何小英， 谷鵬羊， 吳愛平， 唐和佳

(1. 長(zhǎng)江大學(xué)電子信息學(xué)院，湖北 荊州 434000; 2. 長(zhǎng)江大學(xué) 電工電子國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，湖北 荊州 434000;3. 中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司物資裝備公司，陜西 西安 710000)

0 引 言

微電阻率掃描成像測(cè)井儀（micro-conductivity imaging, MCI），是主要用于測(cè)量地層非均質(zhì)特性的一種電阻率測(cè)井儀器，在裂縫檢測(cè)、薄層識(shí)別、沉積構(gòu)造識(shí)別等方面已取得一定成果，目前MCI儀器已成為探井、深探井、超深探井測(cè)井的利器[1-4]。MCI儀器主要通過(guò)極板多個(gè)電扣測(cè)量井壁地層電阻率實(shí)現(xiàn)成像，因此極板性能直接影響儀器成像的質(zhì)量。然而，在儀器出廠檢測(cè)和現(xiàn)場(chǎng)推廣維修時(shí)，往往因儀器較重、操作維修無(wú)法同時(shí)進(jìn)行等原因?qū)е鲁鰪S檢測(cè)效率低下、現(xiàn)場(chǎng)維修人員占用率高等問(wèn)題。目前，國(guó)內(nèi)極板測(cè)試裝置的發(fā)展取得了一定的成果。早期主要依靠?jī)x器本身的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)試，后來(lái)發(fā)展到使用一種模擬盒裝置進(jìn)行極板測(cè)試，但存在易損壞、檢測(cè)繁瑣等問(wèn)題[5-6]。再后來(lái)，國(guó)內(nèi)相關(guān)企業(yè)設(shè)計(jì)了一種極板檢測(cè)裝置，但該裝置僅檢測(cè)幅度信息用于評(píng)判極板功能，不能充分反映極板功能狀態(tài)。因此，設(shè)計(jì)一種準(zhǔn)確、高效、快捷的極板檢測(cè)裝置，具有較好的工程應(yīng)用價(jià)值。

本文針對(duì)微電阻率掃描成像測(cè)井儀極板出廠檢測(cè)及現(xiàn)場(chǎng)維修存在的問(wèn)題，提出了一種檢測(cè)方案，主要特點(diǎn)在于：該方案選用以FPGA為核心的純硬件電路，使用FFT算法分析極板輸出信號(hào)的頻率和幅度，采用頻率—幅度雙參數(shù)評(píng)判法確定極板功能正常與否，較好地實(shí)現(xiàn)了極板功能的準(zhǔn)確、快速檢測(cè)。

1 設(shè)計(jì)方案

1.1 極板簡(jiǎn)介

微電阻率成像測(cè)井儀由專用短節(jié)、采集短節(jié)、預(yù)處理短節(jié)以及液壓推靠器短節(jié)構(gòu)成。其中液壓推靠器短節(jié)裝有6個(gè)極板，每個(gè)極板有24個(gè)電扣，共144個(gè)電扣。測(cè)井時(shí)，采集短節(jié)中的EMEX振蕩電路產(chǎn)生近似正弦波的電壓信號(hào)，此電壓經(jīng)變壓器后加到地層上；極板電扣與井壁接觸，直接采集地層的電流[7-9]。

極板主要完成24通道電扣信號(hào)的放大及時(shí)序控制功能。極板的輸入信號(hào)包括±5V電源、極板復(fù)位信號(hào)（jb_rst）、極板時(shí)鐘信號(hào)（jb_clk）、24 通道電扣信號(hào)，輸出信號(hào)為單通道的模擬信號(hào)（sig_out）。極板工作時(shí)序見圖1，jb_rst信號(hào)到來(lái)后，第1個(gè)jb_clk信號(hào)的下降沿輸出的sig_out信號(hào)為第1個(gè)電扣信號(hào)放大2萬(wàn)倍的模擬信號(hào)，第2個(gè)jb_clk信號(hào)的下降沿輸出的sig_out信號(hào)為第2個(gè)電扣信號(hào)放大2萬(wàn)倍的模擬信號(hào)，直到輸出第24個(gè)電扣信號(hào)放大2萬(wàn)倍的模擬信號(hào)。由于地層的各向異性，sig_out信號(hào)在每個(gè)jb_clk信號(hào)的下降沿后的幅度不同。

