FPGA的泥漿電參數測量系統(tǒng)的設計分析和實現過程

FPGA的泥漿電參數測量系統(tǒng)的設計分析和實現過程摘要: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(tǒng)設計和實現過程。整個系統(tǒng)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(fā)生器。該系統(tǒng)突破了傳統(tǒng)測量泥漿電參數的思路，通過測量盛有泥漿的環(huán)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(tǒng)滿足了石油測井過程中的實際應用需要。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(yè)的血液，是支撐我國經濟快速發(fā)展重要能源，關系到國家能源安全、社會穩(wěn)定[1]。然而在石油開采過程中充滿著各種挑戰(zhàn)，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?；贔PGA的泥漿電參數測量系統(tǒng)是為了滿足上述工業(yè)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(huán)行容器內，以泥漿作為該容器的電介質，然后測量該環(huán)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(huán)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IV轉換電路圖1.2原理分析

根據數值分析模擬，環(huán)形電容模型可以等效為電阻R和電容C并聯(lián)，如圖2所示。

圖2環(huán)形電容等效模型示意圖那么環(huán)形電容的等效阻抗為：其中：參數r1和r2分別代表的是環(huán)形電容內外半徑，h表示環(huán)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：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：

從以上推導可以得知，測量泥漿的電參數可以通過測量環(huán)形容器的等效阻抗間接獲取。2系統(tǒng)構成基于FPGA的泥漿電參數測量系統(tǒng)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(jiān)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IV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(jiān)測電路，將采集后的監(jiān)測信息送給FPGA控制器，整個系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3基于FPGA的泥漿電參數測量系統(tǒng)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90nm制造技術，每個I/O的傳輸速率高達622Mb/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0.12Hz；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800Mbps,其內部功能框圖如圖4所示。

圖4AD9958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2.7GHz，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~+30dB，精度達到30mV/dB，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5AD8302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：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(tài)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(tài)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1.8V時，為實現測量范圍覆蓋泥漿變化范圍，所需電流至少為200mA，而DDS芯片輸出最大電流為10mA，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250mA，輸入信號帶寬最大可達180MHz，且內部具有過熱保護功能，完全滿足設計需要。2.6IV轉換電路

IV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、25MHz寬頻帶運算放大器AD8620作為IV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±5V供電的情況下，AD8620的偏置電流典型值為IB=2pA，失調電流IOS=1pA，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