微型一體化井下電阻率探管的設計

宮 琛

（安徽理工大學電氣與信息工程學院，安徽 淮南232001）

0 引言

測井儀是在煤礦勘探和開發(fā)過程中進行測量、記錄、分析井下巖層與地質或流體的物理特性，并對井下油氣煤進行評價與檢測的一種技術裝置[1-2]。測井儀主要針對井下各種情況的參數(shù)進行探測。本文設計的井下電阻率探管，即對井下的礦井介質實現(xiàn)采集，傳輸，存儲等功能。

傳統(tǒng)的電阻率探管，由于體積較大、笨重、不便于攜帶等一些問題，導致在很多特殊地形無法測量，而且功能單一，僅采取數(shù)據(jù)，無法立即對數(shù)據(jù)進行分析，能耗高。本文提出了一種小型一體化電阻率探管，以STM32F103單片機為核心，內(nèi)置32k到128k的閃存，速度快，性能強，外設多，實現(xiàn)了高性能、低成本、低功耗的目標。同時采用集成電路，整體電路符合本安電路設計要求，讓系統(tǒng)更加小型化[3-4]。在數(shù)據(jù)傳輸方面采用了CAN總線數(shù)據(jù)傳輸方式，使得數(shù)據(jù)傳輸更加穩(wěn)定，高效，快速。很好的減輕了工作負擔，縮短了工作時間，同時降低了工作成本。

1 系統(tǒng)總體設計

該系統(tǒng)總體設計主要為硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成。硬件系統(tǒng)框圖如圖1所示。軟件系統(tǒng)由初始化模塊、在線模式、離線模式、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊組成。該電阻率探管的主要功能就是測量鉆孔中巖石，礦石的電阻率。在測量電阻率時，要給巖層供入電流，并測量巖層在不同位置上因供入電流而產(chǎn)生的電位差，從而計算出視電阻率。同時通過CAN數(shù)據(jù)采集卡，與PC機相連。測量得到的數(shù)據(jù)，可以經(jīng)過運算處理得到最終的測量結果，同時可以對結果進行存儲與傳輸?shù)忍幚怼?/p>

2 系統(tǒng)硬件設計

電阻率探管整體由單片機控制模塊、發(fā)射模塊、接收模塊、存儲模塊、通訊模塊、電源模塊構成。單片機控制模塊用于對用戶命令的響應并對采集到的多組數(shù)據(jù)進行算法上的處理，進行處理篩選符合條件的數(shù)據(jù)，提高數(shù)據(jù)的測量精度，同時對其他模塊進行控制。發(fā)射模塊實現(xiàn)了對測量信號的發(fā)射處理。接收模塊用于對發(fā)射后的測量信號進行接收并通訊于存儲模塊。存儲模塊對控制模塊處理篩選后的信號進行存儲。通訊模塊可以與含有CAN模塊的設備或具有數(shù)據(jù)采集卡的PC通訊。電源模塊向整個系統(tǒng)進行供電保證系統(tǒng)的正常運行。整體硬件電路參考了本安防爆規(guī)范：GB3836.4-2000。考慮到本安防爆對設備耗電流的規(guī)定，所以盡量選取了低功耗的芯片，使電阻率探管整體耗電量降低到10mA。

2.1 單片機控制模塊

核心芯片采用了100針引腳基于cortex-M3處理內(nèi)核的新一代ARM芯片STM32F103。該芯片自帶了CAN通訊模塊，只需外接CAN收發(fā)器即可實現(xiàn)CAN總線通訊，簡化了電路設計，縮小了電路板體積，具有優(yōu)異的實時性能與杰出的功耗控制，最大限度的控制了該測井儀的能耗。在最大程度的集成整合的基礎上縮小了產(chǎn)品的體積，從而使得儀器輕便易攜帶。其豐富的IO口及各種外設資源更多是能夠滿足各種嵌入式控制領域的需求。考慮到性價比我們選用這款芯片。

