20世紀(jì)90年代以來,國外測井公司陸續(xù)開發(fā)研制了以dsi（schlumberger,1990）、mac（western atlas,1992）和led（halliburton,1994）為代表新一代多極陣列聲波測井儀器,這類測井儀具有其它聲波測井儀器不可替代強(qiáng)大功能。它可軟、硬層中測量充液井孔中縱波、橫波和斯通利波波速,可以記錄反射斯通利波和反射縱波。這些波形數(shù)據(jù)中包含大量有應(yīng)用價值質(zhì)信息,如橫波和反射斯通利波信息可以評價低角度裂縫;反射縱波可對井周近10米范圍內(nèi)質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行成像;交叉偶極資料可用于層各向異性評價。近幾年來,我國斥巨資直接請斯侖貝謝測井公司服務(wù),并引進(jìn)了幾十套包括mac內(nèi)eclips2000系統(tǒng)。借鑒國外聲波測井儀器研制方面成功技術(shù),開發(fā)新一代偶極聲波測井儀器是提高我國測井裝備水平重要途徑。
數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是決定偶極子聲波測井儀能否取合格數(shù)據(jù)關(guān)鍵部分之一,對整個儀器系統(tǒng)性能有重大影響。聲波信號頻率及數(shù)據(jù)處理對數(shù)據(jù)精度、動態(tài)范圍要求是決定數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計主要因素。適應(yīng)廣泛層條件和保證數(shù)據(jù)能進(jìn)行高精度數(shù)值計算（如聲速衰減等）,要求該儀器系統(tǒng)有大動態(tài)范圍和高分辨率測量,
并適合井下高溫、高壓工作環(huán)境。采集通道控制器有多種方案實(shí)現(xiàn)。傳統(tǒng)中小規(guī)模數(shù)字電路功耗大、體積大,走線太多,給印刷板布線帶來困難,一種好方案。是多通道并行高速采集,且數(shù)據(jù)間隔精度直接影響到對數(shù)據(jù)分析精度,一般微控制器難以滿足要求。而大規(guī)模復(fù)雜可編程邏輯器件cpld具有集成度高、速度快（通常比單片機(jī)用軟件控制至少提高兩個數(shù)量級以上）優(yōu)點(diǎn),并能重新編程來修改和增強(qiáng)系統(tǒng)功能,不必重新設(shè)計印刷板,是優(yōu)選方案。本設(shè)計選用lattice公司isplsi1k系列低端器件isplsi1016e,可滿足系統(tǒng)控制功能。
1 系統(tǒng)設(shè)計
交叉偶極測量聲系設(shè)計要求,采用四組接收換能器,四組數(shù)據(jù)采集通道完成多道數(shù)據(jù)同時采集任務(wù)。使各通道具有較好一致性,并滿足系統(tǒng)擴(kuò)展需要,把采集系統(tǒng)分為四個功能*相同獨(dú)立數(shù)據(jù)采集通道。每個采集通道主要由adc、采集通道邏輯控制單元、存儲器等幾個部分構(gòu)成。它們位置可以互換,并一個井下控制微處理機(jī)mpu統(tǒng)一控制。
偶極子聲波測井儀接收信號zui高頻率是14khz左右聲波信號（偶極子發(fā)射換能器為500hz～4khz,單極子發(fā)射換能器為2khz～14khz）,nypuist定律,adc采樣頻率zui少是28khz。為保證對采集波形頻域分析,本系統(tǒng)使用zui高采樣頻率為100khzadc。當(dāng)偶極模式工作時,聲波頻率上限4khz左右,可采用較低采集速率。利用外部時鐘進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換adc可控制采集時鐘頻率來控制采集速率。要進(jìn)行如聲速衰減等計算,對數(shù)據(jù)采集精度和動態(tài)范圍要求較高,采用16位adc和1000倍程控前置位大器,使系統(tǒng)具有150db以上動態(tài)范圍,可以滿足設(shè)計要求。adc采用adi公司ad676td,它具有片內(nèi)采樣保持功能,輸入量程由參考電壓決定,zui大為鹵10v。ad676采用電容陣列和電荷重新分配技術(shù)取代傳統(tǒng)對薄膜電阻陣列進(jìn)行激光修整方法,消由溫度變化導(dǎo)致電阻值不匹配帶來線性誤差;用片內(nèi)微處理器和刻度dac測量并補(bǔ)償電容失配誤差,利用刻度電容失配誤差修正采集結(jié)果,使測量精度達(dá)到了較高水平。
高速數(shù)據(jù)緩存采用idt公司8k字節(jié)fifo存儲器idt7205。fifo存儲器有兩個數(shù)據(jù)端口,寫入端口數(shù)據(jù)采集端,讀出端口接mpu端,內(nèi)部址計數(shù)器寫入數(shù)據(jù)次序有序?qū)?shù)據(jù)寫入相應(yīng)ram單元中,讀出數(shù)據(jù)時按數(shù)據(jù)存入先后依次取出。
如上述,本設(shè)計以ad676、isplsi1016、idt7205為主構(gòu)成優(yōu)化數(shù)據(jù)采集通道。選用87c51作為井下控制單片機(jī)mpu,控制四個采集通道進(jìn)行并行數(shù)據(jù)采集,并完成單、偶極控制發(fā)信號接收處理等其它功能。
2 系統(tǒng)構(gòu)成
2.1 硬件部分
整個并下聲波采集系統(tǒng)由四個*獨(dú)立、功能相同、可以互換數(shù)據(jù)采集通道及控制各個通道工作井下單片機(jī)87c51（mpu）構(gòu)成,如圖1所示。mpu外部gal譯碼電路產(chǎn)生采集通道控制信號,將采集通道數(shù)據(jù)讀入單片機(jī)外部ram,并加上一些輔助信息后,由遙測電路上傳給面系統(tǒng)。
數(shù)據(jù)采集通道原理如圖2所示。每一路數(shù)據(jù)采集通道主要由模擬開關(guān)、放大器、高精度adc ad676、采集通道控制器isplsi1016、fifo數(shù)據(jù)緩存器idt7205、光耦等構(gòu)成。
二選一模擬開關(guān)dg419具有高精度、低導(dǎo)通電阻、快速導(dǎo)通截止等優(yōu)點(diǎn),采集通道控制器控制下切換聲波模擬信號。放大器采用高性能運(yùn)放ad845,以放大和緩沖來自模擬開關(guān)模擬聲波信號。高精度模/數(shù)轉(zhuǎn)換器ad676采集通道控制器控制下,對聲波信號進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。采用高速大容量fifo及其采集通道控制器,可以保證不占用mpu系統(tǒng)資源情況下,完