在錄井儀器中，深度系統是最重要的部分，離開了深度系統中的井深，儀器中大部分參數都將失去意義[1]。而在深度系統中，大鉤高度的測量是最為關鍵的。通過絞車信號的實時數據檢測，可得到與大鉤高度相關的絞車脈沖信號計數值，將該值傳入上位機，通過相應的計算可以得到實時的井深。
同時，基于太陽能和蓄電池供電的無線錄井數據采集與傳輸系統要求現場絞車信號檢測電路必須具有低功耗、小尺寸和抗干擾性強的特點。因此，采用分離元器件所設計的傳統的絞車信號測量電路就不能滿足無線錄井系統的這些特殊要求。
美國Xilinx公司的CoolRunner II系列CPLD芯片XC2C64A結合XC9500系列的高速度、方便易用和XPLA3系列的超低功耗等優點，具有低功耗、高密度、在系統可編程和抗干擾能力強等特點[2]，在一顆芯片上就可以代替多顆傳統邏輯芯片來實現復雜的組合與時序邏輯控制，能夠達到低功耗、小尺寸和抗干擾性強的優良性能[3]。
無線錄井絞車信號檢測電路的設計與實現
絞車順時針旋轉時， 傳感器輸出A相波形超前B相波形90°；逆時針旋轉時，輸出A相波形滯后B相波形90°。其后的鑒相(方向鑒別)、倍頻和計數就是基于如上輸出的兩相脈沖信號。
絞車信號檢測電路的整體結構(圖1)，包括絞車信號的整形、隔離、鑒相、倍頻、計數和數據讀取接口等部分。
信號A和信號B是來自絞車傳感器的相位差90?的兩路脈沖信號，先經過第一次施密特整形，抑制現場干擾和線路衰減引起的脈沖波形畸變，轉換為標準的脈沖信號；然后經數字隔離器進行電氣隔離，隔離電路一方面對后面的電路起保護作用，另一方面起電壓變換的作用，將信號轉換為3.3V標準電壓的脈沖信號；再經過第二次施密特整形電路進行整形，此次整形的主要目的是將兩路脈沖信號的波形進行變換，產生A、B、AA(A的反相)和BB(B的反相)四路信號。
圖1 絞車信號檢測電路結構框圖
經第二次整形后，A、B兩路信號經過單穩態觸發器，在其上升沿和下降沿處分別進行觸發，得到四個窄脈沖信號AU、AD，BU、BD。
得到的A、B、AA、BB、AU、AD、BU、BD共8路信號輸入到CPLD XC2C64A，進行倍頻、鑒相和計數等處理，并在單片機的控制下對數據進行輸出或清零。
根據如上的設計原理，采用Xilinx公司的EDA軟件ISE和模塊化設計[4]的方法設計了無線錄井絞車信號的檢測電路，其頂層設計電路如圖2所示，該電路包括兩個子模塊：倍頻、鑒相子模塊jch_4f_dir，具有4倍頻和方向鑒別功能；16位二進制可控加減計數與數據接口子模塊countud，具有加/減計數(由方向鑒別信號控制)和MCU選擇讀取高/低8位計數數據等功能。該電路在XC2C64A-7VC44I器件[5]上進行了下載測試。
圖2 絞車信號四倍頻、鑒相與計數頂層電路圖
A、B、AA、BB、AU、AD、BU、BD共8路信號經過如圖3中左側所示的倍頻電路，產生4倍頻的脈沖信號，給后面的計數器提供計數時鐘信號；如圖3中右上側所示的由與非門組成的RS觸發器，是鑒相(方向鑒別)電路，可以得到反映絞車傳感器A、B兩相信號到達先后的方向信號A_B_DIR。假設絞車正轉，A超前B，A_B_DIR=1；絞車反轉， B超前A，A_B_DIR=0。
鑒相(方向)信號A_B_DIR一方面連接到二選一數據選擇器的選擇輸入端S0，用來控制A4F_OUT和B4F_OUT選通到如圖2右側所示的計數器countud進行計數，當A_B_DIR=1(A超前B)時，clk=A4F_OUT(有脈沖輸出)；當A_B_DIR=0(B超前A)時clk= B4F_OUT(有脈沖輸出)；同時，A_B_DIR也控制計數器進行加法(A_B_DIR=0)或減法(A_B_DIR=1)計數。
