井下振動數(shù)據(jù)測量儀器電路設(shè)計

李春楠

（中海油服油田技術(shù)研究院，河北燕郊，065201）

0 引言

隨鉆測井是一門多學(xué)科的應(yīng)用技術(shù)，包括基本理論、儀器設(shè)計、儀器制造、測量數(shù)據(jù)處理和解釋等，目前它已成為儲量評估、油儲勘探及油氣開采等方面不可缺少的工具。在鉆井過程中，井下儀器受到持續(xù)不斷的振動，為了掌握井下儀器真實的振動情況，需要對振動數(shù)據(jù)進行有效的測量。儀器具有結(jié)構(gòu)簡單，操作方便的特點，非常適合應(yīng)用于滿貫測井作業(yè)。

1 電路結(jié)構(gòu)

振動傳感器采集的振動信號，經(jīng)瞬時值電路、峰值保持電路和平均值運算電路，由主CPU的AD采樣通道采集這些振動數(shù)據(jù)，DDS采集板主要完成DDS采集以及1553總線驅(qū)動與通訊等功能。

圖1 電路結(jié)構(gòu)框圖

DDS采集板主要由以下3個電路模塊組成。

DDS采集模塊：3軸振動傳感器，瞬時值、峰值、平均值采樣保持電路。

主CPU及外圍電路模塊：主CPU（含A/D），外部SRAM，與調(diào)試上位機的串口通訊電路。

1553通訊模塊：曼碼編碼解碼電路，實現(xiàn)電源與信號的耦合和解耦的總線驅(qū)動電路。

2 CPU的設(shè)計

采用的CPU是一個16位RISC結(jié)構(gòu)體系的ARM7內(nèi)核，最高工作時鐘可達(dá)44MHz，具有看門狗， 16通道1MSps采樣速率的12位ADC、12位多達(dá)四緩沖電壓輸出的DAC、基準(zhǔn)電壓源、溫度傳感器、電壓比較器、62KB閃存/EE存儲器以及8KB靜態(tài)隨機存儲器SRAM， 串口包括1個UART、2個IIC和1個SPI，4個通用定時器，三相(6路輸出)PWM、可編程邏輯陣列(PLA)具有40個通用輸入輸出(GPIO)端口并且支持外部存儲器。

此CPU在本電路中除了作為控制中心外還負(fù)責(zé)著AD采樣、數(shù)據(jù)存儲和外部通訊功能。因此我們用到的功能包括ADC、基準(zhǔn)電壓源、溫度傳感器、閃存/EE存儲器、SRAM、UART、通用定時器、PWM、 GPIO和外部存儲器。

3 振動傳感器

振動狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集用加速度計，因為受到的振動和沖擊是三個方向的，即X軸Y軸Z軸，所以需要三個這樣的加速度計所組成的振動量采集電路。加速度值經(jīng)過采樣保持電路。峰值保持電路和平均值運算電路得到瞬時值，峰值和平均值。

表1 振動傳感器的性能指標(biāo)

加速度傳感器的線性度為0.2%，分辨率為0.2g， 測量范圍±250g，采樣頻率最高為5kHz，振動傳感器是電壓形傳感器。通過上述差數(shù)對比，本系統(tǒng)所選加速度傳感器滿足合同指標(biāo)的性能需求。

圖2 振動傳感器輸出波形

此圖為傳感器放到振動臺上，振動頻率為23Hz振動加速度為10g時傳感器所輸出的波形。由此圖可以看出該正弦波的峰峰值是185mV，周期是45ms。

4 采樣保持電路

采樣保持電路由瞬時值電路、峰值保持電路、平均值運算電路三部分組成。

瞬時值電路對振動數(shù)據(jù)進行脈沖采樣。峰值保持電路對振動數(shù)據(jù)脈沖進行峰值采集。平均值運算電路對一定時間內(nèi)的振動數(shù)據(jù)脈沖進行平均值的采集。這些振動數(shù)據(jù)用微處理器的A/D轉(zhuǎn)換電路變成數(shù)字信號，并由微處理器進行采集。微處理器對三軸進行采集，所以需要三組這樣的振動數(shù)據(jù)處理電路，需要九路微處理器的A/D轉(zhuǎn)換通道。

瞬時值電路：振動傳感器受到振動以脈沖方式發(fā)出，該脈沖幅度最大為±2V，該脈沖通過電容隔直，隔直后幅度最大仍為±2V，該脈沖再通過由運放組成的保持電路，該脈沖再通過由運放組成的保持電路后的波形由公式算出。最后的信號是幅度為0.25—2.25V的脈沖。

