數(shù)字高分辨率感應(yīng)測(cè)井儀電路功能模塊設(shè)計(jì)

1、俞 勇（第七一五研究所，杭州，310012）摘要 為改進(jìn)現(xiàn)有常規(guī)感應(yīng)測(cè)井儀縱向分辨率和徑向探測(cè)深度性能，研制了數(shù)字高分辨率感應(yīng)測(cè)井儀， 儀器的硬件實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化設(shè)計(jì)的思想，重點(diǎn)介紹了波形發(fā)生器、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)字相敏檢波等主要 功能模塊的設(shè)計(jì)思想。關(guān)鍵詞 感應(yīng)測(cè)井；波形發(fā)生器；數(shù)據(jù)采集；數(shù)據(jù)傳輸感應(yīng)測(cè)井就是利用電磁感應(yīng)原理測(cè)量裸眼井中井壁周圍不同徑向深度的地層電導(dǎo)率。雙感應(yīng)測(cè) 井儀是目前國內(nèi)最常用的感應(yīng)測(cè)井儀器，占有國內(nèi)90%以上的感應(yīng)測(cè)井市場(chǎng)?，F(xiàn)有雙感應(yīng)儀器的設(shè)計(jì) 已不能滿足石油勘探測(cè)井的需要：儀器線圈系縱向分辨率不高；探測(cè)深度較淺；電路設(shè)計(jì)中數(shù)字化程 度低，測(cè)量信號(hào)的相敏檢波采用模擬方

2、法，以致無 法有效分離 r 和 x 信號(hào)；井下信號(hào)傳輸及處理都是模擬體制，效率不高，信號(hào)易受干擾；儀器受井眼、 圍巖、侵入及趨膚效應(yīng)影響嚴(yán)重，影響設(shè)備的薄層 探測(cè)能力。新設(shè)計(jì)的數(shù)字高分辨率感應(yīng)測(cè)井儀除了改變 了原儀器線圈系設(shè)計(jì)以外，還開發(fā)出與之匹配的數(shù) 字電路，提高儀器數(shù)字化程度。由于采用數(shù)字相敏檢波與以太網(wǎng)技術(shù)，提高與地面設(shè)備傳輸效率，使 儀器對(duì)徑向侵入定量描述更加準(zhǔn)確，可以使測(cè)井資 料參與到薄層分析、水淹層判定及其它復(fù)雜地層的研究，提升測(cè)井服務(wù)的質(zhì)量。本文重點(diǎn)介紹該數(shù)字 高分辨率感應(yīng)測(cè)井儀的主要數(shù)字功能模塊的設(shè)計(jì)。1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)高分辨率感應(yīng)測(cè)井儀采用新型線圈系結(jié)構(gòu)， 深、中感應(yīng)分時(shí)工作，增加

3、了對(duì) x 信號(hào)的測(cè)量，在 預(yù)處理中還加入趨附校正、井眼校正、傾角及圍巖 校正、高保真聚焦和垂直分辨率匹配等多種數(shù)據(jù)處 理技術(shù)。因而高分辨率感應(yīng)測(cè)井儀與現(xiàn)有常規(guī)感應(yīng) 相比，成倍擴(kuò)展了需要進(jìn)行預(yù)處理與傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信 息，并增加了對(duì)儀器溫度穩(wěn)定性與整機(jī)可靠性的要 求。高分辨率感應(yīng)測(cè)井儀的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖 1 所示。波形發(fā)生器模塊是整個(gè)系統(tǒng)的信號(hào)產(chǎn)生系統(tǒng)，由高精度函數(shù)發(fā)生器及 d/a 電路組成，提供儀器正 常工作所需的感應(yīng)發(fā)射信號(hào)及參考信號(hào)；數(shù)據(jù)采集 模塊主要包括：用于深、中感應(yīng)各自 r、x 信號(hào)檢 測(cè)的四通道測(cè)量電路及用于儀器自我故障檢測(cè)與 分析的輔助信號(hào)測(cè)量電路通道。發(fā)射電路將波形發(fā) 生器產(chǎn)生的正弦波

