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引言 在錄井儀器中,深度系統是最重要的部分,離開(kāi)了深度系統中的井深,儀器中大部分參數都將失去意義[1]。而在深度系統中,大鉤高度的測量是最為 關(guān)鍵的。通過(guò)絞車(chē)信號的實(shí)時(shí)數據檢測，可得到與大鉤高度相關(guān)的絞車(chē)脈沖信號計數值,將該值傳入上位機，通過(guò)相應的計算可以得到實(shí)時(shí)的井深。 同時(shí)，基于太陽(yáng)能和蓄電池供電的無(wú)線(xiàn)錄井數據采集與傳輸系統要求現場(chǎng)絞車(chē)信號檢測電路必須具有低功耗、小尺寸和抗干擾性強的特點(diǎn)。因此，采用分離元器件所設計的傳統的絞車(chē)信號測量電路就不能滿(mǎn)足無(wú)線(xiàn)錄井系統的這些特殊要求。 美國Xilinx公司的CoolRunner II系列CPLD芯片XC2C64A結合XC9500系列的高速度、方便易用和XPLA3系列的超低功耗等優(yōu)點(diǎn)，具有低功耗、高密度、在系統可編程和抗干擾能力強等特點(diǎn)[2]，在一顆芯片上就可以代替多顆傳統邏輯芯片來(lái)實(shí)現復雜的組合與時(shí)序邏輯控制，能夠達到低功耗、小尺寸和抗干擾性強的優(yōu)良性能[3]。 無(wú)線(xiàn)錄井絞車(chē)信號檢測電路的設計與實(shí)現 絞車(chē)順時(shí)針旋轉時(shí), 傳感器輸出A相波形超前B相波形90°;逆時(shí)針旋轉時(shí)，輸出A相波形滯后B相波形90°。其后的鑒相(方向鑒別)、倍頻和計數就是基于如上輸出的兩相脈沖信號。 絞車(chē)信號檢測電路的整體結構(圖1)，包括絞車(chē)信號的整形、隔離、鑒相、倍頻、計數和數據讀取接口等部分。 信號A和信號B是來(lái)自絞車(chē)傳感器的 相位差90?的兩路脈沖信號，先經(jīng)過(guò)第一次施密特整形，抑制現場(chǎng)干擾和線(xiàn)路衰減引起的脈沖波形畸變，轉換為標準的脈沖信號;然后經(jīng)數字隔離器進(jìn)行電氣隔 離，隔離電路一方面對后面的電路起保護作用，另一方面起電壓變換的作用，將信號轉換為3.3V標準電壓的脈沖信號;再經(jīng)過(guò)第二次施密特整形電路進(jìn)行整形， 此次整形的主要目的是將兩路脈沖信號的波形進(jìn)行變換，產(chǎn)生A、B、AA(A的反相)和BB(B的反相)四路信號。 圖1 絞車(chē)信號檢測電路結構框圖 經(jīng)第二次整形后，A、B兩路信號經(jīng)過(guò)單穩態(tài)觸發(fā)器，在其上升沿和下降沿處分別進(jìn)行觸發(fā)，得到四個(gè)窄脈沖信號AU、AD，BU、BD。 得到的A、B、AA、BB、AU、AD、BU、BD共8路信號輸入到CPLD XC2C64A，進(jìn)行倍頻、鑒相和計數等處理，并在單片機的控制下對數據進(jìn)行輸出或清零。 根據如上的設計原理，采用Xilinx公司的EDA軟件ISE和模塊化設計[4]的方法設計了無(wú)線(xiàn)錄井絞車(chē)信號的檢測電路，其頂層設計電路如圖 2所示，該電路包括兩個(gè)子模塊：倍頻、鑒相子模塊jch_4f_dir，具有4倍頻和方向鑒別功能;16位二進(jìn)制可控加減計數與數據接口子模塊 countud，具有加/減計數(由方向鑒別信號控制)和MCU選擇讀取高/低8位計數數據等功能。該電路在XC2C64A-7VC44I器件[5]上進(jìn)行了下載測試。 圖2 絞車(chē)信號四倍頻、鑒相與計數頂層電路圖 A、B、AA、BB、AU、AD、BU、BD共8路信號經(jīng)過(guò)如圖3中左側所示的倍頻電路，產(chǎn)生4倍頻的脈沖信號，給后面的計數器提供計數時(shí)鐘信號;如圖3中右上側所示的由與非門(mén)組成的RS觸發(fā)器，是鑒相(方向鑒別)電路，可以得到反映絞車(chē)傳感器A、B兩相信號到達先后的方向信號A_B_DIR。假設絞車(chē)正轉，A超前B，A_B_DIR=1;絞車(chē)反轉， B超前A，A_B_DIR=0。 