超聲波測(cè)井的井下數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)
摘要：介紹了井下數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理，該系統(tǒng)采用先進(jìn)的CPLD器件ISPLSI1016實(shí)現(xiàn)了其中的接口電路，解決了井下數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)的高精度、低功耗和小尺寸等關(guān)鍵問題。關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)采集與傳輸 復(fù)雜可編程邏輯器件 高速度 低功耗 小尺寸
隨著石油工業(yè)的不斷發(fā)展，測(cè)井技術(shù)越來(lái)越顯示出其重要作用。超聲波測(cè)井作為測(cè)井的一種重要方法得到了廣泛的應(yīng)用。由于測(cè)井儀器，特別是井下儀器工作環(huán)境的特殊性，使得對(duì)其研究和開發(fā)也具有特殊的要求。油井下的直徑很小，因此對(duì)井下儀器的尺寸要求十分嚴(yán)格，一般來(lái)說(shuō)印刷電路板的寬度不能超過(guò)4.5cm。體積達(dá)不到要求再好的儀器也無(wú)法在實(shí)際中應(yīng)用。
本系統(tǒng)采用雙CPU和雙端口RAM，尤其是采用先進(jìn)的PLD器件及1553總線技術(shù)很好地解決了井下高速數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)的可靠性、低功耗和小尺寸等問題。
1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介
本系統(tǒng)采用兩片AT89C52單片機(jī)分別作為主、從CPU；采用AD公司的高速A/D芯片AD7821進(jìn)行井下溫度、壓力和幅值等參數(shù)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集；選用兩片美國(guó)Lattice公司的CPLD芯片isPLS1016實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)采集處理接口電路和數(shù)據(jù)傳輸中的串并行轉(zhuǎn)換接口電路；然后通過(guò)雙口RAM（IDT7232）來(lái)傳輸數(shù)據(jù)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
2 系統(tǒng)工作原理與實(shí)現(xiàn)
在圖1中，主CPU及其相關(guān)模塊主要完成超聲波發(fā)生器的控制、工作模式切換和數(shù)據(jù)采集等功能；從CPU主要完成主CPU所采集信號(hào)的上傳和地面命令字的下傳及命令解釋，還包括一些監(jiān)控功能。CPU對(duì)超聲波發(fā)射裝置進(jìn)行控制，采集回波信號(hào)。由于回波信號(hào)的尖峰時(shí)刻非常窄，一般不超過(guò)1.0μs，所以對(duì)A/D的采樣時(shí)間要求在ns級(jí)。本系統(tǒng)采用AD公司高速A/D芯片AD7821進(jìn)行采集。數(shù)字信號(hào)部分，在啟動(dòng)超聲波發(fā)生裝置的同時(shí)產(chǎn)生時(shí)延控制信號(hào)，以便對(duì)回波信號(hào)的時(shí)間間隔進(jìn)行計(jì)數(shù)，進(jìn)一步測(cè)出井下的剩余壁厚等距離參數(shù)。所有采集的信號(hào)按一定格式存在雙口RAM（IDT7132）內(nèi)，以備從CPU調(diào)用和上傳。
2.1 數(shù)據(jù)采集的實(shí)現(xiàn)
2.1.1 數(shù)字信號(hào)的采集
系統(tǒng)所需采集的數(shù)字信號(hào)的頻率相差非常大。其中γ信號(hào)的頻率在幾赫茲到百赫茲之間。此信號(hào)直接進(jìn)入單片機(jī)，用單片機(jī)的計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)算后得到頻率。而超聲波回的時(shí)間間隔只有幾微秒，而且是定時(shí)產(chǎn)生，每次只出現(xiàn)一個(gè)。這樣只能測(cè)量其周期。系統(tǒng)直接采用12MHz晶振信號(hào)的四分頻作為測(cè)量周期的計(jì)數(shù)脈沖。除γ信號(hào)外的所有數(shù)字信號(hào)的采集模塊完全集成在一片Lattice公司的isPLSI1016內(nèi)。這樣不僅大大提高了系統(tǒng)的集成度，滿足了系統(tǒng)尺寸的特殊要求，而且增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性和靈活性，方便系統(tǒng)的升級(jí)和調(diào)整。IsPLSI1016的內(nèi)部設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。
2.1.2 模擬信號(hào)的采集
對(duì)于回波的尖峰值，每次啟動(dòng)超聲波發(fā)射
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