4、信號(hào)分別通過深、中感應(yīng)功放的 獨(dú)立升壓放大后送入發(fā)射線圈向地層發(fā)射，接收電 路接收到深、中感應(yīng)的測(cè)量信號(hào)經(jīng)信號(hào)放大器處理 后送入數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行數(shù)字相敏檢波，檢波后的 信號(hào)上傳進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)刃拚?；?shù)據(jù)傳輸模塊主要 完成以下工作：協(xié)調(diào)整個(gè)高分辨率感應(yīng)測(cè)井儀的工 作狀態(tài)，并實(shí)時(shí)進(jìn)行溫度、相位、幅度等自動(dòng)檢測(cè) 與修正，基于以太網(wǎng)技術(shù)的局域網(wǎng)解決方案確保雙 感應(yīng)信號(hào)與地面設(shè)備的數(shù)據(jù)通訊。2 功能模塊的數(shù)字化設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)2.1 波形發(fā)生器模塊高分辨率感應(yīng)波形發(fā)生器模塊產(chǎn)生的發(fā)射信 號(hào)是 20 khz 的正弦波，并且要求深、中發(fā)射相位獨(dú) 立可調(diào)，以確保接收信號(hào)的數(shù)字相敏檢波與發(fā)射信 號(hào)同步。設(shè)計(jì)中，將 20

5、 khz 的正弦波采樣數(shù)據(jù)根據(jù) 調(diào)試的精度要求以及可能的相位偏移情況預(yù)設(shè)多 種起始記錄點(diǎn)，儲(chǔ)存在兩個(gè) flash 存儲(chǔ)器內(nèi)，以 便提高發(fā)射信號(hào)的精度，并建立獨(dú)立的深、中感應(yīng) 發(fā)射信號(hào)同步系統(tǒng)進(jìn)行相位的數(shù)字調(diào)節(jié)。對(duì)固定時(shí) 鐘信號(hào)分頻后產(chǎn)生的地址線，根據(jù)調(diào)試情況，把 flash 存儲(chǔ)器中對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)讀出來，用高速 d/a 芯片進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，經(jīng)運(yùn)放產(chǎn)生正弦的模擬信號(hào)， 并經(jīng)過獨(dú)立運(yùn)放進(jìn)行幅度調(diào)整以滿足接收系統(tǒng)對(duì) 發(fā)射信號(hào)的各項(xiàng)技術(shù)要求。與現(xiàn)有儀器相比，高分 辨率感應(yīng)測(cè)井儀發(fā)射電路采用數(shù)字電路體制，克服 了傳統(tǒng)波形發(fā)生器中頻率不穩(wěn)定的缺點(diǎn)，通過增加 信號(hào)采樣頻率提高了波形精度，并建立了深、中感 應(yīng)各自獨(dú)

6、立的相位、幅度調(diào)節(jié)功能。圖 1 高分辨率感應(yīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖數(shù)字檢相數(shù)據(jù)采集兩級(jí)放大接收 線圈數(shù)字檢相數(shù)據(jù)采集兩級(jí)放大a/d 轉(zhuǎn)換自適應(yīng)監(jiān)控?cái)?shù) 據(jù) 傳 輸 模 塊以 太 網(wǎng) 卡單 片 機(jī)發(fā)射 線圈波形發(fā)生器發(fā)射功放數(shù)字高分辨率感應(yīng)測(cè)井儀的感應(yīng)測(cè)量信號(hào)微弱，易受數(shù)字電路地線毛刺干擾，故在設(shè)計(jì)中增加 了對(duì)系統(tǒng)地線工藝的考慮。具體采用的措施：（1） 通過選用低功耗 flash 器件 am29f010 取代 eeprom，使模塊 vcc 電源耗電量與類似設(shè)計(jì)比 較有明顯下降，數(shù)字電路本來頻譜就較寬，功耗降 低減少了電源的空間輻射影響，改善了整機(jī)地線；（2）深、中感應(yīng)分時(shí)發(fā)射，因而增加一級(jí)模擬開 關(guān)，在不同發(fā)