峰值保持電路：V3端的脈沖經(jīng)低漏流的運算放大器和二極管組成的半波整流電路，再通過低漏流的運算放大器和電容組成的保持電路將峰值輸出，。電容的作用是保存峰值，保持時間的長短主要由電容的大小而定。在一個峰值采樣周期內(nèi)重復(fù)上述過程，則電路輸出為正半波的峰值。峰值保持電路按系統(tǒng)指標(biāo)的4秒采樣要求，結(jié)合微處理器數(shù)據(jù)保持的手段實現(xiàn)4秒以上的峰值采樣性能。采樣過后同樣由軟件實現(xiàn)對其4秒內(nèi)峰值的清零，以便下一次的峰值采集。

平均值運算電路：V3端的脈沖經(jīng)低漏流的運算放大器和二極管組成的全波整流電路整流后，再經(jīng)過由運算放大器和電容組成的RMS均方根真值處理電路， RMS均方根真值處理電路對波形進行模擬運算，得到振動加速度的平均值。振動加速度的平均值的大小與RMS均方根真值處理電路中電容電阻有關(guān)。

5 采集電路

振動數(shù)據(jù)經(jīng)采樣保持電路處理后用微處理器的A/D轉(zhuǎn)換電路變成數(shù)字信號，并由微處理器進行采集，采集的振動數(shù)據(jù)分別為瞬時值、峰值和平均值。微處理器對X、Y、Z三軸振動數(shù)據(jù)進行采集，所以需要九路微處理器的A/D轉(zhuǎn)換通道。

6 1553通訊電路

1553驅(qū)動電路實現(xiàn)了總線信號的電源/數(shù)據(jù)分離。總線上輸入的是信號和電壓，電壓為直流信號所以不能通過隔離變壓器，在總線取電源時加一個電感能直接取到總供電電壓，信號為交流信號通過變壓器耦合再經(jīng)過比較整形，輸出高低電平給通信芯片1553。通過隔離變壓器實現(xiàn)了1553總線信號的電源/數(shù)據(jù)分離。1553輸出的信號為高低電平，高低電平經(jīng)過變壓器耦合直接輸出到總線，通過總線把信號傳遞到上位機處理中心。

圖3 1553發(fā)送信號波形

圖4 1553接收信號波形

標(biāo)準(zhǔn)信號周期為23.44us，速率為42.66k BPS。

實際信號周期為23.5us，速率為42.55k BPS。

上升沿延遲時間為1us，下降沿延遲時間為1us。

7 編解碼電路

本儀器與上位信息中心的通訊接口是 1553 格式的曼切斯特變換信號。在曼徹斯特編碼中，由基本數(shù)據(jù)單元”0”和”1”組成二進制的數(shù)據(jù)流，數(shù)據(jù)的每一位中間有一跳變，位中間的跳變既作時鐘信號，又作數(shù)據(jù)信號；從高到低跳變表示”1”，從低到高跳變表示”0”。曼徹斯特編碼是將時鐘和數(shù)據(jù)包含在數(shù)據(jù)流中，在傳輸代碼信息的同時，也將時鐘同步信號一起傳輸?shù)綄Ψ剑课痪幋a中有一跳變，不存在直流分量，因此具有自同步能力和良好的抗干擾性能。從電源線分離出來的命令信號經(jīng)曼切斯特變換連接到主微處理芯片接收處理。應(yīng)答數(shù)據(jù)通過發(fā)送緩沖器發(fā)送到應(yīng)答格式曼切斯特變換處理器，在把曼切斯特信號經(jīng)驅(qū)動發(fā)送耦合電路傳送到信息中心。

8 實驗結(jié)果及討論

加速度傳感器安裝在離心機半徑200 mm處，連接傳感器的電源線和輸出線到控制箱，從控制箱連線到測量儀表，旋轉(zhuǎn)離心機產(chǎn)生所定加速度，測量并記錄傳感器輸出值，改變傳感器安裝姿勢，重復(fù)上述步驟，分別測量X、Y、Z軸各傳感器的 +，-方向。如圖所示，測量值與實際值線性度為0.04%.

9 結(jié)束語

在鉆井過程中，井下儀器受到持續(xù)不斷的振動,振動測量電路具有可行性，儀器具有結(jié)構(gòu)簡單，操作方便的特點，非常適合應(yīng)用于滿貫測井作業(yè)。同時具備模擬信號處理，濾波，采集，指令傳送，編解碼等復(fù)雜處理功能，在尺寸上大大縮短，從而很好地縮短儀器長度，提高電路設(shè)計的可靠性，且滿足實際生產(chǎn)作業(yè)的要求。

圖5 Z軸標(biāo)定線性度曲線圖