基于FPGA的泥漿電參數測量系統設計*

周郭牛,李穎,李廷軍,聶在平

(電子科技大學,成都 610054)

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基于FPGA的泥漿電參數測量系統設計*

周郭牛,李穎,李廷軍,聶在平

(電子科技大學,成都 610054)

摘要:針對石油測井過程中實時獲取鉆桿周圍地層圖像信息的問題，詳細介紹了一種基于現場可編程門陣列(FPGA)的泥漿電參數測量系統設計和實現過程。整個系統采用模塊化設計，主要包括FPGA控制器、幅度/相位檢測器、信號調理電路以及直接數字頻率合成信號發生器。該系統突破了傳統測量泥漿電參數的思路，通過測量盛有泥漿的環形容器復阻抗的方式間接獲取泥漿的電參數。實驗結果表明,該系統滿足了石油測井過程中的實際應用需要。

關鍵詞:石油測井；地層圖像信息；泥漿電參數；復阻抗；FPGA

引言

我國地緣遼闊，擁有豐富的自然資源。其中,石油是我國工業的血液，是支撐我國經濟快速發展重要能源，關系到國家能源安全、社會穩定[1]。然而在石油開采過程中充滿著各種挑戰，為了實時掌握鉆頭部位地層圖像信息以及考察泥漿對鉆井的影響，通常需要測量地層電參數[2]，并且將這些電參數傳輸回地面控制臺，從而實時掌握分析地層分布信息。

基于FPGA的泥漿電參數測量系統是為了滿足上述工業需求而設計的。為了獲取精確的泥漿電參數，將其注入特定的環行容器內，以泥漿作為該容器的電介質，然后測量該環形容器在特定激勵頻率下的復阻抗值來推導泥漿的電參數。

1測量方法及原理

1.1測量方法

泥漿電參數測量采用間接測量方法，即通過測量盛有待測泥漿的特制環形容器的復阻抗來反推泥漿的電參數。復阻抗Zx的測量是將一個已知電壓激勵Vin加載在被測阻抗上，然后測量流過被測阻抗的電流Iz，從而計算出被測阻抗Zx=Vin/Iz。測量原理如圖1所示，①端輸出為V3=-Iz·Rs，由此可以推出Iz=-V3/Rs，其中Rs為采樣電阻。

圖1　復阻抗I-V轉換電路圖

1.2原理分析

根據數值分析模擬，環形電容模型可以等效為電阻R和電容C并聯，如圖2所示。

圖2　環形電容等效模型示意圖

那么環形電容的等效阻抗為：

(1)

其中：

(2)

參數r1和r2分別代表的是環形電容內外半徑，h表示環形容器的高度。將式(1)簡化，可以求出Zeq的實部和虛部，如下所示：

(3)

將式(2)代入式(3)后，進一步推導可以得到介質的電阻率ρ和介電常數ε為：

(4)

從以上推導可以得知，測量泥漿的電參數可以通過測量環形容器的等效阻抗間接獲取。

2系統構成

基于FPGA的泥漿電參數測量系統由FPGA核心控制器模塊、幅度/相位檢測模塊、直接數字頻率合成器模塊(簡稱DDS)、監測模塊、濾波網絡以及兩部分信號調理模塊組成。由FPGA控制DDS模塊產生兩路相同的正弦激勵信號CH0和CH1，其中CH0經過信號調理電路1后送給幅度相位檢測電路的參考通道1，CH1經過功放后加載在被測阻抗上，然后經過I-V轉換電路將流經被測阻抗的電流轉換為電壓，該電壓信號再經過模擬帶通濾波網絡后傳輸給幅度/相位檢測電路的2通道。

幅度/相位檢測電路將兩個通道的信號作對數差值，分別輸出兩通道信號的幅度比和相位差給FPGA控制器，FPGA控制器根據輸入的幅度比和相位差算出被測阻抗的模值|Z|和相角θ。微控制器用于控制電壓、溫度和電流監測電路，將采集后的監測信息送給FPGA控制器，整個系統框圖如圖3所示。

圖3　基于FPGA的泥漿電參數測量系統框圖

2.1核心控制器FPGA

文中采用Xilinx公司SPARTAN3E系列XA3S250E作為核心控制器，它采用了成熟的90 nm制造技術，每個I/O的傳輸速率高達622 Mb/s，單片擁有25萬邏輯門資源，同時具有成本低、性能高的特點[3]。

