基于CPCI總線與FPGA芯片的測井?dāng)?shù)據(jù)采集智能IO板卡設(shè)計(jì)方案

隨著數(shù)字化與測井技術(shù)的發(fā)展，對測井系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性、兼容性、可升級(jí)性等性能提出了更高的要求，本文提出了一種適用于測井系統(tǒng)設(shè)備的CPCI（Compact PCI）高性能數(shù)據(jù)采集板卡硬件設(shè)計(jì)方案，能夠有效地處理來自井下的復(fù)雜信號(hào)，并通過256 MB/s 高速CPCI總線橋接到主控設(shè)備。

本板卡實(shí)現(xiàn)的主要功能是井下Encoder(深度脈沖)、Tension(張力)、MMD(Magnetic Mark Detection)和CCL(Casing Collar Locator)等信號(hào)的實(shí)時(shí)采集,采集數(shù)據(jù)在DSP中完成預(yù)處理,通過CPCI總線送入主控制器分析使用，此外，板卡還實(shí)現(xiàn)上電自診斷，關(guān)鍵數(shù)據(jù)在FRAM中的及時(shí)存儲(chǔ)，RS232 串口定時(shí)發(fā)送深度數(shù)據(jù)和接收控制命令等其他功能。

1 板卡總體結(jié)構(gòu)

整個(gè)板卡由FPGA、PCI橋片、DSP、A/D和D/A五大部分組成,其中FPGA選用Altera公司高性能低功耗Cyclone III系列芯片，PCI橋片選用PLX公司32 bit 66 MHz PCI9056芯片，DSP選用TI公司TMS320F2812芯片,A/D選用ADI公司16 bit 200 kS/s高精度高速采集芯片AD974，板卡結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。該板卡工作過程是：板卡上電后，PCI9056向FPGA發(fā)出指令控制D/A產(chǎn)生診斷信號(hào)，診斷信號(hào)經(jīng)由板卡各級(jí)模擬通路后環(huán)回到FPGA，然后FPGA把采集到的診斷信號(hào)送入DSP，DSP再通過FPGA把數(shù)據(jù)送回CPCI總線，完成整個(gè)板卡硬件的自診斷。自診斷完成后，D/A處于非工作狀態(tài)，各信號(hào)由井下電纜送入，經(jīng)過多級(jí)濾波放大后進(jìn)行A/D采集，F(xiàn)PGA完成Tension、MMD和CCL等信號(hào)的采集和Encoder信號(hào)的處理，最終把數(shù)據(jù)送入DSP進(jìn)行預(yù)處理，經(jīng)DSP處理好的數(shù)據(jù)由CPCI總線送回主控制器。

2 板卡硬件設(shè)計(jì)

2.1 FPGA控制器的總體設(shè)計(jì)

本板卡的數(shù)字系統(tǒng)共有2個(gè)主控制器，分別為數(shù)據(jù)采集板卡上的DSP和CPCI總線上的CPU主控機(jī)，板卡使用PCI9056橋片實(shí)現(xiàn)CPCI總線與局部總線間的轉(zhuǎn)化， DSP與CPCI總線通過中斷方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。其中FPGA調(diào)用QUARTUS軟件自帶IP核實(shí)現(xiàn)32 KB雙口RAM，并把雙口RAM分成大小相等的兩部分，一部分用于CPCI總線向DSP傳輸數(shù)據(jù)，另一部分用于DSP向CPCI總線傳輸數(shù)據(jù)，避免了總裁的使用和數(shù)據(jù)的丟失。FPGA作為數(shù)據(jù)采集板卡數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站的同時(shí)，主要實(shí)現(xiàn)A/D數(shù)據(jù)的采集，Encoder脈沖信號(hào)的去抖動(dòng)處理、計(jì)數(shù)和相位判斷。FPGA實(shí)現(xiàn)功能框圖如圖2所示。

2.2 A/D數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)

Tension、MMD和CCL等信號(hào)均是來自井下的低頻微弱小信號(hào)，并且由于井下環(huán)境復(fù)雜，信號(hào)容易被干擾，處理不當(dāng)容易造成數(shù)據(jù)失效，所以本板卡對三種信號(hào)在模擬電路上做了多級(jí)濾波放大處理。經(jīng)實(shí)際環(huán)境測試，三路信號(hào)的主要輸入干擾集中在60 Hz以上，因此在輸入端設(shè)計(jì)40 Hz、70 Hz和120 Hz三階RC濾波電路做前級(jí)濾波處理，使濾波器具有窄的過渡帶，有效的濾除60 Hz以上的干擾信號(hào)，避免干擾信號(hào)進(jìn)一步放大無法濾除，圖3(a)為前級(jí)濾波電路的頻譜特性仿真結(jié)果。為了便于信號(hào)的采集，需設(shè)計(jì)運(yùn)放電路將信號(hào)放大至A/D量程范圍，這就不可避免會(huì)引入PCB、運(yùn)放等造成的中高頻噪聲，所以在信號(hào)進(jìn)入A/D前做了進(jìn)一步有源濾波處理，圖3(b)為有源濾波器的頻譜特性仿真結(jié)果。實(shí)際測試結(jié)果也證明經(jīng)過多級(jí)濾波，電路抗干擾能力明顯增強(qiáng)。