圖1 極板工作時(shí)序圖

1.2 總體方案

根據(jù)極板功能及工作時(shí)序可知，要實(shí)現(xiàn)對(duì)極板的檢測(cè)，首先需給極板提供±5 V電源，產(chǎn)生極板復(fù)位信號(hào)和極板時(shí)鐘信號(hào)，模擬極板24通道電流信號(hào)輸入；其次，需采集經(jīng)極板放大后的輸出信號(hào)，對(duì)采集的信號(hào)做進(jìn)一步分析，判斷極板功能是否正常。行業(yè)內(nèi)對(duì)于極板輸出信號(hào)的分析方法一般采用幅度評(píng)判法，該方法不能反映極板輸入輸出信號(hào)的頻率一致性，因此采用頻率—幅度雙參數(shù)評(píng)判法，更能充分反映極板功能是否正常。針對(duì)頻率檢測(cè)，常規(guī)采用計(jì)數(shù)法，該方法硬件電路復(fù)雜，僅能分析單一頻率信號(hào)；針對(duì)幅度檢測(cè)，常規(guī)采用峰值檢測(cè)法，該方法僅針對(duì)單一頻率信號(hào)，而采用FFT算法能全面獲取信號(hào)的頻率、幅度、相位信息。因此，本文使用FFT算法分析極板輸出信號(hào)的頻率和幅度。

基于此，本文提出了微電阻率掃描成像測(cè)井儀極板檢測(cè)裝置的總體設(shè)計(jì)方案。該檢測(cè)裝置主要由電源模塊、FPGA控制電路、LED指示電路、模擬信號(hào)產(chǎn)生電路和極板信號(hào)采集電路組成，設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

圖2 總體設(shè)計(jì)框圖

電源模塊由12 V鋰電池組和電源轉(zhuǎn)換電路組成。鋰電池組輸出的12 V電源，通過(guò)LDO穩(wěn)壓芯片轉(zhuǎn)換為±5 V電源，并輸出到極板。檢測(cè)裝置上電后，F(xiàn)PGA產(chǎn)生jb_clk信號(hào)和jb_rst信號(hào)，經(jīng)TTL驅(qū)動(dòng)電路輸出到極板。同時(shí)，F(xiàn)PGA控制DAC芯片產(chǎn)生10 kHz正弦信號(hào)，經(jīng)電壓跟隨電路、加法電路、限流電阻網(wǎng)絡(luò)后，形成24路正弦電流信號(hào)，并輸出到極板。極板將24路正弦電流信號(hào)進(jìn)行2萬(wàn)倍放大，在jb_clk和jb_rst的時(shí)序控制下，以時(shí)分復(fù)用方式，通過(guò)單通道輸出放大后的24路正弦信號(hào)。檢測(cè)裝置接收極板的輸出信號(hào)，經(jīng)減法電路、反向比例放大電路、RC低通濾波后，采用ADC芯片完成信號(hào)的數(shù)字化。FPGA使用FFT算法分析數(shù)字化后的信號(hào)的頻率和幅度特點(diǎn)，采用頻率—幅度雙參數(shù)評(píng)判法，判別極板的功能是否正常，并通過(guò)LED燈指示檢測(cè)結(jié)果。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 FPGA控制電路

FPGA控制電路采用Altera公司型號(hào)EP4CE22E22C8N作為該檢測(cè)裝置的控制器，該器件包含22 320個(gè)邏輯單元，80個(gè)用戶I/O，132個(gè)嵌入式乘法單元，片內(nèi)RAM高達(dá)74 kB，滿足本檢測(cè)裝置的需求。FPGA控制電路主要完成時(shí)序（jb_clk、jb_rst）輸出、ADC控制、DAC控制、FFT算法和極板功能評(píng)判與指示功能。

