基于CPLD的動(dòng)調(diào)陀螺測(cè)斜儀數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

0引 言

　　動(dòng)調(diào)式陀螺油氣井測(cè)斜儀(動(dòng)調(diào)陀螺測(cè)斜儀)是一種可在油氣勘探中用于測(cè)量鉆頭走向方位的儀器，且不受地磁干擾，它可在油氣井中按實(shí)際油層方向重新開窗，使廢舊井或老井得到二次開發(fā)，不但節(jié)約了開支，而且也大大節(jié)省了人力物力，因而日益受到業(yè)界的青睞，國(guó)內(nèi)也急需此類井下儀器。本論文著眼于基于CPLD的陀螺測(cè)斜儀信號(hào)采集電路設(shè)計(jì)。這主要緣于將各種模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)再進(jìn)行相應(yīng)的處理，不僅可以提高系統(tǒng)的整體性能，還可以充分利用現(xiàn)代信號(hào)分析的各種處理算法。特別是，為提高測(cè)量精度，在提高陀螺儀和加速度計(jì)制造工藝的同時(shí)，作為捷聯(lián)慣性測(cè)量組合的核心部分--數(shù)據(jù)采集電路的設(shè)計(jì)，則顯得尤其重要。

1儀器的構(gòu)成及采集系統(tǒng)方案選擇

1.1儀器的構(gòu)成

　　動(dòng)調(diào)陀螺測(cè)斜儀主要由井下儀器和井上(地面)儀器兩部分組成，井上、井下儀器通過單芯測(cè)井電纜相連，如圖1所示。井下儀器是該測(cè)斜儀的數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)傳輸?shù)炔糠?，按其功能和作用主要由捷?lián)慣性系統(tǒng)、反饋系統(tǒng)、信號(hào)采集電路、微控制系統(tǒng)等幾部分構(gòu)成；井上(地面)儀器是以便攜式微機(jī)為核心的主計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，以完成數(shù)據(jù)分析與處理等工作。

1.2數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)方案選擇

　　動(dòng)調(diào)陀螺測(cè)斜儀的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可以分為三類：(1)基于單片機(jī)(MCU)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。其成本低廉，實(shí)現(xiàn)容易，可以實(shí)現(xiàn)微秒、毫秒級(jí)的采集速度，但是它的抗干擾能力較差。以51系列的單片機(jī)為例，在設(shè)計(jì)完成單片機(jī)系統(tǒng)且在試驗(yàn)室調(diào)試成功后，在工程現(xiàn)場(chǎng)由于不可預(yù)測(cè)的干擾因素(如油氣井下高溫、高壓等)，常常會(huì)出現(xiàn)"死機(jī)"、"程序跑飛"等實(shí)際應(yīng)用中絕對(duì)不允許存在的現(xiàn)象。(2)基于DSP數(shù)字信號(hào)處理器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。其特點(diǎn)是：精度高、靈活性好、系統(tǒng)穩(wěn)定，處理速度快、可以分時(shí)復(fù)用、抗干擾能力相對(duì)于單片機(jī)(MCU) 有很大的提高，但價(jià)格也較高。采用DSP的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，雖能通過軟件控制數(shù)據(jù)采集的A／D轉(zhuǎn)換，但必將頻繁中斷系統(tǒng)的運(yùn)行，從而減弱系統(tǒng)的數(shù)據(jù)運(yùn)算能力，數(shù)據(jù)采集的速度也將會(huì)受到限制。(3)基于CPLD的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。CPLD芯片價(jià)格昂貴，但能實(shí)現(xiàn)高速采集，可以處理納秒級(jí)的采集速度，且易于升級(jí)擴(kuò)展。尤為重要的是，一旦CPLD完成程序的燒寫，其內(nèi)部就相當(dāng)于硬件電路的連接，抗干擾能力可以得到顯著的提高；同時(shí)，使其能在油氣井下高溫、高壓等的惡劣環(huán)境下，維持穩(wěn)定工作。有鑒于此，本文選擇采用基于CPLD的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行了研究與開發(fā)。

2采集系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

　　動(dòng)調(diào)陀螺測(cè)斜儀的數(shù)據(jù)采集信號(hào)，包括動(dòng)調(diào)陀螺儀測(cè)得的地球自轉(zhuǎn)角速度水平分量ωx、地球自轉(zhuǎn)角速度的垂直分量ωy、加速度計(jì)測(cè)得的重力加速度的水平分量ax、重力加速度的垂直分量ay以及井下的實(shí)際工作溫度T。因此，它是一個(gè)多路信號(hào)的采集系統(tǒng)。為使需要采集的所有信號(hào)與A／D轉(zhuǎn)換芯片的量程相匹配，須設(shè)計(jì)一個(gè)信號(hào)前端預(yù)處理電路。針對(duì)5路的信號(hào)采集，系統(tǒng)采用8通道HI-548模擬多路復(fù)用器對(duì)信號(hào)進(jìn)行選擇；AD7899SR-1實(shí)現(xiàn)信號(hào)的A／D轉(zhuǎn)換；CPLD完成A／D轉(zhuǎn)換的控制功能。其接口電路，如圖2所示。

