基于CPLD的微电阻率扫描成像测井仪极板检测系统的设计

基于CPLD的微电阻率扫描成像测井仪极板检测系统的设计
【摘要】极板作为微电阻率扫描成像测井仪（MCI，Micro Conductivity Imager）的重要组成部分，其性能直接影响微电阻率扫描成像测井仪的清晰度和分辨率。

针对这一问题，本文设计了基于CPLD的MCI测井仪的极板信号检测系统。

首先通过Quartus II软件对所选取的CPLD进行软件设计及仿真，然后通过硬件电路的设计与制作，实现了极板检测系统，并利用该系统对MCI测井仪的极板进行了实际检测和试验，证明了该极板检测系统能用于MCI仪器的极板检测，实现了MCI测井仪极板检测工具的小型化和高效化。

【关键词】微电阻率扫描成像;极板检测系统;可编程逻辑器件;Quartus II
引言
微电阻率扫描成像（MCI，Micro Conduct-ivity Imager）是一种电阻率测井仪，主要用于测量地层的非均质信息，在地层的精细结构描述、薄层划分、裂缝识别、沉积相分析等方面具有独特的应用效果。

微电阻率扫描成像的井下仪器主要由极板内置电路、预处理短节、数据采集短节、电缆遥传短节组成，图1显示微电阻率成像仪器的组成[1]。

每支MCI测井仪上有六个极板，每个极板上有24个分布规律的电扣。

测井时，电扣与井壁接触，用于直接采集地层的电流。

极板内腔置有极板电路板，电扣信号经过极板电路板的放大处理后，通过一个7芯微插件引入仪器腔[2]。

极板是微电阻率扫描成像测井仪井下最关键的部分，它的好坏影响微电阻率扫描成像测井仪的清晰度和分辨率。

因此，在MCI测井仪的实际生产和维修中，对极板的检测就显得尤其重要。

极板检测包括检测极板电扣的一致性和检测极板的低噪声输出，通过检测这两方面的情况，对当前极板的性能做出判断。

进行极板检测的时候，需要为极板电路板提供信号源和极板时序控制信号。

图1 微电阻率成像仪器的组成
图2 MCI测井仪一块极板内置电路原理图
本文基于CPLD设计了一套适用于MCI测井仪的极板信号检测系统，首先通过Quartus II软件对所选取的CPLD进行仿真，然后通过硬件电路的设计与制作，实现了极板检测系统，并利用该系统通过对MCI仪器极板的实际检测和实验，证明了该极板检测系统能用于MCI测井仪的极板检测。

1.MCI极板模型
微电阻率成像测井仪的推靠器短节装有六个极板，每个极板有24个电扣，共144个电扣。

每块极板装有内置电路，每个电扣电流信号在极板内经过采样放大、模拟开关后传到预处理短节，图2为MCI测井仪一块极板内置电路的原理图。

一个极板体有24个电扣，采用3个八选一模拟开关分时输出每个电扣信号，
再用1个八选一模拟开关将前3个八选一模拟开关的信号分时输出[3]。

每个电扣信号的放大倍数为2万倍。

时钟信号和复位信号都来自MCI测井仪的预处理短节，正弦波由采集短节提供。

复位信号RST的作用是对极板内置多路选一电路进行复位，目的是在极板每次通电之后，确保进行采集电扣的位置是固定的第一个电扣;每组时钟信号CLK共有24道，每道时钟信号在通过二进制地址编码器之后，相应对应一道模拟开关的选通地址，从而控制极板电扣信号的传输[4]。

由于所选的二进制编码器是串行输入，因此将复位信号和时钟信号先通过加法器合成一道信号，然后通过一个比较器依次输出。

2.极板检测系统设计
2.1 极板检测系统输出信号的设计
极板电路输出噪声检测和极板电扣信号一致性检测是极板检测的主要内容，本文通过设计产生极板检测所需的信号源信号、复位信号和时钟信号，从而实现对极板的检测。

极板检测系统与极板的关系如图3所示。

图3 极板检测系统与仪器极板部分的关系
信号源信号是一组10KHz的正弦波，输出峰值为1V，然后将此信号经过模拟地层电阻后从电扣输入，以此作为信号检测的对象[5]。

复位信号与时钟信号在时序上有固定的对应关系，为了使得它们严格的时序对齐，本文采用了基于CPLD的电路来产生所需的信号，对应关系如图4所示（未经过加法器），其中，复位信号的脉宽为400us，周期为30ms;时钟信号的脉宽为200us。

为了减小模拟开关切换的时候对小信号的影响，设定时钟信号的占空比较小。

图4 极板检测系统与仪器极板部分的关系
2.2 极板检测系统的硬件设计
根据极板检测系统所要提供的10KHz的正弦波、复位信号、时钟信号以及复位信号和时钟信号的对应关系，本文设计了基于可编程逻辑器件EPM7064所设计的电路，产生上述三个信号，其电路原理框图如图5所示。