2.2 模擬信號(hào)產(chǎn)生電路

模擬信號(hào)產(chǎn)生電路由DAC轉(zhuǎn)換器、電壓跟隨器、加法器和限流電阻組成，電路原理圖如圖3所示。

圖3 模擬信號(hào)產(chǎn)生電路原理圖

DAC轉(zhuǎn)換器選用TI公司12位電流輸出型數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC7811IDGS。該轉(zhuǎn)換器采用3.3 V單電源供電，參考電壓為2.048 V。FPGA控制DAC7811IDGS產(chǎn)生10 kHz正弦信號(hào)，經(jīng)跟隨器及加法器調(diào)理后，輸出雙極性的正弦信號(hào)，輸出信號(hào)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為

式中：Uo——運(yùn)放輸出引腳7腳電壓值；

Uref——參考電壓；

f——正弦信號(hào)頻率，f=10 kHz。

輸出的雙極性正弦信號(hào)經(jīng)過(guò)限流電阻后，轉(zhuǎn)換為正弦電流信號(hào)，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

式中：Io——輸出電流值；

RI——限流電阻阻值。

極板檢測(cè)裝置共輸出24路正弦電流信號(hào)，通過(guò)選取不同阻值的電阻，以模擬不同地層流入極板電扣的電流信號(hào)。該檢測(cè)裝置采用5種電流值模擬經(jīng)過(guò)地層的電流，其通道、限流電阻RI與輸出電流關(guān)系如表1所示。

表1 通道、RI阻值與輸出電流關(guān)系

2.3 極板信號(hào)采集電路

極板信號(hào)采集電路由減法電路、比例放大、RC濾波電路以及ADC轉(zhuǎn)換器組成，電路原理圖如圖4所示。使用TI公司的OPA2156IDR集成運(yùn)放，實(shí)現(xiàn)極板輸出的模擬信號(hào)的調(diào)理。經(jīng)濾波放大調(diào)理后的輸出ADC_IN與電路輸入IN的關(guān)系如下：路的輸出信號(hào)UADC_o的關(guān)系如下：

圖4 極板信號(hào)采集電路原理圖

式中：UADC_o——輸入到模數(shù)轉(zhuǎn)換器的電壓；

UADC_i——檢測(cè)裝置的輸入電壓；

A——采集電路的增益，A=1.5。

放大及濾波電路將輸入信號(hào)放大1.5倍，并疊加了1.024 V的直流電平。在進(jìn)行極板電扣信號(hào)的檢測(cè)時(shí)，由于待檢測(cè)的極板電扣信號(hào)頻率為10 kHz，根據(jù)奈奎斯特采樣定律，數(shù)字化時(shí)，采樣頻率至少為20 kHz。為了更準(zhǔn)確檢測(cè)并判斷24個(gè)電扣信號(hào)通道的好壞，實(shí)際采用512 kHz的采樣頻率?；诖?，ADC芯片選用ADI公司的LTC2368-16模數(shù)轉(zhuǎn)換器，該器件是一款低噪聲、低功率、1 MHz采樣率的16位逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器。LTC2368-16模數(shù)轉(zhuǎn)換器采用2.5 V單電源供電，參考電壓為2.048 V。模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字量DATAADC與濾波放大電

其中，N為模數(shù)轉(zhuǎn)換器位數(shù)，N=16。將式（3）代入式（4），有：

3 軟件設(shè)計(jì)

FPGA邏輯控制單元主要完成時(shí)序產(chǎn)生和檢測(cè)評(píng)判功能。系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)各部分功能，包括時(shí)鐘復(fù)位（Rst_Clk）模塊、正弦信號(hào)產(chǎn)生（Sin_10 kHz）模塊和檢測(cè)（Detection）模塊，設(shè)計(jì)框圖如圖5所示。時(shí)序產(chǎn)生涵蓋以上3個(gè)模塊，提供極板的工作時(shí)序以及控制ADC轉(zhuǎn)換時(shí)序；檢測(cè)評(píng)判功能的實(shí)現(xiàn)由Detection模塊完成，采用FFT算法及頻率—幅度雙參數(shù)評(píng)判法高效準(zhǔn)確檢測(cè)極板24通道好壞。

