摘 要： 針對過套管電阻率測井儀在測量領域的實際需求，設計了微弱電壓采集系統，包括以TMS320F2812為核心的控制電路，高性能、高放大倍數、低噪聲的前置放大電路，24 bit高精度A/D轉換器。最后以套管作為實驗載體搭建了實驗平臺，通過改變模擬電阻盒的阻值進行電壓測量，并且通過計算得出了測量電阻的阻值。
關鍵詞： 微弱電壓測量； TMS320F2812； ADC； CAN總線
油井下過金屬套管后，由于金屬套管的電阻率與地層電阻率相比是極微小的(地層的電阻率在1 Ω·m~1 000 Ω·m之間，而金屬套管的電阻率的典型值為2×10-7 Ω·m[1])，根據電流沿著電阻率最小的路徑完成回路這一原理，在套管與地層之間,大部分電流會沿低電阻率的套管流動,只有一小部分泄漏到地層中去[2]，稱之為漏電流。不同的地層電阻率，漏電流也不盡相同。因此,通過測量套管上微小的電壓降，從而計算出漏電流，可達到測量套管外地層電阻率的目的。
1 數據采集系統構架
不同電阻率測井儀器的信號量級如圖1所示。可以看出,過套管測井的測量信號量級是非常低的，在納伏級(10-9 V)。由于測量信號非常微弱，所以采集系統的精度高低將直接關系到儀器的測量準確度和測量范圍。
本設計的數據采集系統框圖如圖2所示,V1、V2即為套管上微小的電壓降。因為V1、V2為納伏級信號，所以首先對兩路信號進行放大和濾波，然后進入A/D完成模/數轉換。系統選用了TI公司的高精度24位A/D芯片ADS1274作為模/數轉換芯片，DSP選用了TI公司的TMS320F2812DSP作為控制芯片。通過F2812的GPIO端口與ADS1274進行數據傳輸；F2812自帶的eCAN控制器與CAN收發器連接，完成數據的通信。
2 數據采集系統硬件電路設計
2.1 放大濾波電路
在前置放大電路中，整個系統的噪聲情況主要由第一級放大電路決定。對于差分輸入端來說，會引入較大的共模干擾，因此對前級的放大器共模抑制能力有比較高的要求[3]。所以采用了一片AD620來組建初級放大器。AD620是一款高精度儀表放大器，僅需要一個外部電阻來設置增益，增益范圍為1~10 000[4]。由于整個放大電路的總增益要求是非常高的,而單個運放增益又不宜過大,所以電路采用多級放大電路組態方式，經過多級濾波、多級放大,逐步提高信噪比。采用兩片OPA211搭建了多級帶通濾波器，總放大倍數達到1 200倍。
2.2 A/D轉換電路
A/D 轉換器的位數決定轉換電壓的精度，測量微小信號時，信號越小，A/D 轉換器的位數就相應要求越高。本系統A/D采集芯片選擇ADS1274，該芯片是目前TI公司采樣速率最高的單通道24位Δ-ΣA/D轉換器之一。它可以實現4通道同步采樣，可通過設置相應的輸入/輸出引腳選擇工作模式，其數據輸出可選幀同步或SPI串行接口，便于連接至DSP[5]。
ADS1274采用的是差分輸入，差分信號比單端信號擁有更強的抗噪聲能力，所以需要差分放大器來進行驅動。本文選用了TI公司的全差動放大器THS4503作為ADC的驅動電路，將放大濾波后的電壓單端信號轉換為差分信號， 送至ADS1274的輸入端， 驅動電路原理如圖3所示。選擇合適的電阻值，使得驅動電路輸出差分信號幅度與ADC信號輸入范圍匹配。
2.3 TMS320F2812的McBSP
McBSP（Multi-channel Buffered Serial Port）是TI公司生產的數字信號處理芯片的多通道緩沖串口，它是在標準串行接口的基礎之上對功能進行擴展，因此，具有與標準串行接口相同的基本功能。McBSP內部包括數據通通路和控制通路兩部分，并通過7個引腳與外部器件相連，引腳功能如表1所示。
2.4 DSP選型及其接口電路設計
本系統選用的DSP是德州儀器公司TI生產的DSP-TMS320F2812。它是TI公司推出的目前2000系列中性能最高的32 bit定點DSP器件,具有128 K×16 bit的片上Flash、18 K×16 bit的片上RAM以及十分豐富的內部資源及外設接口,被廣泛應用于工業控制、生產等領域。
