2 8 k x l 6 b i t 的f l a s h 存储器，可达1 2 8 k x l 6 b i t 的r o m ，2 k x l 6 b i t 的o t pr o m ，两块4 k x l 6 b i t 的单周期访问r a m ( s r a m ) ，一块8 k x l 6 b i t 单周期访问r a m ( s r a l l l ) ，一块i k x l 6 b i t 的单周期访问r a m ( s r a m ) ，丰富的存储资源完全能够满足设计的需要。不仅如此， 它还有丰富的串口通信外设，包括有：串行外设接口( s p i ) ，两个u a r t 接口模块 ( s c i ) ，增强的e c a n 2 o b 接口模块，多通道缓冲串口( m c b s p ) 。这些接口可以用 来灵活设计和外部模块的通信，从而为产品的开发提供了很大的方便，图3 一l 为 其功能结构框图【8 】。 1 2 第三章e m r i 控制与通讯电路硬件设计 t i 盯0 6 p 1 0 m u x t x i n t l 3 x n m x 1 麒c lk i n x p p l d i s c p u t i m e ro c p u - t i m e r1 c p u t i m e r2 p i e f 9 6i n t e r r u p t sj t e x t e r n a li n t e r r u p t c o n t r o l c x i n t i 2 13 x nm i ) s c i a s c l 日f i f o s p lf l f o m o b s pf i f o t c a n 1 2 b ta d c 鼯s t e mc o n t r o l ( o s c i l l a t o ra n dp l l + p a r l p h e r a lc l o c k i n g + l o w = p o v r m o d e = + w a t c h d o gl p e r i p h e r a l b u s m o r y 廿u s n t 【12 = 1 ， i n t 3 n m c 2 b c p u r s c l h i n r i 耵m j i a 6 b d e r n h t e r f a o e 【x i n t fj $ c o r d r o i 1 d t 崔1 6 m ds a r a m 1 k x1 6 m 1s a r a m 1 kx 1 6 l 0s a r a m 4 kx1 6 l 1s a r a m f l a s h 1 2 b kx 1 6 ff 2 9 1 2 1 6 4 kx1 6 【f 2 噜1 0 l o t p 2 k x l 6 h 0s a r a m b o o tr o m 图3 - 1i m s 3 2 0 f 2 8 1 2 功能结构框图 如图3 - i 所示，t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 具有丰富的接口资源和我存储空间，在本电路 设计系统中所使用到的主要资源有： ( 1 ) 多通道缓冲串口m c b s p ，用于和处理模块通信； ( 2 ) 异步串口s c i ，用于和发射模块之间通信； ( 3 ) j t a g 接口，用于实时在线仿真； ( 4 ) x z c s 2 接口，用于实现和f p g a 芯片通信； ( 5 ) 部分g p i o 口，用于f p g a 中实现逻辑控制； ( 6 ) i n t o 和i n t l 外部中断，接收命令和数据所用； ( 7 ) f l a s h 存储器，用于存储下载文件； 1 3 电子科技大学硕士学位论文 ( 8 ) h o ，m 0 和m 1s a r a j 订，实际下载到f l a s h 中的程序运行空间； ( 9 ) 系统控制模块，p l l 和o s c 用于系统时钟。 3 1 2 d s p 芯片和f p g a 之间通信单元设计 在e m r i 控制与通讯电路设计中，由于d s p 和f p g a 之间要频繁的交换数据， 在本电路设计中，采用了d s p 的外部接口x i n t f 来实现数据的交换；实际交换的 数据种类十分繁多，采用数据线和部分地址线相互搭配的方式，通过f p g a 中对地 址的译码来识别不同种类的数据，同时f p g a 中和d s p 相连的数据线设计为双向的 数据线，一方面便于f p g a 接收的地面测井系统命令传送到d s p 中，a d 采集的辅 助数据从f p g a 的内部f i f o 中传送到d s p 中；另一方面便于d s p 封装打包好的成 像数据或辅助数据缓存到f p g a 中的模式2 、5 和7 f i f o 中缓存，并通过e d i b 总线 接口发送到地面测井系统，外部接口框图如图3 2 所示 9 1 。 0 a t s p r u c ep r o m ：s p t e o x o o o 2 0 0 0 0 柚0 0 0 - - 4 0 0 0 0 x 0 0 6 0 0 0 图3 2d s p 外部接口框图 如图3 2 所示，x i n t f 是t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 芯片的一个外部接口，该接口有三个 控制使能端口，x z c s o ，x z c s l 和x z c s 2 ，这些接口中有些是和其它功能复用的，有 1 4 第三章e m r i 控制与通讯电路硬件设计 些是单独使用的。在本电路实际设计中，选取了没有复用功能的x z c s 2 口作为数 据的传输控制口，这样操作起来比较方便和简单，同时也使用了这个接口的控制 线x w e 和x r d ，x w e 为写数据使能控制线，x r d 为读数据使能控制线，该接口的地 址范围在o x 0 0 0 8 0 0 0 0 一o x 0 0 1 0 0 0 0 0 内，d s p 程序里面操作接口的地址必须选在这 个范围之内，然后选择部分地址进行译码，从而达到传输数据和识别数据类型的 目的。d s p 和f p g a 的接口电平都设计为3 3 v ，在使用中不需要专门的电平转换芯 片就能够实现数据的传输，这就减少了电路中器件的数量，p c b 板的尺寸也随之 减小，降低了开发生产成本，图3 - 3 为d s p 电路设计框图。 图3 - 3d s p 电路设计框图 如图3 3 所示，d s p 电路主要由d s p 芯片，电源管理单元和各种外部接口组 成，这些接口包括多通道缓冲串口m c b s p ，异步串口s c i 以及x i n t f 接口，这些 接口既保证的命令和参数顺畅到达，也方便了各种数据的传输，1 6 位数据线 d a t a o 一1 5 和4 位地址线a o - 3 连接到f p g a 。 3 2 辅助数据采集( a d c ) 单元电路设计 3 2 1多路复用器选型 由于辅助数据信号种类比较多，实际设计中，需要选用一个多路复用器把辅 助数据依次选入a d c 供其采集。多路复用器是一个比较重要的芯片，所有的辅助 信号都要通过该芯片选择进入a d c 采集芯片，这些辅助信号有各种电源电压，有 电子科技火学硕士学位论文 仪器工作的环境温度，也有井径模块传送过来的井径信号，这些信号对于地面测 井操作工程师非