圖5 FPGA軟件設(shè)計(jì)框圖

3.1 時(shí)序產(chǎn)生

FPGA時(shí)序產(chǎn)生主要包括Rst_Clk模塊以及Sin_10 kHz模塊。

Rst_Clk模塊的輸出信號(hào)既作為控制極板工作的時(shí)序，也作為檢測(cè)裝置啟動(dòng)AD采集、處理和評(píng)判的控制時(shí)序。其輸入信號(hào)為50 MHz時(shí)鐘，輸出信號(hào)為極板時(shí)鐘信號(hào)和極板復(fù)位信號(hào)，一個(gè)復(fù)位信號(hào)下對(duì)應(yīng)24個(gè)極板時(shí)鐘，時(shí)序圖如圖1所示。Rst_Clk模塊的輸出均采用計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)。

Sin_10 kHz模塊采用查表法實(shí)現(xiàn)10 kHz正弦信號(hào)的產(chǎn)生。該模塊包括SIN_ROM子模塊、SIN_CTL子模塊和DAC7811子模塊，如圖5所示。SIN_ROM子模塊為512字節(jié)的ROM，保存正弦數(shù)據(jù)。SIN_CTL子模塊采用查表法讀取SIN_ROM子模塊中保存的正弦數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)傳輸給DAC7811子模塊，并產(chǎn)生啟動(dòng)數(shù)模轉(zhuǎn)換的使能信號(hào)SIN_en。DAC7811子模塊接收SIN_en信號(hào)和SIN_data信號(hào)后，通過(guò)SPI總線（SIN_SCLK信號(hào)、SIN_SDIN信號(hào)和SIN_SYNC信號(hào)）控制DAC7811數(shù)模轉(zhuǎn)換器，完成10 kHz正弦波信號(hào)的產(chǎn)生。

3.2 檢測(cè)評(píng)判

為實(shí)現(xiàn)極板輸出信號(hào)的有效檢測(cè)，設(shè)計(jì)Detection模塊完成模數(shù)轉(zhuǎn)換器的時(shí)序控制、數(shù)據(jù)處理及評(píng)判。

檢測(cè)時(shí)，采用模數(shù)轉(zhuǎn)換器及FFT算法獲取極板輸出信號(hào)的頻譜特性。如圖5所示，進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)，ADC_CTL子模塊在jb_clk下降沿時(shí)產(chǎn)生256個(gè)脈沖信號(hào)，脈沖頻率512 kHz，該脈沖信號(hào)即為模數(shù)轉(zhuǎn)換使能信號(hào)ADC_EN。LTC2368_16bit子模塊接收到該脈沖信號(hào)后，控制LTC2368完成一次模數(shù)轉(zhuǎn)換。同時(shí)，F(xiàn)FT_CTL子模塊在jb_clk的下降沿，將ADC采集到的數(shù)據(jù)打包為Avalon_ST總線形式輸出到FFT子模塊。FFT子模塊采用 IP-FFT V13.0實(shí)現(xiàn) FFT算法，根據(jù)數(shù)據(jù)特點(diǎn)相關(guān)參數(shù)設(shè)置為：變換長(zhǎng)度選擇256點(diǎn)，數(shù)據(jù)精度選擇16位，旋轉(zhuǎn)因子精度選擇16位，選擇數(shù)據(jù)流形式，復(fù)數(shù)乘法器結(jié)構(gòu)由3個(gè)乘法器、5個(gè)加法器完成[10-15]。FFT子模塊的輸出信號(hào)為實(shí)部、虛部和縮放因子。Calculate_Judge子模塊使用三級(jí)流水線計(jì)算信號(hào)幅度，第一級(jí)實(shí)部和虛部乘以縮放因子；第二級(jí)計(jì)算實(shí)部和虛部平方和；第三級(jí)完成開方計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果除以256/2。三級(jí)流水線計(jì)算結(jié)束后，得到信號(hào)幅度。通過(guò)查找幅度最大值方法，保存幅度最大值和最大值對(duì)應(yīng)的頻率點(diǎn)。

