摘  要： 針對(duì)過(guò)套管電阻率測(cè)井儀在測(cè)量領(lǐng)域的實(shí)際需求,，設(shè)計(jì)了微弱電壓采集系統(tǒng),，包括以TMS320F2812為核心的控制電路，高性能,、高放大倍數(shù),、低噪聲的前置放大電路,，24 bit高精度A/D轉(zhuǎn)換器,。最后以套管作為實(shí)驗(yàn)載體搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過(guò)改變模擬電阻盒的阻值進(jìn)行電壓測(cè)量,，并且通過(guò)計(jì)算得出了測(cè)量電阻的阻值,。
關(guān)鍵詞： 微弱電壓測(cè)量； TMS320F2812,； ADC,； CAN總線

    油井下過(guò)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1 Ω·m~1 000 Ω·m之間,，而金屬套管的電阻率的典型值為2×10-7 Ω·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(huì)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(guò)測(cè)量套管上微小的電壓降,，從而計(jì)算出漏電流，可達(dá)到測(cè)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(cè)井儀器的信號(hào)量級(jí)如圖1所示,。可以看出,過(guò)套管測(cè)井的測(cè)量信號(hào)量級(jí)是非常低的,，在納伏級(jí)(10-9 V),。由于測(cè)量信號(hào)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(cè)量準(zhǔn)確度和測(cè)量范圍,。
    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(jí)信號(hào),，所以首先對(duì)兩路信號(hào)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(guò)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(jí)放大電路決定,。對(duì)于差分輸入端來(lái)說(shuō),，會(huì)引入較大的共模干擾，因此對(duì)前級(jí)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(lái)組建初級(jí)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(lái)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(guò)大,所以電路采用多級(jí)放大電路組態(tài)方式，經(jīng)過(guò)多級(jí)濾波,、多級(jí)放大,逐步提高信噪比,。采用兩片OPA211搭建了多級(jí)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(cè)量微小信號(hào)時(shí)，信號(hào)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(guò)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(hào)比單端信號(hào)擁有更強(qiáng)的抗噪聲能力,，所以需要差分放大器來(lái)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?jiǎn)味诵盘?hào)轉(zhuǎn)換為差分信號(hào),， 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(hào)幅度與ADC信號(hào)輸入范圍匹配,?！?/p>

2.3 TMS320F2812的McBSP
    McBSP（Multi-channel Buffered Serial Port）是TI公司生產(chǎn)的數(shù)字信號(hào)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(duì)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(guò)7個(gè)引腳與外部器件相連,，引腳功能如表1所示。

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,。

    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(hào)(SYNC)和低功耗信號(hào)(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(chǎng)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(hào)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(chē)、工業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域[6],。
    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(kāi)銷(xiāo),。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(hào)發(fā)送,，或?qū)⒉罘中盘?hào)轉(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(kāi)發(fā)所用的套管,，根據(jù)實(shí)際的測(cè)井條件搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái),，利用所設(shè)計(jì)的采集系統(tǒng)測(cè)量套管上的壓降，如圖5 所示,。

    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(cè)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30 ?贅的導(dǎo)線,，導(dǎo)線的另一端接地，用來(lái)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(hào)輸入低噪聲的前置放大電路，經(jīng)過(guò)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(hào)處理；最后TMS320F2812通過(guò)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(guò)改變電阻模擬盒的阻值對(duì)V1,、V2進(jìn)行測(cè)量采集，并且通過(guò)計(jì)算得出測(cè)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(cè)量值相對(duì)穩(wěn)定，離散度不高,，測(cè)量精度能夠得到保證,，且標(biāo)準(zhǔn)差隨著測(cè)量電阻的增加逐步減小。經(jīng)過(guò)計(jì)算,，測(cè)量電阻的相對(duì)誤差控制在6%左右,，能夠滿足實(shí)際工程測(cè)量領(lǐng)域的要求。目前該系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于油田開(kāi)發(fā)的過(guò)套管電阻率測(cè)井儀器中,，用于測(cè)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(cè)井任務(wù)，測(cè)量結(jié)果真實(shí),、可靠,。
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