7、射狀態(tài)下，使其中不工作一路功放的 輸入完全對(duì)地短路，結(jié)合印制板設(shè)計(jì)，確保靜態(tài)噪 聲最小；（3）深、中感應(yīng)的發(fā)射功放地線嚴(yán)格分離， 發(fā)射回路完全獨(dú)立，并增加一級(jí)運(yùn)放的反相器設(shè) 計(jì)，通過運(yùn)放對(duì)地線毛刺的抑制作用，進(jìn)一步減少 了回流電流的大小。2.2 自控監(jiān)測(cè)系統(tǒng)感應(yīng)測(cè)井就是通過對(duì)發(fā)射線圈提供一個(gè)交變 電流，使儀器在周圍地層產(chǎn)生一個(gè)交變磁場(chǎng)。這個(gè) 交變磁場(chǎng)在通過地層時(shí)感生出渦流。渦流在地層流 動(dòng)時(shí)又產(chǎn)生另外一個(gè)交變磁場(chǎng)，即二次磁場(chǎng)，此二 次磁場(chǎng)在穿過接收線圈時(shí)感生出電流并被記錄下 來，接收線圈測(cè)量的感生電流的大小與地層的電導(dǎo) 率成正比1。精準(zhǔn)測(cè)量地層信息，須隨時(shí)保證在井下探測(cè)過 程中，在不同溫度、不

8、同電阻率條件下，儀器的基本參數(shù)處于正常工作狀態(tài)范圍內(nèi)，發(fā)射線圈通過的 是一個(gè)恒流穩(wěn)壓的交變電流。為此，高分辨率感應(yīng) 測(cè)井儀增加了多個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，利用處理完測(cè)量數(shù)據(jù)后的空閑時(shí)間，對(duì)電源、發(fā)射源等多個(gè)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。 具體的監(jiān)測(cè)過程是：先對(duì)儀器中的各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)信號(hào)進(jìn)行采樣，并各自通過一級(jí)獨(dú)立運(yùn)放op07 進(jìn)行正負(fù)電平轉(zhuǎn)換及電平幅度調(diào)整；接著， 幾路監(jiān)測(cè)信號(hào)與溫度傳感器信號(hào)一起加至八路信 號(hào)選通器 hi1818；當(dāng)單片機(jī)處于測(cè)量工作空閑時(shí)， 給出片選與通道選擇信號(hào)，選取 hi1818，并依次啟 動(dòng)其中的一路通道送入 ad650 進(jìn)行壓頻轉(zhuǎn)換；頻 率信號(hào)經(jīng) 82c54 計(jì)數(shù)后，從并口讀入單片機(jī)。單片 機(jī)

9、讀取數(shù)據(jù)后首先判斷是否溫度傳感器信號(hào)。如 是，則讀取該信號(hào)并調(diào)取相應(yīng)溫度值預(yù)存的對(duì)應(yīng)偏 移量，對(duì)四路測(cè)量信號(hào)分別進(jìn)行溫度補(bǔ)償。如是監(jiān) 測(cè)信號(hào)，則調(diào)取相應(yīng)單元的預(yù)存數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，如 對(duì)比后，監(jiān)測(cè)信號(hào)在誤差范圍內(nèi)，在下一空閑時(shí)間， 進(jìn)行另一路監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)對(duì)比；否則，則向地面系 統(tǒng)上傳相應(yīng)預(yù)警信號(hào)。各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的選定保證了對(duì)井 下儀狀態(tài)的了解和客觀分析測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)。2.3 數(shù)據(jù)采集模塊由于受地層的電導(dǎo)率的影響，電磁波在地層傳播時(shí)將有很大的幅度衰減和相位移動(dòng)，感應(yīng)測(cè)井接 收到的信號(hào)具有實(shí)部和虛部分量，它們均有反映地層電導(dǎo)率的信息，現(xiàn)有常規(guī)儀器舍棄了虛部分量， 而高分辨率感應(yīng)測(cè)井儀為了取得更高的分辨率，除 了要