由图5可以看到EPM7064输出10KHz的方波、复位信号RST和时钟信号CLK，外部为其提供2.56M的晶振和电源提供的±5V的直流电压。

复位信号和时钟信号都是数字信号，所以这里采用数字驱动器件CD4050BF为这两个信号增加负载能力，然后将这两道信号通过一个加法电路合成一道信号作为输出。

由EPM7064输出的10KHz方波先经过中心频率为10KHz、品质因数为10的带通滤波电路;考虑到由滤波电路输出的10KHz正弦波是模拟信号，为增加其负载能力，将该信号经过一个由运放HA5104搭成的跟随电路，然后再把10KHz的正弦波输出。

图5 极板检测系统的原理框图
2.3 极板检测系统的软件设计
本文所介绍的极板信号检测系统的软件方面是利用Altera公司所开发的Quartus II软件对所选的EPM7064可编程逻辑器件进行模拟仿真[6]。

在设计过程中，采用了模块化设计的方法，包括对已有的计数器模块的使用，同时使用VHDL 语言编写了所需的分频程序等，并将其生成相应的模块，最后将所有的模块连接起来进行仿真，并通过Quartus II软件里的波形文件进行波形仿真[7]。

波形仿真的结果如图6所示，第0道为复位信号，第1道为时钟信号，第2道为10KHz 的方波，图6中虚线区间的放大波形如图7所示，由此可见，仿真结果基本符合设计要求。

图6 波形仿真图
图7 波形仿真图
3.极板信号检测
极板信号的检测包括极板电扣信号一致性检测和极板电路输出噪声检测。

其中，极板电扣信号一致性检测是指仪器极板各个电扣的放大倍数是否为2万倍，极板电路输出检测是指极板整体的低噪声是否为低于15mv。

本文设计的极板检测系统在实际检测运用情况如下阐述。

在极板电扣信号一致性检测中，首先介绍一下电阻模拟盒。

电阻模拟盒内部有并列的24个电阻，它们的顺序有一定规律，其大小分别为100kΩ或50kΩ。

模拟盒的作用是模拟地层电阻。

图8是极板检测时一道电扣的检测示意图，由极板检测系统产生的10KHz正弦波（峰值1V）经过模拟盒，模拟盒的电阻为100K或50K，则输入仪器极板部分的电压值为V或V，仪器极板部分再放大2万倍，则仪器极板部分的输出为2V或4V。

图8 极板检测示意图
本次检测采用的电阻模拟盒内电阻的分布情况是：序号为1、3、7、9、12、14、16、18、20、22的电阻阻值为100kΩ;序号为2、4、6、8、10、11、13、15、17、19、21、23、24的电阻阻值为50kΩ;序号为5的位置不接电阻且断开。

在实际检测中，极板检测系统、电阻模拟盒、极板三者整体连起来，由示波器检测到的极板输出情况如图9所示。

图9 极板电扣信号一致性检测的实际检测情况
在图9中，C2波形是节选于C1的波形。

C1、C2中粉色波形是输出的10KHz 正弦波（峰值为1V），黄色的波形是极板24个电扣的输出波形（每个电扣已用数字标出），序号为1、3、7、9、12、14、16、18、20、22的电扣输出为2V，序号为2、4、6、8、10、11、13、15、17、19、21、23、24的电扣输出为4V。

序号为5的电扣输出为0V，这是因为模拟盒的相应位置是断路。

由此可见，除了电扣5以外，其它电扣的放大倍数均为2万倍，有较好的一致性，这也与电阻模拟的情况相符合，极板电路输出噪声检测的做法是只给仪器极板部分提供复位信号和时钟信号，看仪器极板部分的输出低噪声是否为15mv以下，图10是示
波器在实际检测中测得的极板低噪声的输出情况，可以看到，该极板的输出低噪声为15mv以下，基本符合要求。

图10 极板电路输出噪声检测
4.结束语
本文设计了基于CPLD的MCI测井仪的极板信号检测系统，首先实现了极板电路输出噪声检测和极板电扣信号一致性的检测，有效地提高了极板信号检测的效率。

此外，从外出维修人员在现场的实际使用反馈情况表明，本文设计的极板检测系统不仅可以实现极板检测，并且解决了MCI极板检测的小型化问题，使得极板检测更为简便、快捷、高效。

参考文献
[1]王文学，伍妍红，王爱英，王恒，李吉林，王宪军.微电阻率扫描测井技术在山西煤层气评价中的应用[J].石油仪器，2013（2）：72-74+1.
[2]肖宏，王淑明.微电阻率扫描成像测井仪改进及二次开发[J].研究报告，2006（7）.
[3]高同辉，王键.基于CPLD的继电器测试系统设计[J].实验室研究与探索，2014（1）：94-98.
[4]武立华，黄玉，王姣，赵恩铭，刘志海.基于CPLD的正弦波/方波互换电路及实验[J].物理实验，2014（3）：31-35.
[5]MCI5570测井仪使用维修手册.中国石油集团测井有限公司.
[6]美国Altera公司.MAX7000可编程逻辑器件的数据手册.
[7]潘松，黄继业.EDA技术实用教程[M].科学出版社，2010（6）.。