基于TMS320F2812的微弱電壓測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

安慰東，包德洲，劉 杰

(中國石油測井有限公司技術(shù)中心，陜西 西安710071)

油井下過金屬套管后，由于金屬套管的電阻率與地層電阻率相比是極微小的(地層的電阻率在1Ω·m～1 000Ω·m之間，而金屬套管的電阻率的典型值為2×10-7Ω·m[1])，根據(jù)電流沿著電阻率最小的路徑完成回路這一原理，在套管與地層之間,大部分電流會沿低電阻率的套管流動(dòng),只有一小部分泄漏到地層中去[2]，稱之為漏電流。不同的地層電阻率，漏電流也不盡相同。因此,通過測量套管上微小的電壓降，從而計(jì)算出漏電流，可達(dá)到測量套管外地層電阻率的目的。

1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)構(gòu)架

不同電阻率測井儀器的信號量級如圖1所示。可以看出,過套管測井的測量信號量級是非常低的，在納伏級(10-9V)。由于測量信號非常微弱，所以采集系統(tǒng)的精度高低將直接關(guān)系到儀器的測量準(zhǔn)確度和測量范圍。

圖1 不同電阻率測井的信號量級

圖2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖

本設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖如圖2所示,V1、V2即為套管上微小的電壓降。因?yàn)閂1、V2為納伏級信號，所以首先對兩路信號進(jìn)行放大和濾波，然后進(jìn)入A/D完成模/數(shù)轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)選用了TI公司的高精度24位A/D芯片ADS1274作為模/數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，DSP選用了TI公司的TMS320F2812DSP作為控制芯片。通過F2812的GPIO端口與ADS1274進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；F2812自帶的eCAN控制器與CAN收發(fā)器連接，完成數(shù)據(jù)的通信。

2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 放大濾波電路

在前置放大電路中，整個(gè)系統(tǒng)的噪聲情況主要由第一級放大電路決定。對于差分輸入端來說，會引入較大的共模干擾，因此對前級的放大器共模抑制能力有比較高的要求[3]。所以采用了一片AD620來組建初級放大器。AD620是一款高精度儀表放大器，僅需要一個(gè)外部電阻來設(shè)置增益，增益范圍為1～10 000[4]。由于整個(gè)放大電路的總增益要求是非常高的,而單個(gè)運(yùn)放增益又不宜過大,所以電路采用多級放大電路組態(tài)方式，經(jīng)過多級濾波、多級放大,逐步提高信噪比。采用兩片OPA211搭建了多級帶通濾波器，總放大倍數(shù)達(dá)到1 200倍。

2.2 A/D轉(zhuǎn)換電路

A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)決定轉(zhuǎn)換電壓的精度，測量微小信號時(shí)，信號越小，A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)就相應(yīng)要求越高。本系統(tǒng)A/D采集芯片選擇ADS1274，該芯片是目前TI公司采樣速率最高的單通道24位Δ-ΣA/D轉(zhuǎn)換器之一。它可以實(shí)現(xiàn)4通道同步采樣，可通過設(shè)置相應(yīng)的輸入/輸出引腳選擇工作模式，其數(shù)據(jù)輸出可選幀同步或SPI串行接口，便于連接至DSP[5]。

ADS1274采用的是差分輸入，差分信號比單端信號擁有更強(qiáng)的抗噪聲能力，所以需要差分放大器來進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。本文選用了TI公司的全差動(dòng)放大器THS4503作為ADC的驅(qū)動(dòng)電路，將放大濾波后的電壓單端信號轉(zhuǎn)換為差分信號，送至ADS1274的輸入端，驅(qū)動(dòng)電路原理如圖3所示。選擇合適的電阻值，使得驅(qū)動(dòng)電路輸出差分信號幅度與ADC信號輸入范圍匹配。

圖3 ADS1274驅(qū)動(dòng)電路

2.3 TMS320F2812的McBSP

McBSP（Multi-channel Buffered Serial Port）是TI公司生產(chǎn)的數(shù)字信號處理芯片的多通道緩沖串口，它是在標(biāo)準(zhǔn)串行接口的基礎(chǔ)之上對功能進(jìn)行擴(kuò)展，因此，具有與標(biāo)準(zhǔn)串行接口相同的基本功能。McBSP內(nèi)部包括數(shù)據(jù)通通路和控制通路兩部分，并通過7個(gè)引腳與外部器件相連，引腳功能如表1所示。

表1 McBSP引腳功能

2.4 DSP選型及其接口電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)選用的DSP是德州儀器公司TI生產(chǎn)的DSP-TMS320F2812。它是TI公司推出的目前2000系列中性能最高的32 bit定點(diǎn)DSP器件,具有128 K×16 bit的片上Flash、18 K×16 bit的片上RAM以及十分豐富的內(nèi)部資源及外設(shè)接口,被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、生產(chǎn)等領(lǐng)域。