2.2DDS模塊

直接數字頻率合成器(DDS)模塊采用ADI公司的專用IC模塊AD9958，它具有2個同步通道，且每個通道之間可以獨立控制輸出信號的頻率、相位和幅度，頻率分辨率達到0.12 Hz；內部集成有2個10位的數/模轉換器(DAC)，能將DDS核生成的正弦波信號轉換成模擬信號；采用串行I/O接口(SPI)與外界進行數據傳輸，最大傳輸速率高達800 Mbps,其內部功能框圖如圖4所示。

圖4　AD9958功能框圖

2.3幅度/相位檢測電路

幅度/相位檢測電路采用ADI公司的RF/IF增益/相位檢測芯片AD8302，其輸入信號頻率高達2.7 GHz，內部有兩個對數放大器和相位檢測器；其增益測量范圍為-30~+30 dB，精度達到30 mV/dB，典型的非線性失真<0.5 dB；相位測量范圍為0°~180°，精度達到10 mV/°，典型的非線性失真<1°；工作模式有5種，分別為幅度掃描模式、頻率掃描模式、調制模式、相位掃描模式和單頻調制模式，本文中采用單頻調制模式，其電路連接如圖5所示。

圖5　AD8302在單頻調制模式下的連接電路

AD8302的工作原理是將輸入的兩個信號VINA和VINB做對數運算，其中VINB作為參考信號，VINA作為變量信號，轉換后的增益輸出為VMAG，相位輸出為VPHS，輸入與輸出的表達式如下所示：

(5)

VMAG和VPHS經過ADC后送給FPGA處理，FPGA根據輸入電壓的大小轉換成對應幅度和相位，如圖6和圖7所示。

圖6　幅度與VMAG關系曲線

圖7　相位與VPHS關系曲線

2.4信號調理電路

為了實現幅度/相位檢測電路測量最大動態范圍，需要INPB端口的參考信號設置在合理范圍。本文中將DDS通道0產生的正弦信號經過信號調理電路傳輸給AD8302。信號調理電路由4階低通濾波器和反相衰減器組成，如圖8所示，通過衰減器參數調整使得幅度/相位測量動態范圍最大。

圖8　信號調理電路

2.5功率放大電路

當激勵信號幅度為1.8 V時，為實現測量范圍覆蓋泥漿變化范圍，所需電流至少為200 mA，而DDS芯片輸出最大電流為10 mA，無法滿足設計需要，故而這里加入功率放大電路提高信號源的驅動能力。功放電路采用了集成高速功率緩沖器BUF634，其最大驅動電流可達250 mA，輸入信號帶寬最大可達180 MHz，且內部具有過熱保護功能，完全滿足設計需要。

2.6I-V轉換電路

I-V轉換電路是將流過被測阻抗的電流轉換為電壓，取樣精度直接影響到測量精度[4]。本文選用ADI公司高精度、低噪聲、低偏置電流、25 MHz寬頻帶運算放大器AD8620作為I-V轉換電路的運放芯片，這里主要考慮AD8620偏置電流IB和失調電流IOS對取樣精度的影響[5]。查閱據手冊，在±5 V供電的情況下，AD8620的偏置電流典型值為IB=2 pA，失調電流IOS=1 pA，那么在零輸入的情況下，偏置電流和失調電流對輸出的貢獻為Eo，根據基爾霍夫電流定律有如下關系式：

(6)

根據理想運放的虛短特性有VN=VP=0，代入式(6)：

(7)

已知RS=249Ω，可以求出Eo=0.37nV；當被測阻抗最大時，流過它的電流最小，Zx(max)=2MΩ,激勵信號幅度為1.8V，那么I-V轉換后的電壓VO=224.1μV，對比發現Vo>>Eo，說明選用AD8620完全能夠滿足高精度測量需要。

2.7其他電路

其他電路包括以MCU微控制器為核心的監控電路、濾波器網絡和系統電源。MCU選用C8051F850,它內部集成有12位ADC，最大8KB閃存，18個I/O口可用[6]，主要用于監控電壓、電流以及溫度。濾波器網絡由中心頻率分別由1kHz、10kHz、100kHz和1MHz的窄帶帶通濾波器組成，有效提高了整個系統的信噪比。系統電源采用1117-x系列線性穩壓芯片，能為系統提供±5V、+3.3V、+2.5V、+1.8V、+1.2V電源。

