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收稿日期:05.6.10高分辨感应测井仪井下数据采集和通信电路的设计
党瑞荣 张珂 罗兵武 宋汐瑾
西安石油大学 电子工程学院（710065）
摘要： 运用采样率高200kSPS的16位A/D转换芯片进行数据采集，利用DSP芯片和数字信号处理技术处理采集到的数字信号。运用高速FIFO技术解决了高速A/D的数据存取问题，使用FPGA大大减小了系统体积和总功耗，提高了系统的可靠性和实用性。用数字通信取代模拟通信方式。通信采用了曼彻斯特编码，并运用FPGA与专用曼彻斯特编码解码芯片做接口。
关键词：FIFO FPGA DSP 曼彻斯特码
一．引言
以感应测井作为测井的一种重要方法在测井中已得到广泛的应用。现在又有测井理论把高分辨理论应用到电缆测井中，采用了阵列式线圈结构，使得感应测井能够既有一定深度又有一定的地层分辨率，在测井中有重要的理论和实际意义。在该理论中测井信号的频率较高，所以对其数据采集的采样率要求也较高。由于井下仪器工作环境的特殊性，使得对其研究和开发也具有特殊的要求。本系统运用了现代电子技术，实现了高性能、高速度、低功耗、小体积的监测系统。本文将重点讨论高分辨感应测井仪井下数据采集和通信的电路设计。
二． 数据采集部分
1. A/D转换器的选择
A/D转换器的选择和系统指标是紧密相关的。根据高分辨测井地面系统性能要求，数据速率要求在320kHz以上，中深感应信号经整形处理后为0～5V电压信号,要求其分辨率在153uV，故选用A/D为16位,在信号为5V时，也能满足其高分辨率的要求。系统采用AD977为模数转换器，而AD977的采样率为200kSPS，故采用两AD977同时对同一通道的模拟信号进行采集，来实现320kHz的高速数据采集。
AD977为16位四通道200kSPS 具有串行接口的模数转换器，它包含一个多路输入复用器，一个高速16位采样ADC和＋2.5V的参考电压。它还具有如下的特点：
(1) 四个模拟输入通道；
(2) 单一5V供电；
(3) 电压输入范围：0V～±4V，0V～±5V，0V～±10V；
(4) 最大功耗120mW；
(5) 可选择外部和内部2.5V的参考电压；
(6) 片内有时钟；
(7) 最大转换时间：4.0us；
(8) 工作温度范围：－40ºC～85ºC。
2．硬件原理
数据采集部分原理如图所示，由于采样频率为320k，而AD977的最大速率为200kSPS，所以采用了两个AD9432并行工作分时对同一个模拟通道采样，来实现320k的采样频率，方式如图1所示，该部分电路主要由模拟输入、转换时钟、参考源和数据接口4个部分组成。

图1 A/D转换接口原理图
模拟输入部分是AD转换器的关键部分之一，直接决定了AD转换器的性能。AD977模拟输入端内部带采样保持电路，只可直接接收单端输入信号，为达到极好的转换性能，要求差分信号驱动能力强阻抗低,而且要较好的进行阻抗匹配。这里选用了高速低噪声低温漂的输出阻抗集成芯片AD829，将差分输入信号转换成单端信号，差分信号的峰峰值为1V，能接收模拟输入信号的峰峰值为2V，所以模拟输入信号的峰峰值不能超过2V，否则就得不到正确的转换结果。在模拟差分输入端加22PF的耦合电容以增加输入补偿电压。
AD转换时钟信号也是非常重要的。任何高速A/D转换器都对用户所提供的用于驱动转换的时钟信号极为敏感，因为采样保持电路必然由时钟信号控制，若时钟信号有任何噪声，扭曲或不稳定都会直接影响到采样信号，也就会影响转换结果的准确性。因此，采样时钟信号电路采用了XINLINX公司的xc4010xl可编程器件来提供的时钟信号，具有很高的可靠性。
采用了内部的2.5V参考电压源，降低了系统的复杂度。也可以使用外部参考源，参考源可以在一定范围内变化而不影响AD转换器的性能，但必须要高稳定、高精度、低温度漂移以及低噪声。
AD977转换结果在内部数据在时钟上升沿时送往数据端口，由于AD977为TTL逻辑电平，所以转换数据不能直接被DSP所接收，这里经过FPGA来实现AD977与DSP之间的电平转换，通过DSP串口实现数据的同步接收。本系统中接收部分采用了FPGA中的RAM来解决高速数据的接收问题，并且FPGA内部采用了FIFO结构，其结构原理如图2所示。Xc4010xl芯片内有丰富的RAM资源，采用3.3V内核电压，功耗低，能够支持高达250MHZ的双向I/O接口,使用256×16位RAM时最大访问频率可达212MHZ。

