超聲波隨鉆井徑檢測儀的數據采集與傳輸

摘要：為了更好地發揮隨鉆測井儀檢測數據的真實性和使用靈活性等優點，文中基于Actel公司的APA075FPGA數據采集和傳輸系統所涉及到的AD數據采集、FPGA數據緩存、FPGA中數據的串口發送三部分，在實驗室自制的一塊FPGA最小系統板上，開發了一種激發換能器來對回波進行采集、緩存和傳輸。
關鍵詞：隨鉆井徑檢測；AD數據采集；FPGA；串口發送

0 引言
在油、氣開發過程中，測井是必不可少的。在開發初期，有勘探測井，在開發中后期，則有生產測井。傳統的電纜測井存在著種種難以解決的問題，如在某些大斜度井或特殊地質環境(膨脹粘土或高壓地層)鉆井時，電纜測井就無法進行。除此之外，電纜測井是在鉆井完成之后，用電纜將儀器放入井中進行測量，鉆井過程中帶出的鉆碎的巖屑和鉆井液會侵入地層，這樣測量的數據與真實的數據有一定的差別。因此，隨鉆測井技術就應運而生，而無論是在電纜測井還是隨鉆測井中，數據采集和傳輸都是必不可少的。
本文所涉及的超聲波隨鉆測井徑的基本原理是：沿著油井的徑向向井壁垂直發射超聲波，當發出的超聲波遇到井壁時發生反射，反射的回波被換能器接收。這樣，根據超聲換能器發出超聲波到反射回波被換能器接收所經歷的時間t和已知的超聲波在泥漿中的速度v就可以計算井徑的長度。本文運用AD對回波進行采集，運用FPGA對AD轉換后的數據進行緩存和傳輸，FPGA為AD提供片選信號和轉換時鐘，轉換之后的數字量再給FPGA進行串轉并、FIFO存儲、串口發送。在本文中，FPGA采用的是Actel公司的APA075，開發平臺采用的是Liber08．5。

1 系統的總體設計
本系統的總體設計思想是：FPGA為AD提供片選及時鐘等控制信號，AD將數字化后的數據送給FPGA，并在FPGA中進行串并轉換、緩存等一系列數據處理后，再通過MAX232完成TTL電平到RS-232電平的轉換，然后在PC機上運用串口調試小助手顯示數據。通過分析串口調試小助手上顯示的數據來判斷是否正確，從而驗證系統設計的合理性。其系統框圖如圖1所示。

2 FPGA主要功能模塊的設計
在本系統中，FPGA的功能模塊主要包括AD控制模塊、FIFO設計模塊和串口數據發送模塊三部分。FPGA系統與外圍電路的信息交換主要由AD_out、clk、SCLK、CS、TXD等信號線完成。其中，AD_out負責將AD轉換后的數字信號送入FPGA；CS和SCLK是FPGA為AD提供的片選信號和時鐘信號，用來控制AD的轉換；TXD是FPGA輸出數據的通道：clk是FPGA的時鐘信號。系統時鐘采用50 MHz，其FPGA功能模塊電路框圖如圖2所示。