一種井下成像儀器控制及通信電路設計與測試

嚴明明，王志剛，師奕兵

（電子科技大學自動化工程學院，四川 成都 611731）

0 引 言

成像測井技術是目前最先進的測井技術，該技術是在傾角測井技術的基礎上發展起來的[1-3]。利用地層的電學性質，通過密集組合的電流傳感器，陣列測量地層電阻率或電導率的微小變化，并進行高密度采樣和高分辨率成像處理，形成井壁圖象，用于地層分析。成像測井儀是研究地質構造、沉積特征、裂縫等地質現象的最佳儀器之一[4-5]，它不僅能對井壁周圍的巖石進行定向描述，還能反映巖石的內部地質特征，而且適應面寬[6]。

該文討論了一種測井儀器的控制電路的設計與成像測試，以DSP+FPGA為基本結構設計了井下測井儀器控制電路的硬件和軟件。重點介紹了系統原理設計、系統軟件流程設計、與地面的通信設計以及系統測試與調試4個方面。

1 功能分析

控制與通信電路是成像測井儀的重要組成部分，它主要負責與地面建立通信以及控制井下儀器的其他模塊的工作。控制與通信電路主要由DSP處理器、FPGA全局邏輯、儀器總線接口構成，控制電路主要任務有：

（1）等待來自地面的指令。若為采傳命令，首先將命令傳給數據處理模塊板，其次給ADC控制模塊發送采集使能，然后把上一次采集打包好的數據傳給FIFO中并給發送使能信號，再接收ADC此次采集的輔助數據，最后接收數據處理模塊送來的成像數據和各種狀態數據。

（2）通過McBSP接口控制數據處理模塊和信號采集模塊工作，SCI接口控制信號發射模塊工作，3路數字控制線控制電機控制器工作。

（3）完成儀器測試數據的讀取、封裝并定時傳輸速率傳到地面系統上去。其中傳輸的每幀數據中包含來自數據處理模塊的成像數據、狀態字，信號發射模塊的電壓、電流、占空比和狀態字以及電極方位數據和測徑數據。

2 系統原理設計

儀器控制模塊的原理框圖如圖1所示。儀器控制模塊主要由DSP系統、FPGA系統、參數采集系統、電平轉換驅動電路構成。DSP是控制電路的核心,控制電路的所有命令解釋、分發、參數采集控制以及數據的打包與封裝都是在DSP中實現的。FPGA中的主要邏輯包括：與地面控制系統通信的全雙工雙向異步通信串口，Manchester編碼/解碼器，ADC采集控制信號，配置各外部電機、附加模塊的MUX選通信號。參數采集電路主要由A/D轉換器和多路復用芯片兩部分組成，主要是為了完成輔助參數的采集和診斷電壓的采集。電平轉換驅動電路主要是為了把從其他模塊得到的輔助信號和診斷信號轉換成能夠適合A/D采樣范圍的信號。在系統中，所有井下儀器包括成像井下儀器都處于被動受控制的地位，也就是說井下儀器的所有工作狀態由地面系統來確定。地面系統按照一定的時序，通過一系列指令來控制所有井下儀器。不同的井下儀器以儀器地址來區分，每種井下儀器的地址都是唯一的。成像井下儀器的儀器地址也是唯一的[7]，地面系統將指令發送給儀器控制模塊后，主控模塊對所接收到的攜帶本地儀器地址的指令進行指令譯碼，指令的格式及含義在指令協議中必須有明確的約定。對于成像井下儀器來說，指令一般包括復位、通信訓練、數據采集、上傳、輔助信號采集等5個命令[8]。

圖1 控制與通信電路結構圖

3 軟件設計

在井下成像測井儀器的控制與通信電路中，DSP是控制的核心，所有命令的解析和處理以及數據的緩存和發送都是由它負責實施。其DSP的總體軟件工作流程見圖2，其操作流程如下：

（1）接通電源后，DSP復位進入正常工作模式。

（2）等待來自地面指令，指令經FPGA解碼，然后送入DSP進行編譯。DSP產生同步指令，使信號發射模塊、數據處理模塊與控制模塊保持同步，DSP編譯的命令通過DSP的SCI接口實現對信號發射模塊控制，通過FPGA對輔助信號板和電機的控制。

（3）信號發射模塊通過緩沖器實現與控制模塊的串口通信，信號發射模塊中的電壓電流信號及占空比、狀態字通過串行傳輸送入到DSP中。

（4）DSP接收來自數據處理模塊的測井數據，并將輔助數據和診斷數據打包在一起。

（5）DSP在接收到一幀數據的同時將前一幀數據傳到地面系統，傳輸的每幀數據中包含來自數據處理模塊的電阻率成像數據、狀態字，信號發射模塊的電壓、電流、占空比和狀態字以及輔助數據。

（6）由輔助信號采集板采集的數據通過多路復用器連接到控制模塊中。由電源產生模塊產生的對儀器各個模塊進行供電的各種電壓也由多路復用器接入。FPGA對多路復用器地址進行控制，選通的信號由A/D轉換器進行模數轉換，并輸入到FPGA中，并由FPGA輸送到DSP。