TMS320F2812DSP與ADS1274的接口電路如圖4所示。
TMS320F2812有56個通用輸入輸出引腳GPIO，共分為6組,分別為GPIOA、GPIOB、GPIOD、GPIOE、GPIOF、GPIOG。這些引腳基本上都是多功能復用引腳，既可以作為DSP片內外設，也可作為通用的數組I/O口。
在F2812內部，由GPIOF8-GPIOF13控制McBSP。在本系統中，GPIOF9為接收時鐘，與ADS1274的SCLK連接；GPIOF11為接收幀同步，與ADS1274的DRY/FSY連接；GPIOF13為串行數據接收,與ADS1274的DOUT1連接，使得F2812和ADS1274完成數據傳輸。使用通用管腳GPIOB連接ADS1274的工作模式(MODE[1:0])、數據輸出模式(FOMAT[2:0])、同步采集信號(SYNC)和低功耗信號(PWDN[4:1]),這樣可以靈活配置ADC的工作狀態，還可以關閉不使用的通道，降低ADC的功耗。
2.5 數據通信電路設計
CAN(Controller Area Network)總線是現場總線的一種，由于其具有通信速率高、可靠性強、連接方便、性價比高等特點，并且CAN總線采用差分信號傳輸，具有很強的抗干擾能力，驅動能力強，可提供高達1 Mb/s的串行數據傳輸速率，而廣泛地應用于汽車、工業自動化等領域[6]。
F2812集成了eCAN控制器(即增強型CAN控制器)，為CPU提供了完整的CAN2.0B協議，減少了通信時CPU的開銷。為了使得F2812eCAN模塊的電平符合高速CAN總線的電平特性，本系統在eCAN模塊與CAN總線之間增加了CAN收發器(也稱為驅動器)—SN65HVD233，用于將二進制碼流轉換為差分信號發送，或將差分信號轉換為二進制碼流接收，以完成數據的傳輸與通信。
3 實驗方案設計及結果
利用油田開發所用的套管，根據實際的測井條件搭建了實驗平臺，利用所設計的采集系統測量套管上的壓降，如圖5 所示。
首先,大電流發射裝置在套管上供出7 A左右的電流；其次,3個測量電極U、M、D從套管上分別采集R1、R2兩端的電壓UM、MD(R1、R2分別為U與M、M與D間的電阻，兩者近似相等；在套管兩端分別接上約30 ?贅的導線，導線的另一端接地，用來模擬井中圍巖，從M點引出一根導線到電阻模擬盒)，再兩兩作為差分信號輸入低噪聲的前置放大電路，經過放大濾波、A/D轉換后，進入TMS320F28129處理器進行數字信號處理；最后TMS320F2812通過RS232接口與計算機相連，將組織好的數據上傳至上位機進行計算，通過改變電阻模擬盒的阻值對V1、V2進行測量采集，并且通過計算得出測量電阻的阻值，并且進行顯示。實驗結果如表2所示。
從表2中的數據可以看出，在相同阻值條件下V1、V2的測量值相對穩定，離散度不高，測量精度能夠得到保證，且標準差隨著測量電阻的增加逐步減小。經過計算，測量電阻的相對誤差控制在6%左右，能夠滿足實際工程測量領域的要求。目前該系統已經應用于油田開發的過套管電阻率測井儀器中，用于測量金屬套管的電阻值以及地層的電阻率，并已完成若干口生產井的測井任務，測量結果真實、可靠。
參考文獻
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[2] 田永慶.套管井電阻率測井技術[J].特種油氣藏，2003，10(6):96-98.
[3] 樓鋼，李偉，鄧學博．小信號放大電路設計[J]．浙江理工大學學報，2007，24(6)：1-4．
[4] DEVICES A. Inc． Low cost， low power instrumentation Amplifier[Z]. 2004.
[5] 王懷秀,朱國維.24位高性能模數轉換器ADS1274/ADS1278及其應用[J]. 國外電子元器件，2008(5):53-56.
[6] 鎢寬明. 現場總線技術應用選編(上)[M]． 北京： 北京航空航天大學出版社，2003.