　　圖中，CPLD芯片采用的是ALTERA公司的EPM1270。A／D轉(zhuǎn)換芯片采用的是AD7899SR-1，它是美國(guó)AD公司生產(chǎn)的高速、低功耗、逐次逼近型單電源14位A／D轉(zhuǎn)換器，具有如下特點(diǎn)：

　　(1)可選擇的輸入范圍：±10 V、±5 V、±2.5 V、0～2.5 V以及0～5 V；
　　(2)允許與3 V處理器兼容的高速并行接口；
　　(3)低功耗，正常工作時(shí)功耗為80 mW，在省電的工作模式下，功耗僅為20μW；
　　(4)模擬信號(hào)輸入端具有過壓保護(hù)。

　　AD7899SR-1控制字的功能有：

　　(1)／STBY：邏輯輸入，低電平為低功耗模式(備用模式)，高電平為正常工作模式；
　　(2)／CS：邏輯輸入，片選信號(hào)，低電平有效；
　　(3)／RD：邏輯輸入，低電平有效，與／CS配合，讀入AD轉(zhuǎn)換的結(jié)果；
　　(4)／CONVST：邏輯輸入，一個(gè)上升沿信號(hào)啟動(dòng)AD轉(zhuǎn)換；
　　(5)CLKIN：時(shí)鐘輸入，若CLKIN為高電平時(shí)，／CONVST輸入一個(gè)上升沿，一個(gè)外界提供的時(shí)鐘將作為A／D轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換時(shí)鐘；若CLKIN在低電平時(shí)，／CONVST輸入-個(gè)上升沿，內(nèi)部激光平衡的振蕩器將提供A／D轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換時(shí)鐘。如果要完成A／D轉(zhuǎn)換，上述兩種形式的時(shí)鐘輸入都需要16個(gè)時(shí)鐘周期；
　　(6)BUSY／EOC：邏輯輸出，判斷A／D轉(zhuǎn)換是否完成，它有兩種工作模式，BUSY模式和EOC模式。

　　在EOC模式下，A／D轉(zhuǎn)換的工作時(shí)序圖，如圖3所示。EOC模式下，／CONVST通常是高電平狀態(tài)，／CONVST的上升沿將啟動(dòng)AD轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換完成后，BUSY／EOC將產(chǎn)生一個(gè)負(fù)脈沖，／CS和／RD配合使用，CPLD就能夠讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。本文中的／STBY，則一直接高電平，即AD7899SR-1一直工作在正常模式下；而／CS一直接低電平，AD7899SR-1則一直處于選中狀態(tài)。

3采集系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1 A／D轉(zhuǎn)換的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖和狀態(tài)轉(zhuǎn)換表

　　A／D轉(zhuǎn)換控制軟件的設(shè)計(jì)平臺(tái)是QuartusⅡ5.0，編程語(yǔ)言是硬件描述語(yǔ)言VHDL。根據(jù)AD7899SR-1的控制字以及CPLD的讀寫需要，可將整個(gè)A／D轉(zhuǎn)換過程分為7個(gè)狀態(tài)：S0，S1，S2，S3，S4，S5，S6，各個(gè)狀態(tài)所要完成的功能，如表1所示。

3.2 A／D轉(zhuǎn)換的控制程序

　　根據(jù)狀態(tài)轉(zhuǎn)換表和狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖，動(dòng)調(diào)陀螺測(cè)斜儀的信號(hào)采集系統(tǒng)整個(gè)軟件工作流程，如圖4所示。

4結(jié)果與討論

　　在設(shè)計(jì)完成動(dòng)調(diào)陀螺測(cè)斜儀信號(hào)采集系統(tǒng)后，對(duì)基于CPLD的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行硬、軟件的調(diào)試，其結(jié)果如圖5所示。從AD7899的仿真波形可見，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)滿足了動(dòng)調(diào)陀螺測(cè)斜儀信號(hào)采集的要求。圖6為基于CPLD的動(dòng)調(diào)陀螺測(cè)斜儀數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)界面圖。

5結(jié) 論

　　(1)選擇采用CPLD取代MCU，對(duì)動(dòng)調(diào)陀螺測(cè)斜儀的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行控制，可以提高數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的抗干擾能力。

　　(2)CPLD具有豐富的可供二次開發(fā)的資源，這為動(dòng)調(diào)陀螺測(cè)斜儀靈活、快捷的升級(jí)換代提供了基礎(chǔ)或保證。