圖3 絞車信號四倍頻與鑒相電路圖
16位二進制加/減計數器的主要功能設計描述如下所示(采用Verilog HDL)。其中，clk是計數時鐘輸入端，clr是異步清零端，dir是加減計數控制端：dir=1，減法計數，dir=0，加法計數；sel是計數數據讀取控制端，由單片機給出的選擇信號實現高8位、低8位的計數數據輸出，sel=0，低8位，sel=1，高8位。
無線錄井絞車倍頻、鑒相與計數電路的仿真測試
在Xilinx的ISE環境下對倍頻、鑒相子模塊jch_4f_dir的仿真波形圖示于圖4。該波形是絞車傳感器輸出B相波形超前A相波形90°時的仿真結果。此時，倍頻輸出信號B4fout與A(或B)信號的頻率成4倍關系，鑒相(方向鑒別)輸出信號Dir=0，這與前面的原理分析完全一致。
圖4 B超前A的四倍頻與鑒相輸出信號波形圖
在ModelSim XEIII環境下對絞車檢測頂層整體電路(包括倍頻、鑒相和計數)的仿真波形圖示于圖5，該波形是絞車傳感器輸出B相波形超前A相波形90°時的仿真結果。此時，倍頻輸出信號B4OUT與A(或B)信號的頻率成4倍關系，是計數器countud的時鐘輸入信號；鑒相(方向鑒別)輸出信號A_B_DIR=0，即計數器的加減控制輸入信號dir=0，計數器加法計數；單片機提供的數據讀取選擇信號SEL=0，選取16位計數器的低8位輸出，輸出的8位數據正是計數器按照四倍頻時鐘信號進行加法計數的結果。
圖5 B超前A的絞車檢測輸出(倍頻、鑒相和計數)波形圖
在錄井現場，使絞車傳感器快速轉動產生脈沖，經過電路處理后，傳輸到主控儀器房的工控機。在設計中考慮現場應用情況，采集到的脈沖計數值是在一個初始值N的基礎上變化的(此處常使用30000，即0x7530)，正轉/反轉變化脈沖數在此基礎上做加/減運算。絞車傳感器轉動一圈產生48個脈沖數，現場試驗數據分析表明，檢測電路對絞車轉動圈數的測量非常準確，誤差僅是0.01%。
結語
采用一片XC2C64A-7VC44I器件(64個宏單元，33個I/O口，工業級–40°C to +85°C)設計并實現了無線錄井絞車信號的檢測電路，完成了絞車信號的四倍頻、鑒相和16位二進制加減計數以及與MCU數據讀取接口等綜合功能。錄井生產實際應用表明，該設計簡化了系統結構，降低了系統功耗，從而提高了系統整體性能，在無線錄井數據采集與傳輸系統中，應用效果很好。
參考文獻：
[1] 秦紅祥. 綜合錄井技術在鉆井工程中的應用[J].西部探礦工程，2004，67(6)：59-60
[2] CoolRunner-II CPLD Family Product Specification.http://direct.xilinx.com/bvdocs/publications/ds090.pdf
[3] 周海驕. 利用CoolRunner-II設計高性能系統[J].微電子技術，2003，31(5)：42-44
[4] 王誠等.FPGA/CPLD設計工具-Xilinx ISE 5.x使用詳解.北京：人民郵電出版社，2003
[5] XC2C64A CoolRunner-II CPLD Product Specification.http://direct.xilinx.com/bvdocs/publications/ds311.pdf
作者：于云華 來源：電子產品世界