图2 FPGA内数据接收FIFO结构原理
3．数据采集的工作原理
DSP工作在55MHZ下，由DSP控制引脚开启数据采集时钟信号，该时钟信号也作为FIFO的写时钟信号。采样开始DSP开始计时以控制采样时长，同时从FPGA中的FIFO中读取数据。数据宽度为26位，分两个通道，每个通道包括12位数据位和一位模拟输入超限判别位。时间到便停止采集数据，其程序流程图如下：

图3 数据采集程序流程图
三．通信部分电路
通信部分采用曼彻斯特编码，曼彻斯特编码又称双相编码，是种超越传统数字传输极限的编码／解码方法。常规传输的主要缺陷是接收端没有时钟信号，无法识别收到数据位的开始与结束以及位的宽度等。曼彻斯特编码解决远距离传输数据没有时钟的问题。它是将普通二进制数据与其位率时钟相异或得来的，从而使信号本身就包含时钟，使得信号传输速率大大增加，且适合远距离传输。
曼彻斯特的编码与解码主要由专用集成片HD15530完成。根据其接口时序关系，设计了其外围电路，其中组合逻辑时序逻辑在FPGA中实现，大大降低了系统体积和功耗，增加了系统的可靠性。原理框图如下：

图4 曼彻斯特编码解码原理框图
如图4所示，虚线框表示HD15530芯片，该芯片是全双工通信芯片，本系统中为配合测井电缆，采用了半双工设计，即曼彻斯特码的发送与接收不能同时进行，以节省电缆资源。工作时，首先由地面发送握手协议，握手成功表明通信电路无故障。地面发送的数据首先通过电缆传输。通过远距离有限带宽的电缆传输后，到井下有严重的形变，所以加整形电路以便恢复信号。实验中发现，整形后的曼彻斯特码数据中有高频抖动，为此加了去抖动电路以消除高频干扰。如图5所示为电缆传输线中的曼彻斯特码。

图5 电缆传输线中的曼彻斯特码
整个工作过程如下：首先由地面发送经曼彻斯特码编码的数据，通过整形去抖动电路后直接送入HD15530解码输入端，解码后的数据经过串并转换电路转换成并行数据，放入锁存器，并产生中断信号。DSP响应中断后取走锁存器中数据，根据该数据，做出相应的处理，如数据中校验码有误，则要求重发该数据。向地面发送数据时，数据首先放入锁存器，放入锁存器后，由锁存器控制部分电路产生一编码使能信号，控制HD15530的编码电路，该控制信号使得HD15530产生一控制信号用于并串转换电路装载入锁存器中数据并开始并串转换，同时HD15530准备好对串行数据进行曼彻斯特码编码。经曼彻斯特码数据通过驱动电路加到电缆上。
四． 结束语
设计利用将现代电子技术中的DSP和FPGA运用于测井数据采集中，提高了采集数据的速度和精度，并使得系统功耗和体积大大降低，在井下仪器中有着重要意义。通信部分采用曼彻斯特编码，方便与现有测井仪器接口，对仪器的推广有重要影响。
参考文献
【1】张建华 刘振华 仵杰，电法测井原理与应用，西北工业大学出版社 2002;
【2】AD公司 AD977芯片资料
Data Acquisition and Communication Circuit in High Resolution Induction Tool
Abstract: In this design, the 12-bit ADC chip, the data acquiring speed of which is as high as 200kSPS, is applied in data acquisition. Both the DSP device and the technology of digital signal processing are used in processing the acquired signal. Using high-speed FIFO technology solved the data access problem in the high-speed ADC. The use of FPGA chip decreased the volume and power dissipation and improved the reliability and availability of the system. The analogy mode is replaced by digital mode. The Manchester encoding is applied in communication, which the special Manchester encode and decode chip interfaces with FPGA chip.
Keywords: First Input First Output, Field Programming Gate Array, Digital signal processor, Manchester code