10、精確測(cè)量實(shí)部分量外，還要精確分離、測(cè)量虛部分量，同時(shí)完成對(duì) r 信號(hào)和 x 信號(hào)，以及內(nèi)零、內(nèi)刻信號(hào)的數(shù)據(jù)采集。虛部分量，即 x 信號(hào)的信息中很強(qiáng)的成分是 “直耦信號(hào)”，而分析地層信息所需的有用信號(hào)極 其微弱，故在設(shè)計(jì)中深、中感應(yīng)的前置放大器各自 獨(dú)立，放大電路采用差分形式，有效抑制了系統(tǒng)共 模信號(hào)干擾，輸入變壓器后的首級(jí)放大采用場(chǎng)效應(yīng) 管 2n5434，該器件高速、高精度、低電容、低損 耗；二 、三 級(jí)差分 放大 電路運(yùn) 放選 用四運(yùn) 放 ha-5104，輸入噪聲電壓比較小，這些措施保證了 nv 級(jí)信號(hào)的前置放大。深、中感應(yīng)的 r 信號(hào)和 x 信號(hào)測(cè)量需要四組完 全獨(dú)立、功能相同的數(shù)字采集通

11、道，總共包含 8 個(gè)測(cè)量狀態(tài)。在數(shù)據(jù)采集過程中，單片機(jī) pic16f877a是儀器數(shù)字化設(shè)計(jì)中各電路的控制和連接中心。pic16f877a 具有高性能 risc cpu；除程序指令為 兩個(gè)周期外，其余均為單周期指令；內(nèi)置 8k*14 個(gè)flash 程序存儲(chǔ)器，368*8 個(gè) ram 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)字節(jié)，256*8 個(gè) eeprom 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)字節(jié)；8 級(jí)深度硬件堆棧；10 位多通道 a/d 轉(zhuǎn)換器；功耗較低，滿足井 下工作溫度條件。pic16f877a 提供儀器發(fā)射、接收、狀態(tài)切換和計(jì)數(shù)切換的控制信號(hào)，以控制各電 路完成其各自的功能，實(shí)現(xiàn)了 a/d 啟動(dòng)信號(hào)和采樣 信號(hào)的同步，提高了數(shù)據(jù)發(fā)送和數(shù)據(jù)接收

12、的時(shí)序精度，較好地實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的串并轉(zhuǎn)換、電平轉(zhuǎn)換及深、中感應(yīng)信號(hào)控制線切換，并進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)預(yù)處理和與地面系統(tǒng)的通訊。2.4 數(shù)字相敏檢波在數(shù)字高分辨率感應(yīng)測(cè)井中采用了數(shù)字相敏檢 波來分離實(shí)部和虛部信號(hào)，改變了現(xiàn)有常規(guī)儀器中模擬相敏檢波無用信號(hào)和有用信號(hào)分離不夠徹底的缺點(diǎn)，提高了儀器的測(cè)量精度。具體實(shí)施原理如下。假設(shè)發(fā)射信號(hào)為：c(t) = c cos t測(cè)量信號(hào)為：d (t ) = d cos(t )= d cos t cos + d sin t sin （1）（2）式（2）可以表示為：d (t ) = r(t ) + x (t ) 其中，實(shí)部信號(hào)為：cs8900a 的 i/o 模式訪問有中

13、斷和查詢兩種方式。在網(wǎng)卡芯片正常工作前要初始化，主要包括： 軟件復(fù)位并檢測(cè)復(fù)位標(biāo)志；設(shè)置以太網(wǎng)卡的物理地址；設(shè)定接收幀的類型；接收中斷使能；接收發(fā)送 使能。在每一種測(cè)量狀態(tài)下，井下儀器首先響應(yīng)通訊，提供該狀態(tài)各路模擬開關(guān)控制信號(hào)；然后啟動(dòng)55 ms 計(jì)數(shù)周期，讀取計(jì)數(shù)器數(shù)值，同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)（3） r(t ) = dr cos(t 180 ) = dr cos t虛部信號(hào)為：（4） x (t ) = dx cos(t 90 ) = dx sin t（5）預(yù)處理；最后啟動(dòng) 5 ms 通訊周期，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，cs8900a 與單片機(jī)按 8 位模式連接，網(wǎng)卡芯片復(fù)位后默認(rèn)的工作方式為 8 位