評(píng)判時(shí)，采用頻率—幅度雙參數(shù)評(píng)判法，當(dāng)頻率和幅度均正常時(shí)判定通道功能正常；否則判定通道功能不正常，并將判定結(jié)果通過(guò)LED燈亮滅指示。針對(duì)頻率的評(píng)判，將頻率點(diǎn)與預(yù)設(shè)值10 kHz比較，判別正常與否；針對(duì)幅度的評(píng)判，采用雙閾值分析法，其中幅度的上閾值和下閾值是根據(jù)采用的5種限流電阻阻值、極板放大倍數(shù)以及極板信號(hào)采集電路理論推導(dǎo)得出。當(dāng)幅度在雙閾值范圍內(nèi)，判定為正常；當(dāng)幅度超出雙閾值范圍，則判定為不正常。

4 測(cè)試結(jié)果與分析

檢測(cè)裝置實(shí)物圖如圖6所示。

圖6 檢測(cè)裝置實(shí)物

頻率幅度檢測(cè)：函數(shù)信號(hào)發(fā)生器輸出頻率為10 kHz，幅度0.45 V的正弦波信號(hào)，極板檢測(cè)裝置以512 kHz采樣率、256點(diǎn)采集該正弦波信號(hào)，通過(guò)Quartus II開發(fā)軟件中的SignalTap在線分析工具獲取采集的數(shù)據(jù)，再將采集的數(shù)據(jù)使用Matlab軟件繪圖，得到的原始信號(hào)波形如圖7所示。將采集的正弦波數(shù)據(jù)在Matlab軟件中做FFT分析得到如圖8所示的頻譜圖。由頻譜圖及采集調(diào)理電路特性可知，信號(hào)特征頻率為10 kHz，幅度為0.448 V。信號(hào)特征與函數(shù)信號(hào)發(fā)生器輸出信號(hào)相吻合。

圖7 原始信號(hào)

圖8 頻譜圖

將極板檢測(cè)裝置通過(guò)專用連接器與極板相連，使用示波器監(jiān)測(cè)極板輸出的電壓值。上電后通過(guò)SignalTap工具在線調(diào)試，獲取FPGA片內(nèi)FFT處理結(jié)果，從中查找最大幅值以及最大幅值對(duì)應(yīng)的頻率，并計(jì)算出電壓相對(duì)誤差，如表2所示。由表可知，極板檢測(cè)裝置頻率檢測(cè)準(zhǔn)確，電壓檢測(cè)相對(duì)誤差小于2%，檢測(cè)精度較高。

表2 FFT檢測(cè)結(jié)果（頻率和電壓）

將極板檢測(cè)裝置通過(guò)專用連接器與極板相連，并將通道4的連線接地，測(cè)試檢測(cè)結(jié)果指示功能，結(jié)果如表3所示。表中僅列出1～5通道的測(cè)試結(jié)

表3 指示功能測(cè)試結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

本文根據(jù)微電阻率掃描成像測(cè)井儀極板工作特點(diǎn)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種極板檢測(cè)裝置。該裝置結(jié)合了國(guó)內(nèi)極板電扣刻度裝置檢測(cè)原理，使用不同阻值電阻模擬不同電阻率的地層；相對(duì)于國(guó)內(nèi)極板檢測(cè)裝置采用的單一幅度評(píng)判法，本文采用了頻率—幅度雙參數(shù)評(píng)判法，并采用FFT算法進(jìn)行分析，更全面、準(zhǔn)確地反映了極板的功能正常與否。同時(shí)，該檢測(cè)裝置操作時(shí)，僅需要將其連接器與極板相連，上電后即可根據(jù)LED燈亮滅狀態(tài)觀察檢測(cè)結(jié)果。該檢測(cè)裝置使用鋰電池供電，便于攜帶。因此，該檢測(cè)裝置可靠性高、操作簡(jiǎn)單、攜帶方便，可應(yīng)用于極板出廠時(shí)的高效檢測(cè)以及儀器損壞時(shí)的現(xiàn)場(chǎng)檢修。