摘 要： 針對過套管電阻率測井儀在測量領域的實際需求,，設計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,。最后以套管作為實驗載體搭建了實驗平臺，通過改變模擬電阻盒的阻值進行電壓測量,，并且通過計算得出了測量電阻的阻值,。
關鍵詞： 微弱電壓測量； TMS320F2812,； ADC,； CAN總線
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,大部分電流會沿低電阻率的套管流動,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，從而計算出漏電流,，可達到測量套管外地層電阻率的目的,。
1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)構架
不同電阻率測井儀器的信號量級如圖1所示?？梢钥闯?過套管測井的測量信號量級是非常低的,，在納伏級(10-9 V)。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系到儀器的測量準確度和測量范圍,。
本設計的數(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。因為V1,、V2為納伏級信號,，所以首先對兩路信號進行放大和濾波，然后進入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)硬件電路設計
2.1 放大濾波電路
在前置放大電路中,，整個系統(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,，僅需要一個外部電阻來設置增益,，增益范圍為1~10 000[4]。由于整個放大電路的總增益要求是非常高的,而單個運放增益又不宜過大,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,，信號越小,，A/D 轉(zhuǎn)換器的位數(shù)就相應要求越高。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,。它可以實現(xiàn)4通道同步采樣，可通過設置相應的輸入/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的抗噪聲能力,，所以需要差分放大器來進行驅(qū)動。本文選用了TI公司的全差動放大器THS4503作為ADC的驅(qū)動電路,，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)動電路原理如圖3所示。選擇合適的電阻值,，使得驅(qū)動電路輸出差分信號幅度與ADC信號輸入范圍匹配,。
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,，它是在標準串行接口的基礎之上對功能進行擴展,，因此，具有與標準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計
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)部資源及外設接口,被廣泛應用于工業(yè)控制,、生產(chǎn)等領域,。
TMS320F2812DSP與ADS1274的接口電路如圖4所示。
TMS320F2812有56個通用輸入輸出引腳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用引腳,，既可以作為DSP片內(nèi)外設，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),，還可以關閉不使用的通道,，降低ADC的功耗。
2.5 數(shù)據(jù)通信電路設計
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、連接方便,、性價比高等特點,，并且CAN總線采用差分信號傳輸，具有很強的抗干擾能力,，驅(qū)動能力強,，可提供高達1 Mb/s的串行數(shù)據(jù)傳輸速率，而廣泛地應用于汽車,、工業(yè)自動化等領域[6],。
F2812集成了eCAN控制器(即增強型CAN控制器)，為CPU提供了完整的CAN2.0B協(xié)議,，減少了通信時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)動器)—SN65HVD233,，用于將二進制碼流轉(zhuǎn)換為差分信號發(fā)送,，或?qū)⒉罘中盘栟D(zhuǎn)換為二進制碼流接收，以完成數(shù)據(jù)的傳輸與通信,。
3 實驗方案設計及結果
利用油田開發(fā)所用的套管,，根據(jù)實際的測井條件搭建了實驗平臺，利用所設計的采集系統(tǒng)測量套管上的壓降,，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30 ?贅的導線，導線的另一端接地,，用來模擬井中圍巖,，從M點引出一根導線到電阻模擬盒)，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,，進入TMS320F28129處理器進行數(shù)字信號處理；最后TMS320F2812通過RS232接口與計算機相連,，將組織好的數(shù)據(jù)上傳至上位機進行計算,，通過改變電阻模擬盒的阻值對V1、V2進行測量采集,，并且通過計算得出測量電阻的阻值,，并且進行顯示。實驗結果如表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，且標準差隨著測量電阻的增加逐步減小,。經(jīng)過計算,，測量電阻的相對誤差控制在6%左右，能夠滿足實際工程測量領域的要求,。目前該系統(tǒng)已經(jīng)應用于油田開發(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,，測量結果真實,、可靠。
參考文獻
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