鑒相(方向)信號A_B_DIR一方面連接到二選一數據選擇器的選擇輸入端S0，用來(lái)控制A4F_OUT和B4F_OUT選通到如圖2右側所示 的計數器countud進(jìn)行計數，當A_B_DIR=1(A超前B)時(shí)，clk=A4F_OUT(有脈沖輸出);當A_B_DIR=0(B超前A)時(shí) clk= B4F_OUT(有脈沖輸出);同時(shí)，A_B_DIR也控制計數器進(jìn)行加法(A_B_DIR=0)或減法(A_B_DIR=1)計數。 圖3絞車(chē)信號四倍頻與鑒相電路圖 16位二進(jìn)制加/減計數器的主要功能設計描述如下所示(采用Verilog HDL)。其中，clk是計數時(shí)鐘輸入端，clr是異步清零端，dir是加減計數控制端：dir=1，減法計數，dir=0，加法計數;sel是計數數據 讀取控制端，由單片機給出的選擇信號實(shí)現高8位、低8位的計數數據輸出，sel=0，低8位，sel=1，高8位。
無(wú)線(xiàn)錄井絞車(chē)倍頻、鑒相與計數電路的仿真測試 在Xilinx的ISE環(huán)境下對倍頻、鑒相子模塊jch_4f_dir的仿真波形圖示于圖4。該波形是絞車(chē)傳感器輸出B相波形超前A相波形90°時(shí)的仿真結果。此時(shí)，倍頻輸出信號B4fout與A(或B)信號的頻率成4倍關(guān)系，鑒相(方向鑒別)輸出信號Dir=0，這與前面的原理分析完全一致。 圖4 B超前A的四倍頻與鑒相輸出信號波形圖 在ModelSim XEIII環(huán)境下對絞車(chē)檢測頂層整體電路(包括倍頻、鑒相和計數)的仿真波形圖示于圖5，該波形是絞車(chē)傳感器輸 出B相波形超前A相波形90°時(shí)的仿真結果。此時(shí)，倍頻輸出信號B4OUT與A(或B)信號的頻率成4倍關(guān)系，是計數器countud的時(shí)鐘輸入信號;鑒 相(方向鑒別)輸出信號A_B_DIR=0，即計數器的加減控制輸入信號dir=0，計數器加法計數;單片機提供的數據讀取選擇信號SEL=0，選取16 位計數器的低8位輸出，輸出的8位數據正是計數器按照四倍頻時(shí)鐘信號進(jìn)行加法計數的結果。
圖5 B超前A的絞車(chē)檢測輸出(倍頻、鑒相和計數)波形圖 在錄井現場(chǎng)，使絞車(chē)傳感器快速轉動(dòng)產(chǎn)生脈沖，經(jīng)過(guò)電路處理后，傳輸到主控儀器房的工控機。在設計中考慮現場(chǎng)應用情況，采集到的脈沖計數值是在一個(gè)初始值N的基礎上變化的(此處常使用30000，即0x7530)，正轉/反轉變化脈沖數在此基礎上做加/減運算。絞車(chē)傳感器轉動(dòng)一圈產(chǎn)生48個(gè)脈沖數，現場(chǎng)試驗數據分析表明，檢測電路對絞車(chē)轉動(dòng)圈數的測量非常準確，誤差僅是0.01%。 結語(yǔ) 采用一片XC2C64A-7VC44I 器件(64個(gè)宏單元，33個(gè)I/O口，工業(yè)級–40°C to +85°C)設計并實(shí)現了無(wú)線(xiàn)錄井絞車(chē)信號的檢測電路，完成了絞車(chē)信號的四倍頻、鑒相和16位二進(jìn)制加減計數以及與MCU數據讀取接口等綜合功能。錄井生 產(chǎn)實(shí)際應用表明，該設計簡(jiǎn)化了系統結構，降低了系統功耗，從而提高了系統整體性能，在無(wú)線(xiàn)錄井數據采集與傳輸系統中，應用效果很好。 參考文獻： [1] 秦紅祥. 綜合錄井技術(shù)在鉆井工程中的應用[J].西部探礦工程，2004，67(6)：59-60 [2] CoolRunner-II CPLD Family Product Specification.http://direct.xilinx.com/bvdocs/publications/ds090.pdf [3] 周海驕. 利用CoolRunner-II設計高性能系統[J].微電子技術(shù)，2003，31(5)：42-44 [4] 王誠 等.FPGA/CPLD設計工具-Xilinx ISE 5.x使用詳解.北京：人民郵電出版社,2003 [5] XC2C64A CoolRunner-II CPLD Product Specification.http://direct.xilinx.com/bvdocs/publications/ds311.pdf |