3實驗結果與分析

3.1測量結果正確性驗證

為了驗證電路系統測量準確性，將一個已知電阻和電容串聯組成一個已知阻抗，分別使用高精度阻抗分析儀(Agilent 4294A-CFG002)和電路系統測試其模值和相位，然后計算兩者相對于已知阻抗的理論模值和相位的相對誤差。表1列出了已知阻抗的理論計算值和兩種儀器測量值。

表1　激勵頻率不同的電路測試和阻抗分析儀測試數據

由表1可以看出，當激勵頻率為1 kHz時，阻抗分析儀和電路板測量相對誤差絕對值都超過了1%；當頻率為1 MHz時，電路板測量的幅度和相位數據相對誤差絕對值都在1%以內。

3.2泥漿電參數反推

基于FPGA的泥漿電參數測量系統最終的目的是測量泥漿的電參數，下面通過測量盛有硅油的環形容器復阻抗推導出對應硅油電阻率。

若已知環形容器的復阻抗模值Z和相角θ,那么可以計算出復阻抗的實部Zreal和虛部Zimag，從而得出硅油的電參數計算公式[11]。硅油電參數測量數據如表2所列,單位為Ω·m。

表2　硅油電參數測量數據

通過查閱數據手冊，實驗室中所用硅油的電阻率為1.024 63 Ω·m，與推導的數據值對比發現，最大相對誤差為1.3%，最小相對誤差為0.0075%，由此可以說明該系統具有高精度測量優點。

結語

本文論述了一種基于FPGA的泥漿電參數測量系統的設計和實現過程，詳細介紹了每個電路模塊的功能和實現。首先從理論的角度分析了測量方法的思路，然后通過硬件電路測量不同阻抗與高精度阻抗分析儀測試結果進行對比，驗證電路系統的準確性，最后通過測量一種模擬泥漿的化學介質(硅油)電阻率來驗證電路系統測量的準確性。

參考文獻

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[2] 陳世英，牟金東.泥漿電阻率快速測量儀的研制[J].石油儀器,2005 ,19 (2): 75-76.

[3] 田耘，徐文波.Xinlinx FPGA開發實用教程[M].北京：清華大學出版社，2008，25-165.

[4] 吳旗.傳感器與自動檢測技術[M].北京：高等教育出版社，2006:176-200.

[5] 賽爾吉歐.佛朗哥.基于運算放大器和模擬集成電路的電路設計[M].西安：西安交通大學出版社，2009：3-263.

[6] 胡漢才.單片機原理及其接口技術學習輔導與實踐教程[M].北京：清華大學出版社，2004:36-98.

周郭牛(碩士研究生)，研究方向為電路與系統;李穎(工程師)，研究方向為射頻、微波、毫米波電路與系統及集成技術;李廷軍(副教授)，研究方向為數據通信、探地雷達、穿墻雷達、鉆孔雷達和測井儀器電路系統的設計與實現等;聶在平(教授)，研究方向為電磁輻射、散射與逆散射理論與工程。

Qorvo, Inc.宣布，LG 電子為其 Nexus 5X 智能手機選用Qorvo RF Fusion 移動 Wi-Fi 集成前端模塊 (iFEM)。Qorvo 在市場向高集成度 Wi-Fi 前端模塊過渡的過程中居于領先地位，旗下最新款 RF Fusion 移動 Wi-Fi iFEM 產品 TQF6174 不但擁有高于分立式元件的性能，同時還能為領先智能手機制造商節省空間、簡化設計。

Mud Electrical Parameters Measurement System Based on FPGA

Zhou Guoniu,Li Ying,Li Tingjun,Nie Zaiping

(University of Electronic Science and Technology of China,Chengdu 610054,China)

Abstract：In order to get the real-time image information of the the drill pipe,the mud electrical parameters measurement system based on FPGA is proposed.The system is consisted of FPGA controller,amplitude/phase detector,signal conditioning circuit and direct digital frequency synthesis signal generator,which adopts modular design.The system measures the complex impedance of the circular container filled with mud,then indirectly acquires the electrical parameters.The experiment results show that the system can meet the application needs of the actual logging engineering.

Key words:oil logging;stratigraphic information;mud electrical parameters;complex impedance;FPGA

收稿日期：(責任編輯：楊迪娜2015-08-25)

中圖分類號:TN98

文獻標識碼:A

* 基金項目：國家自然科學基金青年科學基金項目(61201281)。