2.2 發(fā)射模塊

在常規(guī)直流電法勘探中，僅存在2個回路，其中一個為供電回路（稱為AB回路），另一個為測量回路（稱為MN回路）。ABMN在空間上組成某一種測量裝置。測量電阻率只需精確測量MN兩端的電壓與AB回路中的電流，并將所測參數(shù)進行轉換即可。

2.3 接收模塊

采集部分主要分為采集前置電路與AD采樣部分。由于地電信號非常的微弱，故而必須將其放大同時對噪聲進行處理濾波，減少干擾，因此需要采集前置電路部分，它主要由四個部分組成，分別是：低通濾波部分、儀表放大器部分，差分放大部分和跟隨器部分。為了避免周邊環(huán)境例如雷電等產(chǎn)生的高頻干擾，需要在最前端添加低通濾波電路。之后為了降低信號的共模干擾同時對信號進行增益放大接入由兩個運放TLV2402組成的儀表放大器電路。再此后將雙端輸入信號通過一個差分放大電路，更好的抑制共模比，進一步增益信號，同時轉換成單端信號給跟隨器，通過跟隨器提升輸入阻抗。

2.4 存儲模塊

用SD卡進行存儲,考慮到成本沒有采用文件管理芯片,而是采用了軟件的方式通過STM32F103直接操控SD卡的讀寫,同時通過移植FATFS文件管理系統(tǒng)實現(xiàn)對SD卡文件的管理。

2.5 通訊模塊

由于采集節(jié)點在礦井下，故向下通訊必須考慮到礦井下通訊的特殊性：距離遠、干擾大、充滿易爆氣體、潮濕等。綜合以上因素，選擇了CAN總線來實現(xiàn)向下通信。CAN總線具有傳輸距離遠抗干擾能力強的特點，滿足礦井內(nèi)使用的要求。同時核心芯片STM32F103自帶的CAN模塊，僅需要在外面集成一個收發(fā)器即可完成。

3 系統(tǒng)軟件設計

在硬件電路的基礎上，需要對芯片STM32F103進行軟件程序的編寫，使得電阻率探管按照指定的方式工作，完成對數(shù)據(jù)的采集、初步處理以及對數(shù)據(jù)的傳輸?shù)裙δ堋＼浖到y(tǒng)分為數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊。并可分為在線模式與離線模式。

具體主程序流程圖如圖2所示，程序首先進行初始化，設置芯片STM32F103內(nèi)部各個工作寄存器的內(nèi)容，以及其他電路的初始狀態(tài)。其中初始化主要包括單片機、SPI、CAN總線、CH376、串口以及時鐘初始化。

電阻率探管通過向測試介質中供入方波，測量方波的電流（AB）和電壓（MN），以獲得介質的視電阻率和視極化率。電阻率探管離線或在線啟動探管后，進入發(fā)射、采樣和計算數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)傳輸。對AB回路發(fā)射雙極性電流脈沖要求：脈沖類型固定：雙極性脈沖。脈沖寬度固定：占空比1:1，脈寬500ms，每次發(fā)射時長共2500ms。

4 結語

本文提出的電阻率探管，經(jīng)過實驗驗證，不僅適應各種復雜地形，擴大了儀器的使用范圍；在結構上進一步優(yōu)化，使得整體輕便，易于攜帶；降低了功耗，延長了工作時間；采用CAN總線實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，提高了傳輸數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性與實時性。實驗證明本系統(tǒng)具有良好的性能，能夠很好的滿足礦下探測的需要。

［1］龐巨豐,李長星,施振飛,等.測井原理及儀器[M].北京:科學出版社,2008.

［2］斯倫貝謝測井公司.測井解釋原理及應用[M].李舟波,潘葆芝,譯.北京:工業(yè)出版社,1991:5-6.

［3］孔測井系統(tǒng)[J].工礦自動化,2013,39(3):88-91.

［4］李盟,郭家虎,周陽,周琦.CAN總線在井下測井儀中的應用[J].工礦自動化,2014,40(1):101-104.