圖2 控制與通信模塊工作流程

（7）根據譯碼結果進行相應的操作。若為采傳命令，首先將命令傳給數據處理模塊，其次給ADC控制模塊發送采集使能，然后把上一次采集打包好的數據傳給FIFO中并給發送使能信號，再接收ADC本次采集的輔助數據，最后接收數據處理模塊送來的測井數據和各種狀態數據。

4 儀器總線接口設計

井下儀器總線是用于系統掛接的井下儀器的接口總稱。該總線采用主從結構和Manchester編碼，這種數據傳輸方式非常適合于惡劣的工作環境，它可以有效地避免數據傳輸中電荷的累積，也有很強的抗干擾性。總線從傳輸短節下端開始，在FPGA中，采用Verilog HDL硬件描述語言對Manchester碼解碼模塊進行設計，在數據傳輸中，數據塊的長度不固定，數據字的長度是16位，數據塊的長度可自行定義，數據塊的前部有8個采用Manchester碼編碼的“0”和3位起始位作為同步頭，沒有奇偶校驗位。Manchester碼的開始部分波形如圖3所示。

圖3 Manchester碼開始部分波形圖

5 系統調試與測試

5.1 編碼調試

數據速率設為93.75 Kb/s。在這里連續發送0×CA55，其調試結果圖見圖4，其中數據塊的前部有8個采用Manchester碼編碼的“0”和3位起始位作為同步頭。

圖4 Manchester編碼測試

5.2 現場測試分析

圖5為在訓練模式下控制與通信模塊和地面測井系統通信狀態監測窗口。所謂的訓練模式，就是為了地面測井系統用于檢查儀器通道是否正常，它通常傳輸一些固定的數據，用于地面測井系統進行校驗。一般來說，地面系統一次校驗都會發送具有一定時間間隔的命令100次，其中每次接收的數據都完全正確才表明訓練成功。

圖5 地面測井系統總線通信監測

如圖5所示，窗口中第1行為地面測井系統下行通道發送命令監測，第4、5、6行為井下測井儀控制與通信模塊回傳給地面測井系統的數據監測，第2、3行為接入伽馬和方位測量儀器的傳輸通道。第1列中T/O狀態為4表示未接入該儀器，第2列NVM表示累計錯誤幀數，第3列OK為灰色表示通信完全正常。從實時監測圖中可以看出井下測井儀器和地面測井系統通信穩定。

5.3 系統成像聯合測試

系統成像聯合測試所用到的設備有：

（1）地面測井系統，包括地面系統的軟、硬件；

（2）7 km的實際測井電纜，用來在室內模擬實際傳輸信號衰減情況；

（3）傳輸短節，用于傳輸通道數據發送電平的提升；

（4）井下測井儀相關電子線路模塊，包括控制與通信模塊、處理模塊、采集模塊、發射模塊、馬達模塊、井徑模塊和電源模塊等；

（5）井下測井儀骨架，主要起著固定各電子線路模塊的作用；

（6）6個電阻箱，每個電阻箱上25個不同的電阻，用于模擬地層電阻。

圖6為實際測試過程中極板掃描數據的成像圖。它的測試環境為：在測試水槽中人為的壘了一些地層，這些地層中壘的圖案包括‘T’字型的縫隙、‘一’字型縫隙和4行小洞穴，每行設置2個，共8個洞穴。測試中把一號極板緊貼模擬地層，以一定的速度把極板拉過地層。

圖6 極板成像測試圖

一般來說，尋找石油就是尋找滿足石油生、儲、蓋條件的圈閉或裂縫地層。如果在某一區域含有能生成石油的地質地層，那么生成的石油必將發生運移，找到石油合適的儲藏空間，這些空間包括圈閉、裂縫或褶皺等，如果再有很好的地質蓋層，石油在該區域儲集起來。如圖6所示，成像圖掃描的裂縫清晰可見，通過測井成像資料的處理，可以得到地層中裂縫的類型、產狀以及走向。研究地質裂縫有非常重要的實際意義，地層中的裂縫就為石油或天然氣提供了良好的儲藏條件。

6 結束語

該文針對微電阻率掃描成像井下測井儀控制與通信電路設計的要求，實現了井下儀器穩定的控制和通信，并通過系統測試與調試，在某新型微電阻率掃描成像測井中得到成功應用。

[1]王相森.聲電成像測井儀器分析[J].石油儀器，2007，21（5）：32-34.

[2]原宏壯.一種新的成像測井儀器設計方案[J].中國石油大學學報，2007，31（2）：51-54.

[3]范斐，龐巨豐，徐佳，等.井周聲波成像測井儀原理與應用[J].計量與測試技術，2009，36（8）：74-76.

[4]劉向君.測井原理及工程應用[M].北京：石油工業出版社，2006.

[5]王珺，王長春，許大華，等.微電阻率掃描成像測井方法應用及發展前景[J].地球物理學進展，2005，20（2）：37-41.

[6]雷綠銀，何豹，楊偉金，等.升級后的XRMI與EMIT的比較[J].石油儀器，2006，20（3）：37-41.

[7]嚴明明.一種井下成像儀器控制電路設計[D].成都：電子科技大學，2008.

[8]王淑明.微電阻率掃描成像測井儀器檢測技術研究[D].西安：西安石油大學，2008.