14、 i/o 連 接，基址是 300h。首先，寫傳送命令 00c0h 到txcmd 寄存器；然后，寫數(shù)據(jù)長(zhǎng)度到 txlength 寄 存器。接著，在單片機(jī)向 cs8900a 傳送數(shù)據(jù)前， 監(jiān)測(cè)中斷狀態(tài)寄存器，當(dāng)其第 8 位為“1”時(shí)，可以向發(fā)送端口寫數(shù)據(jù)。第一個(gè)字節(jié)寫入 300h，第 二個(gè)字節(jié)寫入 301h，以此類推直到所有數(shù)據(jù)寫入 網(wǎng)卡芯片，網(wǎng)卡芯片將數(shù)據(jù)組織為鏈路層類型，添加 crc 校驗(yàn)送向網(wǎng)絡(luò)。 在數(shù)據(jù)接收時(shí)，當(dāng)有數(shù)據(jù)到來，單片機(jī)在 301h中讀取高位，在 300h 中讀取低位，依次讀取的地址為：300h，301h，300h，301h，直到讀完 所有數(shù)據(jù)。這種由單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的以太網(wǎng)連接，具有

15、成本低、硬件少、結(jié)構(gòu)靈活、傳輸速率高、抗干擾能力 強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，使系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和可靠性得到有效提 高，完全滿足井下儀器大容量數(shù)據(jù)的傳輸。式中，c、d、dr、dx 分別為發(fā)射信號(hào)、接收信號(hào)、實(shí)部信號(hào)、虛部信號(hào)的幅度。相敏檢波的目的就是要求出 dr 和 dx，從而可以解算出相位 。 假設(shè)對(duì)時(shí)間區(qū)間為 t 的測(cè)量信號(hào)進(jìn)行傅立葉變換（t 應(yīng)等于 的整周期）：td() = d (t )edt tj0tt= d (t ) cos tdt j d (t ) sin tdt （6）00= r jx tr = d (t) cos tdt0t= d cos(t ) cos tdt（7）0= t / 2drtx = d

16、 (t ) sin tdt =0（8）td sin(t ) sin tdt = t / 2dx03 結(jié)論高分辨率感應(yīng)測(cè)井儀由于采用各種數(shù)字功能 模塊，提高了發(fā)射信號(hào)的頻率穩(wěn)定度和溫度穩(wěn)定 度；提高了儀器測(cè)量精度；實(shí)現(xiàn)了儀器整機(jī)的自動(dòng) 監(jiān)控功能；并運(yùn)用以太網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了井下數(shù)據(jù)的高 速傳輸。新一代高分辨率感應(yīng)測(cè)井儀提高了現(xiàn)有感 應(yīng)測(cè)井儀的縱向分辨率，擴(kuò)大了線形范圍，為現(xiàn)有 勘探測(cè)井儀的升級(jí)換代提供了基礎(chǔ)，為下一步成像 測(cè)井儀器的開發(fā)進(jìn)行了有益的探索。從（7）、（8）式可知，只要把測(cè)量信號(hào)乘上對(duì)應(yīng)同頻率零相位的正弦波和零相位的余弦波，積分后就 可以直接分離出實(shí)部信號(hào) dr 和虛部信號(hào) dx，從而 利用=tg-1（dr / dx）求得相位。實(shí)際應(yīng)用中是把（7）、（8）式采用離散化形式，用求和近似代替積分，在編程中實(shí)現(xiàn)2。2.5 數(shù)據(jù)傳輸模塊數(shù)據(jù)傳輸模塊采用以太網(wǎng)技術(shù)，其核心為 cs8900a 芯片，這是 cirrus 公司生產(chǎn)的一種高集成 度、全面支持 ieee802.3 標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)控制器，能 自動(dòng)生成報(bào)頭、自動(dòng)進(jìn)