PSoC在時間譜采集電路中的應用

陳俊，鄧君

（中國工程物理研究院電子工程研究所，四川綿陽621900）

脈沖中子氧活化測井的工作原理是：采用14 MeV高能中子活化地層中的氧原子形成半衰期（7.13 s）短的氮同位素；氮同位素衰變釋放出高能伽馬射線，測量其伽馬射線時間譜；通過解析時間譜計算出流體速度，進而計算流體流量，從而反映油管內、油管/套管環型空間、以及套管外含氧物質特別是水的流動狀況[1-4]。其伽馬射線時間譜的采集及解析直接影響流體速度等計算結果，是脈沖中子氧活化測井儀的關鍵技術。文中介紹了可編程片上系統PSoC芯片在氧活化測井儀時間譜采集電路中的應用。

1 伽馬射線時間譜

脈沖中子氧活化測井儀中，伽馬射線的探測，其時間譜的采集、解析是至關重要的工作，直接影響儀器的測量精度。

伽馬射線入射到伽馬探測器，其中閃爍晶體受伽馬射線的電離作用，將發出熒光。絕大部分熒光通過光導材料入射到光電倍增管，經光電轉換和倍增后，輸出脈沖電荷信號，脈沖電荷信號輸入到時間譜采集電路中。

放大電路將探測器輸出的脈沖電荷信號轉換為脈沖電壓信號，該脈沖電壓經過閾值比較后，將轉換成數字脈沖信號。脈沖計數模塊對數字脈沖信號進行計數后，數據處理及傳輸模塊則將其傳輸給井下測控組件，測控組件將數據打包上傳至地面，完成伽馬射線時間譜的采集。

通常脈沖計數采用可編程邏輯器件CPLD實現，其計數結果的處理及傳輸則采用一片單片機完成。數字脈沖的計數占用CPLD的邏輯資源較少，用一片CPLD來對伽馬射線進行計數，顯得浪費。另外，CPLD多為進口器件，耐125℃高溫的CPLD更是難以采購，即使能采購到，其價格也極為高昂。為了解決上述問題，文中采用Cypress公司的可編程片上系統PSoC（Programmable System on Chip）芯片。

PSoC芯片把微處理器、存儲器、高密度邏輯電路、模擬和混合電路，以及其他電路集成到一個芯片上，構成一個具有信號采集、轉換、存儲和I/O處理功能的片上系統。與傳統單片機系統相比，PSoC系統最大程度地實現了系統單片化，減少外圍器件，縮小印制板面積[5]。PSoC主要有以下特點：1）具有通用單片機的數字模塊，同時還包含電壓比較器、放大器、模數轉換ADC、數模轉換DAC、濾波器等模擬模塊；2）基于IP內核，通過編程來選擇、配置成熟且豐富的用戶模塊，靈活性強；3）可以使用高效的開發工具。PSoC Designer和PSoC express可生成高質量的API函數，提高效率，縮短開發周期；4）可動態重構[5-6]。

2 時間譜采集電路設計

自主研制的脈沖中子氧活化測井儀采用兩個伽馬探測器，伽馬射線的時間譜采集框圖如圖1所示。圖1中，虛線框中為PSoC芯片實現的功能模塊，內部DA模塊用于產生探測器所用的高壓電源模塊的控制信號HVC，AD模塊則對高壓電源模塊輸出高壓的分壓信號進行采樣，利用兩個內部數字計數模塊實現兩路伽馬射線的計數，計數經過處理后，通過UART串口半雙工的工作方式將數據傳送給井下測控組件。

圖1 雙探測器時間譜采集電路框圖Fig.1 Dual-detectors time spectrum acquisition diagram

2.1 放大電路

圖2為放大電路，C33用于隔直流，只對脈沖信號進行放大，S1為伽馬射線探測器經電容耦合過來的脈沖電荷信號，經U2同相放大后，變成脈沖電壓信號輸入到門限比較電路。

2.2 比較電路

圖3中，SIG1為伽馬射線信號經過放大電路后輸入到比較電路的負脈沖電壓信號，經過電容C29耦合到比較器的同相輸入端，與閾值電平VTH1比較，從而將脈沖電壓信號轉換為數字脈沖信號CNT1。PSoC芯片內部計數模塊對CNT1進行計數，即實現了對伽馬射線的計數。

圖2 放大電路Fig.2 Amplifier circuit

圖3 比較電路Fig.3 Compare circuit

2.3 閾值設置電路

由于PSoC芯片中數模轉換（DAC）模塊的輸出電壓范圍為0～5 V，與探測器經過前端放大后的脈沖電壓信號（0～-14 V）相比，調節范圍太小，因而采用外部DAC實現閾值電平的設置。閾值電平設置電路如圖4所示，采用雙路10位電流型數模轉換芯片AD5440及雙運放AD8599實現，均為耐125℃高溫器件。通過PSoC芯片，可產生兩路可調的閾值電平VTH1、VTH2，閾值電平調節范圍為0～-10 V，兩路閾值電平分別用于兩路探測器信號的比較處理。