本設(shè)計(jì)選用了高速高精度ADC AD974芯片，在4個(gè)通道間以輪詢方式進(jìn)行采樣，每個(gè)通道的實(shí)際采樣轉(zhuǎn)換率為50 kS/s，在FPGA中設(shè)置一個(gè)數(shù)據(jù)更新寄存器，進(jìn)行每一次數(shù)據(jù)采集完成的實(shí)時(shí)跟蹤。此種工作方式是否能可靠穩(wěn)定地采集數(shù)據(jù)關(guān)鍵有兩點(diǎn)，一是外部時(shí)鐘頻率是否適中，本設(shè)計(jì)采用12 MHz的頻率，二是要保證A/D內(nèi)部的采樣時(shí)間(Acquisition Time)不能小于1 μs，并且4個(gè)通道在輪詢切換時(shí)，地址鎖存信號(hào)WR1和WR2要在采樣前一個(gè)周期設(shè)置完成。

AD974在板卡上電后用Quartus II SignalTap實(shí)時(shí)觀測的時(shí)序如圖4所示。其中ADC_A0和ADC_A1為A/D4個(gè)通道地址編碼信號(hào)，ADC_WR0_N和ADC_WR1_N為地址鎖存信號(hào)，低電平有效，當(dāng)前鎖存地址作為下一次采集通道有效地址。當(dāng)ADC_RC_N信號(hào)置為低電平時(shí)A/D開始將采集到的模擬信號(hào)向數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換，并在此時(shí)送出一個(gè)時(shí)鐘周期的ADC_DATACLK信號(hào)，使能A/D同步信號(hào)，此時(shí)如果A/D空閑則ADC_BUSY_N信號(hào)自動(dòng)拉低，表示A/D已經(jīng)開始轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，隨后將ADC_RC_N置高并送出采樣時(shí)鐘信號(hào)，便可在ADC_DATA上開始讀前一次轉(zhuǎn)換完成的數(shù)據(jù)。當(dāng)本次A/D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完成后ADC_BUSY_N信號(hào)將自動(dòng)置高，表明A/D本次轉(zhuǎn)換完成，進(jìn)入下一次模擬信號(hào)采樣。

2.3 Encoder信號(hào)處理模塊設(shè)計(jì)

Encoder信號(hào)在實(shí)際設(shè)備上分為兩路信號(hào)，分別為A信號(hào)和B信號(hào)，當(dāng)井下設(shè)備上提時(shí)A信號(hào)相位超前B信號(hào)90°，當(dāng)井下設(shè)備下放時(shí)A信號(hào)相位滯后B信號(hào)90°，脈沖信號(hào)的數(shù)量體現(xiàn)測井設(shè)備在井下的深度，此信號(hào)是測井系統(tǒng)的重要信號(hào)之一，如果測量不準(zhǔn), 可能會(huì)導(dǎo)致測井資料作廢, 甚至帶來生產(chǎn)事故。實(shí)測Encoder信號(hào)從井下設(shè)備傳送到地面時(shí)，會(huì)有尖峰脈沖干擾引入，所以本板卡在硬件上采用RC無源濾波器去除信號(hào)的尖峰脈沖，通過FPGA在軟件上對信號(hào)進(jìn)行去抖動(dòng)處理、計(jì)數(shù)和相位判斷，能夠準(zhǔn)確計(jì)數(shù)并與系統(tǒng)時(shí)鐘同步。

FPGA中對Encoder脈沖信號(hào)的去抖動(dòng)處理和相位判斷設(shè)計(jì)電路見圖5，其中depth_pluse為去抖動(dòng)后的脈沖信號(hào)，結(jié)合depth_dir完成脈沖計(jì)數(shù)，當(dāng)depth_dir為正時(shí)，計(jì)數(shù)脈沖自加，depth_dir為負(fù)時(shí)，脈沖計(jì)數(shù)自減。本文用QUARTUS軟件自帶仿真工具對Encoder信號(hào)做的仿真波形，見圖6，如波形所示，在時(shí)間節(jié)點(diǎn)619.9 ns、1.069 9 μs和1.489 9 ?μs處分別對A信號(hào)和B信號(hào)加入了干擾脈沖，但結(jié)果表明本設(shè)計(jì)可以對干擾脈沖完全濾除。

本文給出了一種高性能測井?dāng)?shù)據(jù)采集板卡的設(shè)計(jì)方法，板卡在設(shè)計(jì)中，模擬部分采用多級(jí)濾波、高精度A/D，使得數(shù)據(jù)采集穩(wěn)定可靠，Encoder深度脈沖信號(hào)在硬件濾波的基礎(chǔ)上做了軟件優(yōu)化處理，明顯增強(qiáng)了抗干擾能力，數(shù)字部分采用FPGA和DSP相結(jié)合，使板卡具有很高的靈活性、可靠性和可升級(jí)性。經(jīng)大量測試，板卡運(yùn)行穩(wěn)定，并在實(shí)際系統(tǒng)中得到應(yīng)用。