基于CPLD的动调陀螺测斜仪数据采集系统设计与实现

0引 言

　　动调式陀螺油气井测斜仪(动调陀螺测斜仪)是一种可在油气勘探中用于测量钻头走向方位的仪器，且不受地磁干扰，它可在油气井中按实际油层方向重新开窗，使废旧井或老井得到二次开发，不但节约了开支，而且也大大节省了人力物力，因而日益受到业界的青睐，国内也急需此类井下仪器。本论文着眼于基于CPLD的陀螺测斜仪信号采集电路设计。这主要缘于将各种模拟信号转化为数字信号再进行相应的处理，不仅可以提高系统的整体性能，还可以充分利用现代信号分析的各种处理算法。特别是，为提高测量精度，在提高陀螺仪和加速度计制造工艺的同时，作为捷联惯性测量组合的核心部分--数据采集电路的设计，则显得尤其重要。

1仪器的构成及采集系统方案选择

1.1仪器的构成

　　动调陀螺测斜仪主要由井下仪器和井上(地面)仪器两部分组成，井上、井下仪器通过单芯测井电缆相连，如图1所示。井下仪器是该测斜仪的数据采集与数据传输等部分，按其功能和作用主要由捷联惯性系统、反馈系统、信号采集电路、微控制系统等几部分构成；井上(地面)仪器是以便携式微机为核心的主计算机系统，以完成数据分析与处理等工作。

1.2数据采集系统方案选择

　　动调陀螺测斜仪的数据采集系统，可以分为三类：(1)基于单片机(MCU)的数据采集系统。其成本低廉，实现容易，可以实现微秒、毫秒级的采集速度，但是它的抗干扰能力较差。以51系列的单片机为例，在设计完成单片机系统且在试验室调试成功后，在工程现场由于不可预测的干扰因素(如油气井下高温、高压等)，常常会出现"死机"、"程序跑飞"等实际应用中绝对不允许存在的现象。(2)基于DSP数字信号处理器的数据采集系统。其特点是：精度高、灵活性好、系统稳定，处理速度快、可以分时复用、抗干扰能力相对于单片机(MCU) 有很大的提高，但价格也较高。采用DSP的数据采集系统，虽能通过软件控制数据采集的A／D转换，但必将频繁中断系统的运行，从而减弱系统的数据运算能力，数据采集的速度也将会受到限制。(3)基于CPLD的数据采集系统。CPLD芯片价格昂贵，但能实现高速采集，可以处理纳秒级的采集速度，且易于升级扩展。尤为重要的是，一旦CPLD完成程序的烧写，其内部就相当于硬件电路的连接，抗干扰能力可以得到显著的提高；同时，使其能在油气井下高温、高压等的恶劣环境下，维持稳定工作。有鉴于此，本文选择采用基于CPLD的数据采集系统进行了研究与开发。

2采集系统的硬件设计

　　动调陀螺测斜仪的数据采集信号，包括动调陀螺仪测得的地球自转角速度水平分量ωx、地球自转角速度的垂直分量ωy、加速度计测得的重力加速度的水平分量ax、重力加速度的垂直分量ay以及井下的实际工作温度T。因此，它是一个多路信号的采集系统。为使需要采集的所有信号与A／D转换芯片的量程相匹配，须设计一个信号前端预处理电路。针对5路的信号采集，系统采用8通道HI-548模拟多路复用器对信号进行选择；AD7899SR-1实现信号的A／D转换；CPLD完成A／D转换的控制功能。其接口电路，如图2所示。

　　图中，CPLD芯片采用的是ALTERA公司的EPM1270。A／D转换芯片采用的是AD7899SR-1，它是美国AD公司生产的高速、低功耗、逐次逼近型单电源14位A／D转换器，具有如下特点：

　　(1)可选择的输入范围：±10 V、±5 V、±2.5 V、0～2.5 V以及0～5 V；
　　(2)允许与3 V处理器兼容的高速并行接口；
　　(3)低功耗，正常工作时功耗为80 mW，在省电的工作模式下，功耗仅为20μW；
　　(4)模拟信号输入端具有过压保护。

　　AD7899SR-1控制字的功能有：

　　(1)／STBY：逻辑输入，低电平为低功耗模式(备用模式)，高电平为正常工作模式；
　　(2)／CS：逻辑输入，片选信号，低电平有效；
　　(3)／RD：逻辑输入，低电平有效，与／CS配合，读入AD转换的结果；
　　(4)／CONVST：逻辑输入，一个上升沿信号启动AD转换；
　　(5)CLKIN：时钟输入，若CLKIN为高电平时，／CONVST输入一个上升沿，一个外界提供的时钟将作为A／D转换的转换时钟；若CLKIN在低电平时，／CONVST输入-个上升沿，内部激光平衡的振荡器将提供A／D转换的转换时钟。如果要完成A／D转换，上述两种形式的时钟输入都需要16个时钟周期；
　　(6)BUSY／EOC：逻辑输出，判断A／D转换是否完成，它有两种工作模式，BUSY模式和EOC模式。

　　在EOC模式下，A／D转换的工作时序图，如图3所示。EOC模式下，／CONVST通常是高电平状态，／CONVST的上升沿将启动AD转换，转换完成后，BUSY／EOC将产生一个负脉冲，／CS和／RD配合使用，CPLD就能够读取转换结果。本文中的／STBY，则一直接高电平，即AD7899SR-1一直工作在正常模式下；而／CS一直接低电平，AD7899SR-1则一直处于选中状态。

3采集系统的软件设计

3.1 A／D转换的状态转换图和状态转换表

　　A／D转换控制软件的设计平台是QuartusⅡ5.0，编程语言是硬件描述语言VHDL。根据AD7899SR-1的控制字以及CPLD的读写需要，可将整个A／D转换过程分为7个状态：S0，S1，S2，S3，S4，S5，S6，各个状态所要完成的功能，如表1所示。

3.2 A／D转换的控制程序

　　根据状态转换表和状态转换图，动调陀螺测斜仪的信号采集系统整个软件工作流程，如图4所示。

4结果与讨论

　　在设计完成动调陀螺测斜仪信号采集系统后，对基于CPLD的数据采集系统进行硬、软件的调试，其结果如图5所示。从AD7899的仿真波形可见，数据采集系统的设计满足了动调陀螺测斜仪信号采集的要求。图6为基于CPLD的动调陀螺测斜仪数据采集系统界面图。

5结 论

　　(1)选择采用CPLD取代MCU，对动调陀螺测斜仪的数据采集系统进行控制，可以提高数据采集系统的抗干扰能力。

　　(2)CPLD具有丰富的可供二次开发的资源，这为动调陀螺测斜仪灵活、快捷的升级换代提供了基础或保证。