圖4 閾值設置電路Fig.4 Threshold voltage circuit

2.4 PSoC配置

PSoC芯片選用耐125℃高溫的CY8C29466芯片，8位內核，內核時鐘可達12 MHz，系統工作時鐘可達24 MHz，擁有16個用戶可配置的數字模塊、12個模擬模塊。系統時鐘采用內部時鐘，5 V供電，24 MHz系統時鐘，VC1時鐘為2 MHz，VC2時鐘為166.7 kHz，VC3時鐘為307.692 kHz，全局具體配置如表1所示。配置使用的數字模塊主要有定時器Timer、UART通信模塊、計數Counter模塊，模擬模塊主要有可編程增益放大器（PGA，Programmable Gain Amplifier）、模數轉換模塊（ADC）和數模轉換模塊（DAC）。

表1 PSoC全局資源配置Tab.1 PSoC global resources configuration

采用UART與井下測控組件進行通信，時鐘源為VC3，波特率為38 400。

在CY8C29466芯片內部，可配置的計數器模塊有8位、16位、24位、32位共4種可選，用戶在使用過程中，根據需要靈活的選擇一種或多種計數器。本文采用兩個16位計數模塊，最大可計數65535個伽馬脈沖，足以滿足儀器在規定時間內的計數需要。一個16位計數模塊占用兩個數字模塊，根據需要可配置多個計數模塊，實現對多路脈沖信號的計數，即一片PSoC芯片可實現多路探測器的計數。

給探測器供高壓的電源模塊，其高壓輸出方式為電壓控制方式，輸入控制電壓為0～5 V，輸出電壓可達2 400 V。在儀器工作過程中，為了讓探測器工作在最佳狀態，使儀器的性能更佳，需實時調節和監測探測器的工作電壓。電源模塊的控制電壓采用CY8C29466芯片內部9位DAC模塊實現，其輸出電壓可達到5 V，用于實時調節探測器的工作電壓。在供電前端通過大阻值電阻分壓采樣、電容濾波后，輸入到PSoC芯片，采用芯片內部PGA模塊，對采樣電壓進行跟隨放大。利用芯片內部12位ADC模塊，將采樣電壓信號轉換為12位數字信號，實現探測器工作電壓的實時監測。

時間譜采集電路上電后，開啟定時器，開啟計數模塊，開啟同步中斷，準備就緒后，進入開始等待狀態。PSoC芯片軟件主流程如圖5所示。

圖5 PSoC芯片軟件主流程圖Fig.5 PSoC's main flow chart

3 試驗結果

將時間譜采集電路接入儀器聯試。儀器直徑為43 mm，分為地面和井下兩部分，地面和井下部分通過單芯鎧裝電纜連接。地面部分主要包括地面主控和上位機，地面主控主要實現數據的采集傳輸，將井下各參數和井深等數據進行打包，傳輸給上位機。上位機實時采集、監測、控制井下各組件。井下的離子源、控制器按指令要求共同對中子發生器進行控制，控制中子爆發時間。時間譜采集電路屬于探測器組件，探測器組件完成伽馬射線的時間譜采集。測控組件完成地面指令的傳達，實現數據的整合、處理、傳輸。地面部分可實時監控井下各組件的工作。

整個高溫考核試驗在定制的烘箱中進行，烘箱內部靜空間為200 cm×20 cm×25 cm。將井下儀拆成4個短節，即多參數、測控短節，探測器短節，離子源短節，控制器短節（用自制中子管假負載代替中子管）整體放入烘箱內，短節之間采用自制接頭對接。利用烘箱內加熱管對整支儀器逐步加熱，保溫，直至烘箱內溫度穩定在125～130℃之間后恒溫，在整個加熱及保溫過程中對儀器上電進行儀器及通訊自檢，模擬水流測井各個環節。試驗中烘箱升溫曲線如圖6所示，儀器加電狀態順利通過125℃溫度考核。

圖6 升溫曲線Fig.6 Temperature loading curve

在自行定制的模擬油管水流刻度裝置上進行測量水流試驗，模擬油管內徑為57.3 mm，刻度裝置使用的流量計為電磁流量計，精度為0.2%，試驗中得到伽馬射線時間譜如圖7所示，從圖中可看出，近、遠探測器對應的水流活化峰明顯。進行的系列流量刻度試驗數據如表2所示。從數據可知，流量小于10 m3/d時，儀器測量誤差較大；流量為10～50 m3/d時，儀器測量誤差在±5%范圍內；當流量在60～180 m3/d之間時，儀器測量精度在±10%范圍內。

表2 刻度試驗數據Tab.2 Calibrating experiment data

圖7 刻度試驗譜線圖Fig.7 Calibrating time spectrum

整個儀器在勝利油田進行了下井考核，油田測流量譜線如圖8所示。油管籠統注水施工，籠統注水量為200 m3/d，由于水流速偏快，近探測器的活化峰淹沒在中子爆發周期內，因而通過遠探測器的活化峰來計算水流量，計算得到流量為192.80 m3/d，測得水流量與實際注水量吻合較好。

4 結束語

圖8 油田測流量譜線圖Fig.8 Time spectrumin oil field

采用PSoC芯片設計的伽馬射線時間譜采集電路，利用芯片可配置的計數模塊，實現了對多路數字脈沖信號的計數，與井下測控實時通信，將計數數據傳送給井下測控，完成時間譜的采集及傳輸等工作。從試驗驗結果可看出，PSoC芯片可靠地完成了對伽馬射線的時間譜采集工作，保證了儀器的測量精度。CY8C29466芯片為貼片芯片、體積小、價格便宜，可以將時間譜采集板的尺寸減小，成本降低。所以該PSoC芯片很適合于125℃高溫，小型化要求，成本控制，所需的數字電路功能較簡單的場合。

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