TMS320F2812DSP與ADS1274的接口電路如圖4所示。

圖4 TMS320F2812DSP與ADS1274的接口電路

TMS320F2812有56個(gè)通用輸入輸出引腳GPIO，共分為6組,分別為GPIOA、GPIOB、GPIOD、GPIOE、GPIOF、GPIOG。這些引腳基本上都是多功能復(fù)用引腳，既可以作為DSP片內(nèi)外設(shè)，也可作為通用的數(shù)組I/O口。

在F2812內(nèi)部，由GPIOF8-GPIOF13控 制McBSP。在本系統(tǒng)中，GPIOF9為接收時(shí)鐘，與ADS1274的SCLK連接；GPIOF11為接收幀同步，與ADS1274的DRY/FSY連接；GPIOF13為串行數(shù)據(jù)接收,與ADS1274的DOUT1連接，使得F2812和ADS1274完成數(shù)據(jù)傳輸。使用通用管腳GPIOB連接ADS1274的工作模式(MODE[1∶0])、數(shù)據(jù)輸出模式(FOMAT[2∶0])、同步采集信號(SYNC)和低功耗信號(PWDN[4∶1]),這樣可以靈活配置ADC的工作狀態(tài)，還可以關(guān)閉不使用的通道，降低ADC的功耗。

2.5 數(shù)據(jù)通信電路設(shè)計(jì)

CAN(Controller Area Network)總線是現(xiàn)場總線的一種，由于其具有通信速率高、可靠性強(qiáng)、連接方便、性價(jià)比高等特點(diǎn)，并且CAN總線采用差分信號傳輸，具有很強(qiáng)的抗干擾能力，驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，可提供高達(dá)1 Mb/s的串行數(shù)據(jù)傳輸速率，而廣泛地應(yīng)用于汽車、工業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域[6]。

表2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

F2812集成了eCAN控制器(即增強(qiáng)型CAN控制器)，為CPU提供了完整的CAN2.0B協(xié)議，減少了通信時(shí)CPU的開銷。為了使得F2812eCAN模塊的電平符合高速CAN總線的電平特性，本系統(tǒng)在eCAN模塊與CAN總線之間增加了CAN收發(fā)器(也稱為驅(qū)動(dòng)器)—SN65HVD233，用于將二進(jìn)制碼流轉(zhuǎn)換為差分信號發(fā)送，或?qū)⒉罘中盘栟D(zhuǎn)換為二進(jìn)制碼流接收，以完成數(shù)據(jù)的傳輸與通信。

3 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)及結(jié)果

利用油田開發(fā)所用的套管，根據(jù)實(shí)際的測井條件搭建了實(shí)驗(yàn)平臺，利用所設(shè)計(jì)的采集系統(tǒng)測量套管上的壓降，如圖5所示。

圖5 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)框圖

首先,大電流發(fā)射裝置在套管上供出7 A左右的電流；其次,3個(gè)測量電極U、M、D從套管上分別采集R1、R2兩端的電壓UM、MD(R1、R2分別為U與M、M與D間的電阻，兩者近似相等；在套管兩端分別接上約30Ω的導(dǎo)線，導(dǎo)線的另一端接地，用來模擬井中圍巖，從M點(diǎn)引出一根導(dǎo)線到電阻模擬盒)，再兩兩作為差分信號輸入低噪聲的前置放大電路，經(jīng)過放大濾波、A/D轉(zhuǎn)換后，進(jìn)入TMS320F28129處理器進(jìn)行數(shù)字信號處理；最后TMS320F2812通過RS232接口與計(jì)算機(jī)相連，將組織好的數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)進(jìn)行計(jì)算，通過改變電阻模擬盒的阻值對V1、V2進(jìn)行測量采集，并且通過計(jì)算得出測量電阻的阻值，并且進(jìn)行顯示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

從表2中的數(shù)據(jù)可以看出，在相同阻值條件下V1、V2的測量值相對穩(wěn)定，離散度不高，測量精度能夠得到保證，且標(biāo)準(zhǔn)差隨著測量電阻的增加逐步減小。經(jīng)過計(jì)算，測量電阻的相對誤差控制在6%左右，能夠滿足實(shí)際工程測量領(lǐng)域的要求。目前該系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于油田開發(fā)的過套管電阻率測井儀器中，用于測量金屬套管的電阻值以及地層的電阻率，并已完成若干口生產(chǎn)井的測井任務(wù)，測量結(jié)果真實(shí)、可靠。

[1]吳銀川,張家田,嚴(yán)正國.過套管電阻率測井技術(shù)綜述[J].石油儀器,2006,20(5)∶1-5.

[2]田永慶.套管井電阻率測井技術(shù)[J].特種油氣藏，2003，10(6)∶96-98.

[3]樓鋼，李偉，鄧學(xué)博.小信號放大電路設(shè)計(jì)[J].浙江理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，24(6)：1-4.

[4]DEVICES A.Inc.Low cost，low power instrumentation Amplifier[Z].2004.

[5]王懷秀,朱國維.24位高性能模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS1274/ADS1278及其應(yīng)用[J].國外電子元器件，2008(5)∶53-56.

[6]鎢寬明.現(xiàn)場總線技術(shù)應(yīng)用選編(上)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2003.